（光学工程专业论文）基于catia和adams的汽车主减速器弧齿锥齿轮参数化设计与研究.pdf

独创性声明 !|iii r l i ii iiii l lr l l f l l r liliill y 18 8 0 7 4 7 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理- t 大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展与进步，人们对汽车稳定性的要求越来越高。弧齿锥齿轮在 啮合过程中，至少有两对以上的轮齿同时进行啮合，其重合度明显大于直齿锥齿 轮副，因此在高速运转过程中可以降低振动和噪声。此外齿面还可以通过研磨或 者磨削提高齿面光洁度和齿面的精度，从而提高了传动的质量。并且弧齿锥齿轮 不易发生根切现象，即便存在根切现象也不会对齿轮的强度产生很大的影响。 本文主要的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对弧齿锥齿轮形成的原理及啮合理论进行研究，确定了弧齿锥齿 轮球面渐开线、齿顶圆、齿根圆以及齿形线的参数方程。并根据这些方程确定了 形成曲线的关键点，在c a t i a 中完成了单个轮齿的齿廓建模，最后通过实体建 模完成了弧齿锥齿轮的参数化设计工作。 ( 2 ) 利用v b 对c a t i a 进行了二次开发，并创建了了基于v b 的弧齿锥齿 轮大轮及小轮的可执行文件。再进行相似部件的设计时，可以利用该执行文件方 便、快捷、准确的完成齿轮副建模。 ( 3 ) 将设计完成的主从动齿轮在c a t i a 软件中进行装配，并将装配好的齿 轮副进行静态及动态干涉分析，以避免由于干涉造成动力学分析不准确。将不存 在干涉的齿轮副通过接口软件s i m d e s i g n e r 导入到a d a m s 中，并进行相关的约束 及载荷的添加，建立虚拟样机。 ( 4 ) 因为碰撞接触力仿真分析的关键在于确定接触刚度、阻尼系数、动静 摩擦系数等接触参数。所以在设置碰撞参数的过程中首先对赫兹碰撞理论进行了 研究，确定了碰撞刚度，然后根据相关经验对其它参数进行了设置。因为不同压 力角的齿轮副，其运动学和动力学是不相同的，所以本文对不同压力角的齿轮副 进行了研究分析。研究表明，随着压力角的增大，啮合力先增大后减小。 ( 5 ) 在齿轮的设计制造及齿轮副的装配过程中，不可避免的会存在误差。 本文介绍了一些常见的制造及安装误差，然后在常见安装误差存在的前提下对齿 轮副进行了运动学和动力学分析。分析表明，在安装误差存在的条件下，齿轮啮 合力波动量明显增大，这说明齿轮副的振动和噪声将会增大。 关键词：主减速器，弧齿锥齿轮，参数化建模，虚拟样机，动力学分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s s ，p e o p l ea r ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g v e h i c l es t a b i l i t y a tl e a s tt w op a i r so fm e s h i n gt e e t ha tt h es a m et i m ed u r i n gt h e m e s h i n gp r o c e s so fs p i r a lb e v e lg e a r ，t h ec o n t a c tr a t i oi sg r e a t e rt h a nt h es t r a i g h t b e v e lg e a rp a i r s ot h ep r o c e s so fh i g h - s p e e do p e r a t i o nc a nr e d u c et h ev i b r a t i o na n d n o i s e t o o t hs u r f a c ed e g r e ec a na l s ob ei m p r o v e db yt o o t hg r i n d i n go rs k i v i n gt o o t h ， t h e r e b yi m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o nq u a l i t y a n d l e s sp r o n et o s p i r a lb e v e lg e a r u n d e r c u t t i n gp h e n o m e n o n ，e v e n i ft h e r ei s u n d e r c u t t i n g t h es t r e n g t ho ft h