第 2 期 (總 第 147 期 )2008 年 4 月機 械 工 程 與 自 動 化M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T IONN o12A p r1文 章 編 號 : 167226413 (2008) 0220069203基 于 U G 平 臺 的 齒 輪 三 維 實 體 建 模高 海 兵 , 李 春 英(太 原 理 工 大 學 , 山 西 太 原 030024)摘 要 : 以 U G210 軟 件 為 平 臺 , 介 紹 了 在 U G 中 兩 種 不 同 齒 輪 的 創(chuàng) 建 模 式 , 并 結(jié) 合 實 際 應 用 討 論 了 兩 種 模 式 的優(yōu) 缺 點 。關(guān) 鍵 詞 : U G; 齒 輪 ; 建 模中 圖 分 類 號 : TH 132141 T P273 文 獻 標 識 碼 : A收 稿 日 期 : 2007209210; 修 回 日 期 : 2007212215作 者 簡 介 : 高 海 兵 (19822) , 男 , 山 西 呂 梁 人 , 碩 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向 : 機 電 液 一 體 化 。1 概 述齒 輪 傳 動 作 為 重 要 的 機 械 傳 動 形 式 , 具 有 瞬 時 傳動 比 恒 定 、 傳 動 效 率 高 、 傳 遞 功 率 范 圍 廣 、 壽 命 長 等優(yōu) 點 。 但 是 在 嚙 合 傳 動 過 程 中 , 對 齒 輪 的 齒 廓 設(shè) 計 、 制造 精 度 有 很 高 的 要 求 , 如 果 精 度 達 不 到 要 求 , 將 會 引起 傳 動 過 程 中 的 振 動 、 噪 聲 , 使 得 傳 動 不 穩(wěn) 定 , 降 低了 傳 動 質(zhì) 量 。 故 對 齒 輪 及 其 系 統(tǒng) 進 行 靜 態(tài) 、 動 態(tài) 的 研究 , 從 而 為 實 際 生 產(chǎn) 應 用 提 供 有 力 的 理 論 依 據(jù) 。齒 輪 齒 廓 的 形 式 在 很 大 程 度 上 影 響 著 整 個 齒 輪 傳動 系 統(tǒng) 的 性 能 和 工 作 效 率 , 對 其 進 行 三 維 實 體 建 模 比較 困 難 。 在 一 般 的 三 維 設(shè) 計 軟 件 中 , 齒 輪 齒 廓 是 用 樣條 曲 線 擬 合 的 方 法 來 代 替 的 , 這 就 使 得 對 齒 輪 的 研 究結(jié) 果 與 實 際 工 作 中 的 結(jié) 果 有 很 大 的 誤 差 , 影 響 了 研 究結(jié) 果 的 準 確 性 和 實 用 性 。 所 以 在 設(shè) 計 過 程 中 需 要 尋 找一 種 準 確 快 捷 的 方 法 , 為 理 論 研 究 和 實 際 應 用 提 供 一種 便 捷 的 橋 梁 。U G (un igraph ics)軟 件 是 集 CAD CA E CAM 為一 體 的 三 維 機 械 設(shè) 計 平 臺 , 它 不 僅 具 有 強 大 的 實 體 造型 、 曲 面 造 型 、 虛 擬 裝 配 和 生 成 工 程 圖 等 設(shè) 計 功 能 , 而且 在 設(shè) 計 過 程 中 可 進 行 有 限 元 分 析 、 機 構(gòu) 運 動 分 析 、 動力 學 分 析 和 仿 真 模 擬 , 從 而 提 高 了 設(shè) 計 的 可 靠 性 。