基于UG平台的齿轮三维实体建模.pdf

第 2 期 (总 第 147 期 )2008 年 4 月机 械 工 程 与 自 动 化M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T IONN o12A p r1文 章 编 号 : 167226413 (2008) 0220069203基 于 U G 平 台 的 齿 轮 三 维 实 体 建 模高 海 兵 , 李 春 英(太 原 理 工 大 学 , 山 西 太 原 030024)摘 要 : 以 U G210 软 件 为 平 台 , 介 绍 了 在 U G 中 两 种 不 同 齿 轮 的 创 建 模 式 , 并 结 合 实 际 应 用 讨 论 了 两 种 模 式 的优 缺 点 。关 键 词 : U G; 齿 轮 ; 建 模中 图 分 类 号 : TH 132141 T P273 文 献 标 识 码 : A收 稿 日 期 : 2007209210; 修 回 日 期 : 2007212215作 者 简 介 : 高 海 兵 (19822) , 男 , 山 西 吕 梁 人 , 硕 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向 : 机 电 液 一 体 化 。1 概 述齿 轮 传 动 作 为 重 要 的 机 械 传 动 形 式 , 具 有 瞬 时 传动 比 恒 定 、 传 动 效 率 高 、 传 递 功 率 范 围 广 、 寿 命 长 等优 点 。 但 是 在 啮 合 传 动 过 程 中 , 对 齿 轮 的 齿 廓 设 计 、 制造 精 度 有 很 高 的 要 求 , 如 果 精 度 达 不 到 要 求 , 将 会 引起 传 动 过 程 中 的 振 动 、 噪 声 , 使 得 传 动 不 稳 定 , 降 低了 传 动 质 量 。 故 对 齿 轮 及 其 系 统 进 行 静 态 、 动 态 的 研究 , 从 而 为 实 际 生 产 应 用 提 供 有 力 的 理 论 依 据 。齿 轮 齿 廓 的 形 式 在 很 大 程 度 上 影 响 着 整 个 齿 轮 传动 系 统 的 性 能 和 工 作 效 率 , 对 其 进 行 三 维 实 体 建 模 比较 困 难 。 在 一 般 的 三 维 设 计 软 件 中 , 齿 轮 齿 廓 是 用 样条 曲 线 拟 合 的 方 法 来 代 替 的 , 这 就 使 得 对 齿 轮 的 研 究结 果 与 实 际 工 作 中 的 结 果 有 很 大 的 误 差 , 影 响 了 研 究结 果 的 准 确 性 和 实 用 性 。 所 以 在 设 计 过 程 中 需 要 寻 找一 种 准 确 快 捷 的 方 法 , 为 理 论 研 究 和 实 际 应 用 提 供 一种 便 捷 的 桥 梁 。U G (un igraph ics)软 件 是 集 CAD CA E CAM 为一 体 的 三 维 机 械 设 计 平 台 , 它 不 仅 具 有 强 大 的 实 体 造型 、 曲 面 造 型 、 虚 拟 装 配 和 生 成 工 程 图 等 设 计 功 能 , 而且 在 设 计 过 程 中 可 进 行 有 限 元 分 析 、 机 构 运 动 分 析 、 动力 学 分 析 和 仿 真 模 拟 , 从 而 提 高 了 设 计 的 可 靠 性 。2 UG 平 台 上 的 齿 轮 建 模在 U G 软 件 中 , 对 于 齿 轮 的 三 维 建 模 主 要 有 两 种方 法 : 通 过 完 全 参 数 化 的 方 式 先 确 定 齿 轮 轮 齿 的 基本 形 状 , 主 要 是 齿 形 齿 廓 的 基 本 形 式 , 其 中 包 括 渐 开线 、 直 齿 等 形 状 , 然 后 通 过 特 征 操 作 生 成 齿 轮 的 三 维实 体 , 再 根 据 实 际 要 求 , 通 过 各 种 特 征 操 作 生 成 最 终的 三 维 实 体 模 型 ; 通 过 U G 软 件 中 的 齿 轮 模 块 来 实现 三 维 实 体 模 型 的 构 建 , 在 齿 轮 模 块 中 , 只 需 在 设 计界 面 中 输 入 控 制 齿 轮 模 型 的 基 本 参 数 就 能 直 接 生 成 齿轮 的 三 维 实 体 模 型 , 应 用 齿 轮 模 块 可 以 创 建 直 齿 、 斜齿 、 内 齿 、 外 齿 等 常 见 的 齿 轮 。