e p h e n o m e n o no fg e a rw i l ln o th a v e ah u g ei m p a c t i nt h i sp a p e r ，t h es t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) d e t e r m i n i n gt h es p h e r eo fs p i r a lb e v e lg e a ri n v o l u t e ，a d d e n d u mc i r c l e ， d e d e n d u mc i r c l ea n dt o o t hf o r ml i n ep a r a m e t e re q u a t i o nt h r o u g ht h es t u d i e so ft h e f o r m a t i o no fs p i r a lb e v e lg e a rm e s h i n gt h e o r ya n dt h et h e o r y d e t e r m i n i n gt h ek e y p o i n t so ft h e s ec u r v e sb a s e do nt h e s ee q u a t i o n s ，c o m p l e t i n gas i n g l eg e a rt o o t hp r o f i l e i n 翻刀4a n df i n a l l yc o m p l e t eb ym o d e l i n gt h ep a r a m e t e r so fs p i r a lb e v e lg e a r d e s i g nw o r k ( 2 ) s t u d y i n gc a t i as e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e d o nv b ，a n dc r e a t ea v b - b a s e ds p i r a lb e v e lg e a rw h e e lb i gw h e e la n ds m a l le x e c u t a b l ef i l e w h e nd e s i g n t h es i m i l a rp a r t s ，w ec a ne x e c u t et h ef i l eu s i n gt h ec o n v e n i e n t ，f a s ta n da c c u r a t e m o d e l i n go ft h ec o m p l e t i o no fg e a r ( 3 ) a f t e ra s s e m b l i n gt h eg e a rp a i r ，a n a l y s et h es t a t i ca n dd y n a m i ci n t e r f e r e n c ei n t h ec a t i as o f t w a r et oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yk i n e t i ca n a l y s i s t r a n s f e r r i n g t h eg e a rp a i rt ot h ea d a m ss o f t w a r eb yt h es i m d e s i g n e rs o f t w a r et h e na d dt h e a s s o c i a t e dc o n s t r a i n t sa n dl o a d st ot h eg e a rp a i r ，a tl a s tav i r t u a lp r o t o t y p ei sc r e a t e d ( 4 ) t h ek e yp o i n to f s i m u l a t i o no fi m p a c tc o n t a c tf o r c ei sh o wt od e t e r m i n e t h ec o n t a c ts t i f f n e s s ，d a m p i n gc o e f f i c i e n t ，s t a t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc o n t a c t p a r a m e t e r s f i r s to fa l ls t u d yt h ec o l l i s i o nt h e o r yo fh e r t z t