2 UG 平 臺 上 的 齒 輪 建 模在 U G 軟 件 中 , 對 于 齒 輪 的 三 維 建 模 主 要 有 兩 種方 法 : 通 過 完 全 參 數(shù) 化 的 方 式 先 確 定 齒 輪 輪 齒 的 基本 形 狀 , 主 要 是 齒 形 齒 廓 的 基 本 形 式 , 其 中 包 括 漸 開線 、 直 齒 等 形 狀 , 然 后 通 過 特 征 操 作 生 成 齒 輪 的 三 維實 體 , 再 根 據(jù) 實 際 要 求 , 通 過 各 種 特 征 操 作 生 成 最 終的 三 維 實 體 模 型 ; 通 過 U G 軟 件 中 的 齒 輪 模 塊 來 實現(xiàn) 三 維 實 體 模 型 的 構(gòu) 建 , 在 齒 輪 模 塊 中 , 只 需 在 設(shè) 計界 面 中 輸 入 控 制 齒 輪 模 型 的 基 本 參 數(shù) 就 能 直 接 生 成 齒輪 的 三 維 實 體 模 型 , 應 用 齒 輪 模 塊 可 以 創(chuàng) 建 直 齒 、 斜齒 、 內(nèi) 齒 、 外 齒 等 常 見 的 齒 輪 。211 參 數(shù) 化 建 模使 用 完 全 的 參 數(shù) 化 建 模 能 很 好 地 控 制 齒 輪 齒 廓 的具 體 形 狀 , 因 為 在 實 際 工 作 環(huán) 境 中 , 不 同 的 工 況 對 齒輪 傳 動 特 性 有 不 同 的 要 求 。 在 參 數(shù) 化 建 模 中 , 齒 輪 齒形 是 通 過 參 數(shù) 化 方 程 來 控 制 的 , 這 樣 就 可 以 準 確 地 控制 齒 輪 齒 廓 的 生 成 , 同 時 , 也 可 以 通 過 參 數(shù) 化 建 模 來控 制 齒 輪 的 其 它 參 數(shù) , 例 如 任 意 位 置 的 齒 厚 、 齒 輪 系變 位 及 其 傳 動 、 中 心 距 等 , 從 而 得 到 所 需 的 比 較 準 確的 齒 輪 模 型 。參 數(shù) 化 建 模 的 具 體 步 驟 如 下 : 使 用 “ 工 具 ” -“ 表 達 式 ” , 依 次 輸 入 各 個 參 數(shù) 的 設(shè) 計 變 量 , 其 中 包 括齒 輪 各 個 參 數(shù) 的 名 稱 、 函 數(shù) 表 達 式 和 各 個 參 數(shù) 的 值 , 如圖 1 所 示 ; 以 “ 表 達 式 ” 文 件 所 包 括 的 齒 輪 的 基 本 參數(shù) 為 依 據(jù) , 首 先 生 成 控 制 齒 輪 齒 廓 的 一 條 曲 線 , 然 后對 其 進 行 編 輯 , 生 成 齒 廓 的 完 整 曲 線 , 再 對 生 成 的 齒輪 基 圓 、 分 度 圓 、 齒 頂 圓 、 齒 根 圓 和 齒 廓 曲 線 進 行 編輯 , 生 成 完 整 的 齒 輪 模 型 的 二 維 草 圖 ; 對 二 維 平 面圖 進 行 特 征 操 作 , 通 過 拉 伸 生 成 實 體 , 再 根 據(jù) 實 際 的要 求 對 實 體 進 行 特 征 操 作 , 最 終 得 到 符 合 要 求 的 三 維實 體 模 型 。在 參 數(shù) 化 建 模 過 程 中 , 為 保 證 所 創(chuàng) 建 的 齒 輪 的 準確 性 , 所 有 的 齒 輪 尺 寸 都 是 用 參 數(shù) 來 驅(qū) 動 的 , 故 生 成的 曲 線 尺 寸 都 要 進 行 參 數(shù) 化 編 輯 , 且 不 能 隨 意 改 動 齒輪 參 數(shù) 表 達 式 中 所 示 尺 寸 的 值 和 所 對 應 的 函 數(shù) 關(guān) 系 。圖 1 齒 輪 參 數(shù) 表 達 式212 用 齒 輪 模 塊 生 成 齒 輪U G 齒 輪 模 塊 是 在 U G 平 臺 上 開 發(fā) 的 快 速 生 成 齒輪 實 體 的 專 用 模 塊 , 在 設(shè) 計 過 程 中 只 需 通 過 輸 入 齒 輪模 塊 所 涉 及 的 基 本 參 數(shù) 就 能 直 接 生 成 齒 輪 的 實 體 模型 , 再 配 合 U G 的 其 它 特 征 建 模 就 可 以 實 現(xiàn) 不 同 形 式齒 輪 的 創(chuàng) 建 , 大 大 簡 化 了 齒 輪 設(shè) 計 的 過 程 , 極 大 地 提高 了 設(shè) 計 的 效 率 。 