211 参 数 化 建 模使 用 完 全 的 参 数 化 建 模 能 很 好 地 控 制 齿 轮 齿 廓 的具 体 形 状 , 因 为 在 实 际 工 作 环 境 中 , 不 同 的 工 况 对 齿轮 传 动 特 性 有 不 同 的 要 求 。 在 参 数 化 建 模 中 , 齿 轮 齿形 是 通 过 参 数 化 方 程 来 控 制 的 , 这 样 就 可 以 准 确 地 控制 齿 轮 齿 廓 的 生 成 , 同 时 , 也 可 以 通 过 参 数 化 建 模 来控 制 齿 轮 的 其 它 参 数 , 例 如 任 意 位 置 的 齿 厚 、 齿 轮 系变 位 及 其 传 动 、 中 心 距 等 , 从 而 得 到 所 需 的 比 较 准 确的 齿 轮 模 型 。参 数 化 建 模 的 具 体 步 骤 如 下 : 使 用 “ 工 具 ” -“ 表 达 式 ” , 依 次 输 入 各 个 参 数 的 设 计 变 量 , 其 中 包 括齿 轮 各 个 参 数 的 名 称 、 函 数 表 达 式 和 各 个 参 数 的 值 , 如图 1 所 示 ; 以 “ 表 达 式 ” 文 件 所 包 括 的 齿 轮 的 基 本 参数 为 依 据 , 首 先 生 成 控 制 齿 轮 齿 廓 的 一 条 曲 线 , 然 后对 其 进 行 编 辑 , 生 成 齿 廓 的 完 整 曲 线 , 再 对 生 成 的 齿轮 基 圆 、 分 度 圆 、 齿 顶 圆 、 齿 根 圆 和 齿 廓 曲 线 进 行 编辑 , 生 成 完 整 的 齿 轮 模 型 的 二 维 草 图 ; 对 二 维 平 面图 进 行 特 征 操 作 , 通 过 拉 伸 生 成 实 体 , 再 根 据 实 际 的要 求 对 实 体 进 行 特 征 操 作 , 最 终 得 到 符 合 要 求 的 三 维实 体 模 型 。在 参 数 化 建 模 过 程 中 , 为 保 证 所 创 建 的 齿 轮 的 准确 性 , 所 有 的 齿 轮 尺 寸 都 是 用 参 数 来 驱 动 的 , 故 生 成的 曲 线 尺 寸 都 要 进 行 参 数 化 编 辑 , 且 不 能 随 意 改 动 齿轮 参 数 表 达 式 中 所 示 尺 寸 的 值 和 所 对 应 的 函 数 关 系 。图 1 齿 轮 参 数 表 达 式212 用 齿 轮 模 块 生 成 齿 轮U G 齿 轮 模 块 是 在 U G 平 台 上 开 发 的 快 速 生 成 齿轮 实 体 的 专 用 模 块 , 在 设 计 过 程 中 只 需 通 过 输 入 齿 轮模 块 所 涉 及 的 基 本 参 数 就 能 直 接 生 成 齿 轮 的 实 体 模型 , 再 配 合 U G 的 其 它 特 征 建 模 就 可 以 实 现 不 同 形 式齿 轮 的 创 建 , 大 大 简 化 了 齿 轮 设 计 的 过 程 , 极 大 地 提高 了 设 计 的 效 率 。 同 时 , 对 现 有 齿 轮 的 编 辑 修 改 相 当方 便 , 只 要 选 定 需 要 编 辑 的 实 体 , 修 改 其 基 本 的 参 数 ,就 能 重 新 生 成 新 的 模 型 。 具 体 的 创 建 过 程 为 : 创 建齿 轮 的 一 般 选 项 (见 图 2) , 包 括 创 建 普 通 齿 轮 还 是 工 程齿 轮 , 创 建 直 齿 还 是 斜 齿 , 创 建 外 齿 还 是 内 齿 , 创 建的 齿 轮 用 铣 刀 滚 铣 还 是 成 型 切 削 等 , 通 过 这 个 界 面 的操 作 基 本 控 制 了 所 加 工 齿 轮 的 基 本 特 征 ; 创 建 标 准齿 轮 的 界 面 (见 图 3) , 包 括 齿 轮 的 名 称 、 模 数 、 齿 数 、齿 轮 的 厚 度 和 压 力 角 ; 创 建 变 位 齿 轮 (见 图 4) , 除 标准 齿 轮 所 包 含 的 参 数 外 , 还 有 节 圆 直 径 、 齿 顶 圆 直 径 、变 位 系 数 、 齿 顶 高 系 数 、 齿 根 高 系 数 , 这 样 就 完 全 控制 了 齿 轮 的 基 本 特 征 , 从 而 生 成 了 完 整 的 齿 轮 三 维 实体 模 型 (见 图 5)。完 成 齿 轮 毛 坯 的 创 建 后 , 再 通 过 其 它 的 特 征 操 作生 成 适 合 要 求 的 三 维 实 体 模 型 , 然 后 就 可 以 对 其 进 行其 它 的 分 析 仿 真 。