od e t e r m i n et h es t i f f n e s so f t h ec o l l i s i o ni nt h ep r o c e s so fs e t t i n gt h ei m p a c tp a r a m e t e r , a n dt h e nt h es e t t i n g so f o t h e rp a r a m e t e r sb ye x p e r i e n c e w h e nt h eg e a rp r e s s u r ea n g l ec h a n g e ，t h ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sw i l lb ec h a n g e d ，s oid i dr e s e a r c ho nd i f f e r e n tg e a rp r e s s u r ea n g l e t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ht h ep r e s s u r ea n g l ei n c r e a s e s ，t h em e s h i n gf o r c ei n c r e a s e sa n d t h e nd e c r e a s e s ( 5 ) t h e r ew i l li n e v i t a b l yb es o m ee r r o r si nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fg e a r a n dg e a ra s s e m b l yp r o c e s s ，t h i sa r t i c l ed e s c r i b e ss o m ec o m m o ne r r o r so ft h e m a n u f a c t u r ea n di n s t a l l a t i o n ，t h e nd o e ss o m er e s e a r c ho ng e a rp a i rw h i c ht h ee r r o r e x i s t si n t h ea n a l y s i ss h o w e st h a th eg e a rm e s h i n gf o r c ef l u c t u a t i o n si ss i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e sw h i c hi n d i c a t e dt h a tg e a rv i b r a t i o na n dn o i s ew i l li n c r e a s ew h e nt h ee r r o r e x i s t si n k e y w o r d s ：f i n a ld r i v e ，b e v e lg e a r ，p a r a m e t r i cm o d e l i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p i n g ， d y n a m i ca n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要l i i a b s tr a c t i i i i i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 虚拟样机理论3 1 3 参数化建模及二次开发5 1 4 研究现状及研究内容6 1 4 1 研究现状6 1 4 2 研究内容8 第二章螺旋锥齿轮三维参数化建模一9 2 1c a t i a 参数化建模9 2 2 弧齿锥齿轮的形成原理1 1 2 3 弧齿锥齿轮的数学模型1 2 2 3 1 弧齿锥齿轮的主要结构参数1 2 2 3 2 弧齿锥齿轮的建模1 3 2 4 齿轮副的装配与干涉检验。2 0 2 5 本章小结。2 1 第三章基于c a t i a 的二次开发2 2 3 1c a t i a 二次开发技术与v b 。2 2 3 2 基于v b 的二次开发。2 4 3 3 本章小结。2 9 第四章基于a d a m s 的主减速器虚拟样机模型建立3 0 4 1a d a m s 软件及其与c a t i a 的数据转换3 1 4 1 1a d a m s 软件3 1 4 1 2a d a m s 和c a t i a 之间的数据转换3 3 4 2 虚拟样机模型的建立。