同 時 , 對 現(xiàn) 有 齒 輪 的 編 輯 修 改 相 當方 便 , 只 要 選 定 需 要 編 輯 的 實 體 , 修 改 其 基 本 的 參 數(shù) ,就 能 重 新 生 成 新 的 模 型 。 具 體 的 創(chuàng) 建 過 程 為 : 創(chuàng) 建齒 輪 的 一 般 選 項 (見 圖 2) , 包 括 創(chuàng) 建 普 通 齒 輪 還 是 工 程齒 輪 , 創(chuàng) 建 直 齒 還 是 斜 齒 , 創(chuàng) 建 外 齒 還 是 內(nèi) 齒 , 創(chuàng) 建的 齒 輪 用 銑 刀 滾 銑 還 是 成 型 切 削 等 , 通 過 這 個 界 面 的操 作 基 本 控 制 了 所 加 工 齒 輪 的 基 本 特 征 ; 創(chuàng) 建 標 準齒 輪 的 界 面 (見 圖 3) , 包 括 齒 輪 的 名 稱 、 模 數(shù) 、 齒 數(shù) 、齒 輪 的 厚 度 和 壓 力 角 ; 創(chuàng) 建 變 位 齒 輪 (見 圖 4) , 除 標準 齒 輪 所 包 含 的 參 數(shù) 外 , 還 有 節(jié) 圓 直 徑 、 齒 頂 圓 直 徑 、變 位 系 數(shù) 、 齒 頂 高 系 數(shù) 、 齒 根 高 系 數(shù) , 這 樣 就 完 全 控制 了 齒 輪 的 基 本 特 征 , 從 而 生 成 了 完 整 的 齒 輪 三 維 實體 模 型 (見 圖 5)。完 成 齒 輪 毛 坯 的 創(chuàng) 建 后 , 再 通 過 其 它 的 特 征 操 作生 成 適 合 要 求 的 三 維 實 體 模 型 , 然 后 就 可 以 對 其 進 行其 它 的 分 析 仿 真 。3 參 數(shù) 化 建 模 和 齒 輪 模 塊 建 模 優(yōu) 缺 點 的 比 較參 數(shù) 化 建 模 能 夠 準 確 地 控 制 齒 輪 齒 廓 的 形 狀 和 齒輪 的 基 本 輪 廓 , 對 于 不 同 的 齒 廓 , 只 要 能 寫 出 其 對 應的 函 數(shù) 就 能 生 成 與 之 對 應 的 齒 廓 曲 線 , 這 樣 就 能 生 成對 齒 廓 要 求 比 較 高 的 齒 輪 , 同 時 可 以 用 來 實 現(xiàn) 齒 輪 比較 特 殊 的 特 征 , 例 如 變 位 齒 輪 、 齒 數(shù) 比 較 少 的 齒 輪 等 ,從 而 生 成 滿 足 實 際 要 求 的 齒 輪 。圖 2 選 擇 齒 輪 類 型圖 3 創(chuàng) 建 標 準 齒 輪圖 4 創(chuàng) 建 變 位 齒 輪用 齒 輪 模 塊 來 生 成 齒 輪 時 , 省 去 了 相 對 比 較 繁 瑣07 機 械 工 程 與 自 動 化 2008 年 第 2 期 的 齒 廓 曲 線 的 生 成 過 程 , 通 過 直 接 輸 入 齒 輪 的 基 本 參數(shù) , 就 能 生 成 所 需 要 的 一 般 常 用 到 的 齒 輪 類 型 , 減 少了 花 在 建 模 過 程 上 的 時 間 , 極 大 地 提 高 了 設(shè) 計 效 率 。 但是 齒 輪 模 塊 不 能 生 成 比 較 特 殊 的 齒 輪 齒 廓 。圖 5 生 成 的 齒 輪 實 體 模 型值 得 注 意 的 是 : 當 設(shè) 計 漸 開 線 齒 輪 時 , 由 機 械 原理 的 基 本 知 識 可 知 , 基 圓 內(nèi) 沒 有 漸 開 線 ; 當 齒 數(shù) z 41時 , 齒 根 圓 直 徑 d f 大 于 基 圓 直 徑 d b, 齒 輪 的 整 個 齒 廓曲 線 全 為 漸 開 線 ; 而 當 齒 數(shù) z 41 和 z 41 要 分 別 制 作 齒 廓 曲 線 。 在 參數(shù) 化 建 模 時 只 要 在 設(shè) 計 過 程 中 把 圓 弧 曲 線 函 數(shù) 加 在“ 表 達 式 ” 中 就 能 生 成 完 整 的 齒 輪 齒 廓 ; 用 齒 輪 模 塊 時 ,因 為 生 成 的 齒 廓 曲 線 不 連 續(xù) , 就 要 先 修 改 生 成 的 齒 廓曲 線 , 使 齒 廓 曲 線 形 成 連 續(xù) 的 曲 線 , 再 通 過 特 征 操 作就 能 完 成 實 體 建 模 。