3 参 数 化 建 模 和 齿 轮 模 块 建 模 优 缺 点 的 比 较参 数 化 建 模 能 够 准 确 地 控 制 齿 轮 齿 廓 的 形 状 和 齿轮 的 基 本 轮 廓 , 对 于 不 同 的 齿 廓 , 只 要 能 写 出 其 对 应的 函 数 就 能 生 成 与 之 对 应 的 齿 廓 曲 线 , 这 样 就 能 生 成对 齿 廓 要 求 比 较 高 的 齿 轮 , 同 时 可 以 用 来 实 现 齿 轮 比较 特 殊 的 特 征 , 例 如 变 位 齿 轮 、 齿 数 比 较 少 的 齿 轮 等 ,从 而 生 成 满 足 实 际 要 求 的 齿 轮 。图 2 选 择 齿 轮 类 型图 3 创 建 标 准 齿 轮图 4 创 建 变 位 齿 轮用 齿 轮 模 块 来 生 成 齿 轮 时 , 省 去 了 相 对 比 较 繁 琐07 机 械 工 程 与 自 动 化 2008 年 第 2 期 的 齿 廓 曲 线 的 生 成 过 程 , 通 过 直 接 输 入 齿 轮 的 基 本 参数 , 就 能 生 成 所 需 要 的 一 般 常 用 到 的 齿 轮 类 型 , 减 少了 花 在 建 模 过 程 上 的 时 间 , 极 大 地 提 高 了 设 计 效 率 。 但是 齿 轮 模 块 不 能 生 成 比 较 特 殊 的 齿 轮 齿 廓 。图 5 生 成 的 齿 轮 实 体 模 型值 得 注 意 的 是 : 当 设 计 渐 开 线 齿 轮 时 , 由 机 械 原理 的 基 本 知 识 可 知 , 基 圆 内 没 有 渐 开 线 ; 当 齿 数 z 41时 , 齿 根 圆 直 径 d f 大 于 基 圆 直 径 d b, 齿 轮 的 整 个 齿 廓曲 线 全 为 渐 开 线 ; 而 当 齿 数 z 41 和 z 41 要 分 别 制 作 齿 廓 曲 线 。 在 参数 化 建 模 时 只 要 在 设 计 过 程 中 把 圆 弧 曲 线 函 数 加 在“ 表 达 式 ” 中 就 能 生 成 完 整 的 齿 轮 齿 廓 ; 用 齿 轮 模 块 时 ,因 为 生 成 的 齿 廓 曲 线 不 连 续 , 就 要 先 修 改 生 成 的 齿 廓曲 线 , 使 齿 廓 曲 线 形 成 连 续 的 曲 线 , 再 通 过 特 征 操 作就 能 完 成 实 体 建 模 。4 结 论由 以 上 所 述 知 , 参 数 化 建 模 和 用 齿 轮 模 块 建 模 各有 优 缺 点 , 参 数 化 建 模 能 够 得 到 非 常 准 确 的 实 体 模 型 ,而 齿 轮 模 块 提 供 了 一 种 快 速 、 便 捷 的 设 计 方 法 。 在 齿轮 的 设 计 及 其 运 动 仿 真 过 程 中 , 如 果 齿 轮 齿 廓 对 仿 真结 果 影 响 并 不 大 , 只 要 运 动 部 件 的 运 动 条 件 及 其 参 数与 实 际 情 况 相 吻 合 的 话 , 可 以 考 虑 用 齿 轮 模 块 来 设 计齿 轮 系 统 ; 如 果 要 比 较 准 确 地 研 究 单 个 齿 轮 的 受 力 , 尤其 是 对 齿 廓 要 求 较 高 时 , 考 虑 使 用 参 数 化 建 模 的 方 式 。参 考 文 献 :1 黄 翔 . U G 应 用 开 发 教 程 与 实 例 精 解 M . 北 京 : 清 华 大 学出 版 社 , 2005.2 李 志 兵 . U G 机 械 设 计 习 题 精 解 M . 北 京 : 人 民 邮 电 出 版社 , 2004.3 陈 立 德 . 机 械 设 计 基 础 M . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2004. 4 陶 泽 光 , 李 润 方 , 林 腾 蛟 . 齿 轮 系 统 有 限 元 模 态 分 析 J .机 械 设 计 与 研 究 , 2000 (3): 45247.5 刘 忠 明 . 齿 轮 产 品 零 件 图 的 参 数 化 生 成 技 术 研 究 J . 现代 机 械 , 2006 (1): 34236. 6 李 雪 军 . 齿 轮 CAD 技 术 研 究 J . 机 械 设 计 与 制 造 , 2000(1): 15. 7 苏 纯 , 陈 志 伟 . 一 种 基 于 U G 的 齿 轮 结 构 参 数 化 设 计 系 统的 开 发 J . 中 国 制 造 业 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 页 )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