3 4 4 2 1 实体模型导入到a d a m s 3 4 4 2 2 添加约束和载荷3 5 4 2 3 齿轮接触力及碰撞参数选取3 6 4 3 主减速器的动力学仿真一4 1 4 3 1 主从动齿轮的转速与加速度4 1 4 3 2 主从动齿轮的切向力与啮合力4 3 4 3 3 齿轮啮合力与压力角的关系4 5 4 4 本章小结。4 8 第五章误差及磨损对齿轮副的影响4 9 5 1 常见的安装误差4 9 5 2 存在安装误差的齿轮副动力学分析5 1 5 3 存在齿面磨损的齿轮副动力学分析5 7 5 3 1 齿面磨损5 7 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 2 不同磨损程度下的齿轮副动力学分析5 7 5 4 本章小结5 9 第六章全文总结与展望6 0 6 1 全文总结6 0 6 2 不足与展望6 1 参考文献6 0 j l 殳谢6 5 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在汽车诞生的一百余年里，特别是在2 0 世纪的中后页，汽车已经为世界经 济的发展、人类社会的进步产生了巨大的推动作用。2 0 1 0 年我国汽车产销量均 超过1 8 0 0 万，超过美国、日本，居世界第一位，在未来十年中汽车产业在国民 经济中支柱产业的地位将越来越稳固。随着社会的不断发展与进步，人们对汽车 传动系统的承载能力及工作的可靠性、稳定性和乘坐的舒适性要求越来越高。汽 车主减速器做为驱动桥中最关键的部分，起着减速增矩，并且在发动机纵置时还 具有改变转矩传递方向的作用n 1 。因此其质量的好坏直接关系到整车的动力性、 经济性以及振动噪声、寿命等诸多方面。为保证主减速器具有良好的工作性能， 在设计过程中要求其工作平稳、有较高的传动效率、噪声低、有较强的承载能力、 使用寿命长、工作可靠等。因此对其精确的三维建模和进行运动学、动力学分析 是很有必要的。 齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定、结构紧凑、工作可靠性高、使用寿 命长、适用的圆周速度和功率范围广。锥齿轮传动( 如图1 - 1 所示) 用于传递相 交轴之间的运动和动力，是机械传动的一种重要形式，在汽车、机床和其他机械 产品上都得到了广泛的应用，在没有特殊要求时，轴交角一9 0 0 。按齿形线的 不同可以分为直齿、斜齿和螺旋锥齿轮。直齿锥齿轮制造容易、成本低，但齿轮 副对安装误差和变形很敏感。因为传动中同时啮合的齿数较少，所以容易产生冲 击，承载能力低，传动不平稳，噪音比较大。多用于低速、轻载而稳定的传动。 斜齿锥齿轮制造较容易，承载能力较大，噪声较小，轴向力大，且随转向变化。 但由于这种齿轮的加工生产效率低，性能又不如可用专门的高效机床大量生产的 螺旋锥齿轮，因此逐渐被后者替代。 弧齿锥齿轮与直齿锥齿轮相比有以下特点： 重合度大，在齿轮传动的过程中至少有两个或以上的轮齿同时进入啮合， 从而减轻了冲击、降低了噪音，并且齿轮副传动更加平稳。 由于在同一时刻进入啮合的轮齿多，所以弧齿锥齿轮的承载能力大，并且 磨损均匀，有较长的使用寿命。 齿轮不易发生根切现象，即便存在部分根切，也不会对轮齿的强度产生很 大的影响。这就使得小齿轮的最少齿数可以减少到5 ，因此可以减小传动机构的 尺寸并增大传动比，这一特点应用到主减速器上还可以提高汽车的通过性。 弧齿锥齿轮在加工过程中可以调整刀盘半径，并利用齿线曲率对接触面进 武汉理工大学硕士学位论文 行修整。 齿面可以通过研磨或者磨削以提高齿面光洁度和齿面的精度，从而提高了 传动的质量。 弧齿锥齿轮在传动过程中轴向推力较大，所以对轴承有较高的要求，在传 动过程中必须选用高等级的轴承i 羽。 因为弧齿锥齿轮具有以上特点所以它在汽车中特别是主减速器以及差速器 的设计中得到了比较广泛的运用。 图1 - 1 弧齿锥齿轮 汽车主减速器弧齿锥齿轮是在高速、重载以及工况不稳定等复杂条件下工 作，所以对其三维设计的质量要求很高，加之其几何形状十分复杂，因此齿轮设 计在齿轮制造应用过程中占据非常重要的地位。同时弧齿锥齿轮的三维建模也是 一个既重要又具有很大难度的课题。传统的齿轮设计过程冗繁，效率不高，弧齿 锥齿轮建模之前的设计也具有类似的问题。采用传统的设计方法设计一组满足设 计要求的齿轮副需要经过反复的修正与校核计算，需要花费很长时间才能完成。 齿轮副的二维图绘制也是一项复杂而费时的工作。此外对齿轮副动力性能进行实 车测试验证，首先需要经过设计制造测试的过程，其次需要配备相关的 技术人员进行实车测试。因此这个过程耗费了大量的人力、物力资源加重了企业 负担的同时，也延长了新产品开发的周期，使得产品开发落后于市场需求。常用 的汽车主减速器弧齿锥齿轮都具有类似的结构和形状，在新产品的开发与设计过 程中，不可避免的要重复很多以前繁琐的工作比如相似结构的建模、相似参数的 选取等等，浪费了大量的人力资源，并且由于在重复的过程中可能存在错误导致 建模不准确。