4 結(jié) 論由 以 上 所 述 知 , 參 數(shù) 化 建 模 和 用 齒 輪 模 塊 建 模 各有 優(yōu) 缺 點 , 參 數(shù) 化 建 模 能 夠 得 到 非 常 準 確 的 實 體 模 型 ,而 齒 輪 模 塊 提 供 了 一 種 快 速 、 便 捷 的 設(shè) 計 方 法 。 在 齒輪 的 設(shè) 計 及 其 運 動 仿 真 過 程 中 , 如 果 齒 輪 齒 廓 對 仿 真結(jié) 果 影 響 并 不 大 , 只 要 運 動 部 件 的 運 動 條 件 及 其 參 數(shù)與 實 際 情 況 相 吻 合 的 話 , 可 以 考 慮 用 齒 輪 模 塊 來 設(shè) 計齒 輪 系 統(tǒng) ; 如 果 要 比 較 準 確 地 研 究 單 個 齒 輪 的 受 力 , 尤其 是 對 齒 廓 要 求 較 高 時 , 考 慮 使 用 參 數(shù) 化 建 模 的 方 式 。參 考 文 獻 :1 黃 翔 . U G 應 用 開 發(fā) 教 程 與 實 例 精 解 M . 北 京 : 清 華 大 學出 版 社 , 2005.2 李 志 兵 . U G 機 械 設(shè) 計 習 題 精 解 M . 北 京 : 人 民 郵 電 出 版社 , 2004.3 陳 立 德 . 機 械 設(shè) 計 基 礎(chǔ) M . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2004. 4 陶 澤 光 , 李 潤 方 , 林 騰 蛟 . 齒 輪 系 統(tǒng) 有 限 元 模 態(tài) 分 析 J .機 械 設(shè) 計 與 研 究 , 2000 (3): 45247.5 劉 忠 明 . 齒 輪 產(chǎn) 品 零 件 圖 的 參 數(shù) 化 生 成 技 術(shù) 研 究 J . 現(xiàn)代 機 械 , 2006 (1): 34236. 6 李 雪 軍 . 齒 輪 CAD 技 術(shù) 研 究 J . 機 械 設(shè) 計 與 制 造 , 2000(1): 15. 7 蘇 純 , 陳 志 偉 . 一 種 基 于 U G 的 齒 輪 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 化 設(shè) 計 系 統(tǒng)的 開 發(fā) J . 中 國 制 造 業(yè) 信 息 化 , 2005 (12): 23225.Three-d im en sional M odeling M ethod for Gear in UGGAO Ha i-bing,L I Chun-y ing(T aiyuan U niversity of T echno logy, T aiyuan 030024, Ch ina)Abstract: In th is paper, th ree2dim ensional gear models w ere built in U G2. 0 softw are by tw o different m ethods, then the paper dis2cussed the virtues and disadvantages betw een the tw o m ethods w hen they w ere used in p ractice.Key words: U G; gear; modeling(上 接 第 68 頁 )Foundation of the Gear M odel and Research on the ToothBend ing Stress Based on ANSY SW ANG L i- juan1, HUANG Qing- sh i1, BA I Bing2(1. Schoo l of M echanica