因此借助c a t i a 参数化技术与二次开发技术实现其建模过程的参 数化和自动化以及利用虚拟样机技术在减速器制造之前对齿轮副进行运动学、动 力学分析对于提高设计工作的效率和设计质量具有非常重要的意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 虚拟样机理论 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是指产品在设计开发阶段， 将分散的零部件模型( 如产品的三维模型、产品的外观表示模型) 和性能分析模 型( 如产品的动力学、静力学仿真模型) 揉和在一起，在计算机上组成模型联合 体，并针对该产品在投入使用后的各种功能进行模拟，并分析和评估整个系统的 综合性能，进而完善产品设计、提高产品性能的一种新兴技术。它为物理样机的 设计和制造提供理论依据。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案可行性论证，然后进行 产品设计。在设计完成后，必须制造物理样机进行验证，有时候这些验证方式是 具有很大的破坏性和危险性的。当通过试验发现了产品的缺陷时，又必须对原来 的设计进行修改然后再进行验证。只有通过重复的设计一验证一设计一验证一设 计过程，产品才能达到设计要求的性能。这一过程是漫长的，特别是对于结构复 杂的系统比如汽车，设计周期很长。此外物理样机的制造过程也增加了成本，在 一些情况下设计者为了保证产品产品能及时跟踪、满足市场需求而中断了这一过 程，使得产品在开发出来便有先天的不足的缺点。在市场经济的背景下，基于物 理样机的设计验证过程严重的制约了产品质量的提高、成本的降低以及对市场反 应的灵敏度啼。 虚拟样机是从分析解决系统整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的 设计与制造过程存在的弊端的一项新兴技术。通过该技术，设计者可以直接利用 三维建模软件所提供的各种模型在计算机上定义各个零部件之间的连接关系并 对整个系统进行虚拟装配，这样就获得了机械系统的虚拟样机，然后就可以使用 系统动力学仿真软件在各种虚拟的环境中真实的模拟系统的各种工况，并进行运 动学和动力学仿真分析。虚拟样机技术可以使设计者在各种虚拟的环境中真实地 模拟产品整体的运动受力情况，快速分析各种设计方案，进行对物理样机来说难 以进行或者无法进行的试验( 比如汽车侧翻试验、主减速器高速传动试验) ，直 至获得系统的最优设计方案。虚拟样机技术的既可以用在方案论证、优化过程中 又可以用在概念设计过程中，设计者可以将自己的设计经验想象力融合到虚拟样 机里，充分发挥设计者的创造力和设计水平。 此外通过虚拟样机技术可以以低成本开发和展示产品的各种方案，充分考虑 用户的需求，预先对产品的被认可程度作评估与调查。从而提高了产品在设计初 期的自由度，方便地将设计者的想法展示给用户，以达到在产品开发的早期阶段 减少或者避免出现重大设计错误。虚拟样机对产品设计过程的影响如图1 2 所示。 其中，设计自由度指在产品设计过程中可供选择的实现方法，而产品知识是指有 3 武汉理工大学硕士学位论文 关产品的各类信息h 司抽1 。从图中不难看出，基于虚拟样机对设计提高了产品在 早期设计中的自由度，使设计者可以将多种设计方案进行比较，从而获得以前只 有等到设计后期才能获得的产品信息。 10 0 5 0 0 10 0 5 0 0 问题定义概念设计详细设计 粗实线：采用虚拟样机设计的自由程度 粗点线：没有采用虚拟样机的产品设计自由程度 细实线：采用虚拟样机获知的产品知识 细虚线：没有采用虚拟样机货值的产品知识 图1 2 虚拟样机对产品设计过程的影响 虚拟样机技术已经广泛的应用到了诸多领域比如航空航天、汽车设计制造、 工程机械设计制造、国防工业及通用机械制造等，所涉及的产品大到庞大的机车 小到相机的快门。在各个领域，针对不同的产品虚拟样机都为用户节省了时间、 减少了开支并提供了客户满意的设计方案。因此虚拟样机技术正得到更广泛的应 用。 c a t i a ( c o m p u t e ra i d e dt r i d i m e n s i o n a li n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) 是世界上一 种主流的c 剐d c a e c a m 一体化软件，在航空航天、汽车制造、造船、机械制 造、电子、电器等行业得到了广泛的应用，它的集成解决方案可以用于所有的产 品设计与制造领域【刀，其特有的d m u 模块及混合建模技术极大的促进了企业设 计水平和生产能力的提高。上世纪7 0 年代世界著名的航空航天企业d a s s a u l t a v i a t i o n 成为了第一个用户，c 舭也应运而生。在8 0 年代，c a t 认相继发 布了1 版本、2 版本、3 版本，并于1 9 9 3 年发布了功能强大的4 版本，现在 的c a t i a 软件分为v 4 版本、v 5 版本和v 6 版本三个系列。v 4 版本只能在 u n i x 平台上使用，v 5 和v 6 版本可以在u n i x 和w i n d o w s 平台上使用。为了 使软件能够更容易学习和使用，达索公司于上世纪9 0 年代中期开始重新开发了 全新的c a t i av 5 版本，v 5 版本界面更加友好，将复杂的设计工作变得简单， 给枯燥的工作增添了乐趣，它也开创了咖c a m 软件的一种全新风格。 由于c a t i a 功能非常强大并且近于完美，它已经几乎成为三维软件领域的 4 武汉理工大学硕士学位论文 领导者和其他软件遵循的标准，特别是在航空航天及汽车领域，c a t i a 一直处 于领先地位。法国的幻影2 0 0 0 系列战斗机就是利用c a t i a 进行设计分析的一 个典范，而波音7 7 7 客机则通过c a t i a 完成了无图纸设计，更造就了三维软件 领域的一个神话。此外米其林轮胎、李尔轿车的内饰、伊莱克斯的洗衣机和冰箱 以及a b b 公司的火车制造和通用动力的核潜艇都用到了这套软件。全世界有超 过6 0 的汽车公司都在用这套软件，中国的四大汽车公司及大部分航空航天企业 也都在使用c a t i a 进行设计开发。使用c a t i a 已经成为整个设计领域的一个 新趋势。 1 3 参数化建模及二次开发 汽车设计过程是一个需要创造性的活动，同时也是一个不断修改于完善的过 程。对于系列化或者通用型零部件的设计，新的设计常常要用到已有的设计结果， 而汽车主减速器常用锥齿轮的种类是固定的。传统的c a d 是先绘制图形，再从中 得到设计对象的几何关系，设计只关注最后结果，没有关注到设计的过程。这种 设计不支持系列化设计，不能很好的利用已有图形加快设计，从而使得设计周期 长，设计费用高，严重影响了设计的效率隅1 。 参数化模型有两种基本形式即基于历史的模型和基于约束的模型1 。基于历 史的模型通过按顺序描述一个几何体的构造方法的历史来构造几何体，该方法侧 重于生成过程，有了完整而正确的过程，其结果肯定是正确的；基于约束的模型 通过在当前实例上对特征尺寸进行约束的方式描述几何体的特性，该方法侧重于 生成结果，只要结果中包含了所要求的的几何模型，获得结果的过程不是必须的 的，c a t i a 就是基于约束的模型。而在真正的参数化建模过程中一般是将两种方 式结合起来。 参数化设计将原有设计中存在的某些特征尺寸，如定形，定位或装配尺寸 定义为变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其他相关尺 寸，计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计。一般是用于形状比较定型 的零部件，可以用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的特征，参数 与设计对象的控制尺寸和特征有显式对应关系，当参数序列值发生变化时时，就 可以通过驱动原设计对象到新的目标几何形状和特征。简言之，参数化设计就是 通过尺寸驱动和特征驱动的形式，以独立的几何约束和一定的函数公式关系来 进行产品的设计。 二次开发是用户在软件开发商所提供的开发环境和编程接口基础上，根据自 身的需求，进行新功能开发或者软件环境的定制的过程。进行新功能开发或软件 环境定制的过程。二次开发是对软件进行专业化的用户化定制，它可以使软件更 5 武汉理工大学硕七学位论文 有针对性的为设计者服务，因此它极大的提高了设计工作的效率和质量。任何优 秀的三维软件其功能也不是尽善尽美的，为此c a t i a 为用户提供了二次开发的接 口和开放式的内部命令集合，方便了用户对c a t i a 进行二次开发。c a t i a 作为一 种大型三维设计软件，近年来在汽车、航空领域得到了广泛的应用，其二次开发 技术也越来越受到重视。 c a t i a 接口主要有两种方式与外部程序进行通信即进程内应用程序方式 ( i n - p r o c e s sa p p l i c a t i o n ) 和进程外应用程序方式( o u t - p r o c e s s a p p li c a t i o n ) 。 c a t i a 提供的用于a u t o m a t i o n 的二次开发接口非常多，几乎c a t i a 所有模块 都具有相关的功能。尤其是在几何建模方面具有比其他建模软件更加强大的曲面 生成功能，加上面向对象的v b 编程语言具有丰富的自由编程功能。所以大多数 通过手工能实现的功能，通过基于v b 的二次开发技术都能实现。在完成了参数 化模型之后，就可以通过改变参数自动生成新的产品，简化了重复的手工操 作，降低了设计者的劳动强度，缩短了产品设计的周期n 小1 羽。 1 4 研究现状及研究内容 1 4 1 研究现状 自从g l e a s o n 公司提出了螺旋锥齿轮的啮合理论以来，螺旋锥齿轮的啮合设 计理论经历了四个发展阶段即：局部共轭原理、局部综合法、三阶设计与 u m c 舢m g 原理。我国在1 9 7 2 年后曾组织多名学者、教授以及多家科研院所对 g l e a s o n 技术进行研究，并将“格里森成套技术研究 列为重点课题进行研究。 其中上海工业大学的陈志新教授、南开大学的严志达、吴大任教授对螺旋锥齿轮 的啮合理论进行了系统研究，并取得了很大的成就，推导出了共轭曲面的诱导法 曲率公式，为彻底弄清格里森技术奠定了基础。中南大学的曾韬教授、重庆大学 的郑昌启教授在此基础上解开了了格里森手算卡及t c a 程序的原理并推导出了 相关的计算公式【1 3 】。在八五期间我国科研人员已掌握格里森制齿轮的原理及加 工理论，建成了螺旋锥齿轮的技术和工业体系。虽然目前这套技术已经有些陈旧， 但依旧在设计生产中发挥重要作用。 早期的啮合理论基本思想是：先切出大轮齿面，并在其上选取一点为参考点， 然后利用连续相切的解除条件求出与相应大轮配对的小轮齿面在这一点的位置、 法矢量以及法曲率等一二解接触参数，最后在该基础上确定小轮切齿的调整参数 1 4 1 o 2 0 世纪六十年代，fll i t v i n 教授首先提出了局部综合法这种方法克服了局 部共轭原理不能控制二阶接触参数的缺陷【1 5 】【1 6 】。其基本原理是：先切出大轮齿 6 武汉理工大学硕士学位论文 面，然后在齿面上选取一点为参考点，并计算该点的主方向和主方向，并预先设 置该参考点处的3 个二阶参数，求出小轮齿面在该点处的主方向和主曲率，最后 确定小轮的加工调整参数。 弧齿锥齿轮动力学特性的好坏直接影响到整车的工作性能。因此国内外的专 家学者一直关注并努力去解决弧齿锥齿轮的动力学问题。但是由于弧齿锥齿轮齿 形的复杂性与特殊性，尽管在弧齿锥齿轮的动力学研究领域取得了一些成果，但 在齿轮副的设计、制造、安装于检测的过程中有应用价值及生产知道的研究成果 还不是很多。因此，在很多齿轮制造公司甚至世界级的齿轮制造商，也必须凭借 生产一线的技术人员和老师傅的丰富的经验来控制和把我弧齿锥齿轮的设计制 造质量，这样也就无法保证齿轮动力学特性的可靠性和稳定性。随着社会的的发 展与进步，人们对汽车的安全性、振动以及噪声有了更高的要求，因此汽车工业 对具有可靠性高、振动噪声低的齿轮的要求越来越急切。 由于螺旋锥齿轮齿形与加工机床十分复杂、齿面形状精度检测十分困难、制 造过程十分繁琐、振动机理十分复杂。因此必须将螺旋锥齿轮的动力学性能与其 设计、制造、测量与安装过程联系起来进行综合仿真研究，才能取得具有实用性 的进展。目前主要的研究方法包括以下几种l l 7 j ： ( 1 ) 齿面接触分析法，这种方法可以通过计算机对齿面接触斑点的形状和 位置进行模拟。我国学者毛世民、郑昌启等也相继完成了t c a ( 齿面接触分析) 的研究工作。齿面接触分析法主要用于在无负载的情况下齿面的接触质量情况， 在上世纪7 0 、8 0 年代仅能靠经验来调整机床设定参数的条件下，这种模拟方法 对设计与制造处高品质的螺旋锥齿轮具有非常重要的意义。此外我国学者吴序 堂、王小春等还提出了三阶接触分析理论，不仅可以求得瞬时传动比、加速度还 能求出高阶的加速度。 ( 2 ) 加载接触分析方法，日本学者久保爱三等以渐开线圆柱齿轮为研究对 象，对齿面加载接触分析进行了研究，求解了多齿同时接触的情况下，根据一系 列非线性方程组，可同时得到接触线上的静态传动误差、载荷分布情况等。1 9 8 1 年，k r e z e r 发表了螺旋锥齿轮的齿面加载接触分析方法和原型1 8 l 【1 9 l 。这种方法 通过空间曲面的接触原理，计算得到弧齿锥齿轮齿面的接触斑点与传动误差，并 用来评估齿轮副的动态性能和齿轮制造与安装的质量。此外技术人员也可以通过 自己的经验在一定程度上判断齿轮振动状况。 ( 3 ) 对单自由度或多自由度非线性方程组的方法，勋l l r 锄a n l 2 0 j 等以渐开线 圆柱齿轮为研究对象，首先提出一个具有间隙，并且存在传动误差参数激励的振 动方程。虽然他们仍没有跳出单自由度的范围，但是他们用谐波平衡法求解，发 现了混沌现象、亚谐波共振及跃迁频率。解析非线性方程组的方法，有着很强的 7 武汉理工大学硕士学位论文 数学技巧因此具有很好的理论研究价值。但其对齿轮本身的实际时变啮合刚度及 齿面误差考虑较少。 ( 4 ) 综合性研究方法，它是由日本学者久保爱三首先提出来的，这种研究 方法在考虑时变啮合刚度、实际齿面误差的前提下先进行齿面接触分析，精确计 算出静态传动误差，然后建立了包括综合齿面误差和时变啮合刚度等的非线性方 程组，并将这些因素引起的一个啮合周期整数倍的交变力作为判断齿轮振动大小 的依据。这种方法综合考虑了一些非线性因素的影响，实践证明它在实际应用中 也能较好的预测齿轮的振动情况。 1 4 2 研究内容 本课题着重在以下几个方面展开了研究工作： ( 1 ) 对锥齿轮的形成及啮合原理进行了研究，确定了弧齿锥齿轮球面渐开 线、齿根圆弧线、齿顶圆弧线及齿形线的坐标方程，并根据这些方程进行参数化 建模分析，确定了汽车主减速器弧齿锥齿轮的参数化设计方法，利用c a t i a 软 件实现了弧齿锥齿轮的三维参数化建模并进行了相关的静动态干涉检查分析。 ( 2 ) 介绍了c a t i a 二次开发的几种方式，并利用v b 对c a t i a 进行二次 开发，创建了可执行文件，通过该文件可以非常方便的完成弧齿锥齿轮副的三维 建模工作。 ( 3 ) 对a d a m s 软件的理论基础进行了介绍，通过c a t i a 与a d a m s 的接口 软件s i m d e s i g n e r 实现了c a t i a 与a d a m s 之间的数据传输。并对a d a m s 接触参 数的计算与选择进行了研究，利用虚拟样机技术在多刚体动力学软件( a d a m s ) 中对汽车主减速器弧齿锥齿轮进行了运动学、动力学分析。并且分析了齿轮副的 运动学、动力学特性与齿轮的压力角及可能存在的安装误差之间的关系。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章螺旋锥齿轮三维参数化建模 2 1g a iia 参数化建模 c a t i a 三维设计软件的主导思想彻底颠覆了传统的依靠平面视图来反映实 物的方式，它采用了立体的思维方式通过三维造型技术把设计者头脑中的立体构 思真实的反映出来，不需要再将设计人员头脑中立体构思转化成平面视图并反映 到图纸上，这样不仅能更清晰的表达出实物的各种特征参数，也省去了中间复杂 的立体平面立体间的转化过程，从而降低了设计工作对二维工程图的要 求，也在很大程度上提高了设计的效率、降低了设计工作的强度口。 同一系列汽车的主减速器具有相似的结构和形状，在主减速器新产品的开 发和图纸绘制过程中，不可避免地要对产品反复修改，进行零件形状、尺寸的 综合协调和优化。这时寻求一种简便、快捷的设计方法，提高设计工作的效 率，是广大汽车设计工作者的迫切愿望。参数化设计是c a t i a 软件中的一个基础 而又重要的技术，在标准件和通用件的设计过程中，用户可以通过改变特征参 数来快速的实现零部件的重新设计，因此参数化设计促进了先进设计方式“大 量定制”的发展。参数化建模一直都是广大c a d 设计人员探索的问题，其关键是 在于如何利用特征、公式、参数、表格等驱动形式以达到改变图形的目的，在c a t i a v 5 r 1 7 中可以通过以下几种方式来实现。 ( 1 ) 利用系统参数与尺寸约束驱动图形。c a t i a 具有强大的系统参数自动 提取功能，在草图设计过程中，可以将约束尺寸作为特征参数进行保存，而且在 以后的设计过程中可以快捷的对其进行修改，从而实现参数化建模的目标。尺寸 驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提，因此在草图设计中必 须对草图进行全约束，不能存在欠约束或过约束的情况。 ( 2 ) 通过用户参数和公式驱动图形。c a t i a 不仅具有系统定义的参数，用 户也可以自行定义参数。设计人员可以通过f o g ( x ) 函数非常方便的定制出其需 要的各种类型的参数以及这些参数相应的表达式。用户自定义的表达式是联系系 统参数与用户参数的桥梁，当用户参数定义完后，设计者可以有针对性的对用户 参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的联系( 表达式) ，从而通过用户参 数来控制系统参数，以达到改变几何图形尺寸的目的。 ( 3 ) 利用表格驱动图形。参数表有两种建立方法，即通过文本格式和通过 e x c e l 电子表格。通过表格驱动图形首先将相关数据以表格的形式存放在对应的 文件( e x c e l 表或文本文件) 中，并建立三维模型特征参数与表中数据之间的联 系心别，通过选择表中不同记录实现改变几何尺寸的目的。设计者只需通过软件本 9 武汉理工大学硕士学位论文 身自带的工具d e s i g nt a b l e 对表格的记录进行访问即可实现改变三维模型 形状的目的。 ( 4 ) 利用规则与检验控制特征驱动图形。规则是由用户定义的在特定条件 下控制一些事件、参数和特征的语言。c a t i a 可通过规则和检验对三维模型的特 征进行控制和检查。利用v b s c r i p t 语言可以快捷的编写规则以控制事件、参数和 特征。检验知识用户编写的一条简单指令，不会影响参数值。 本章利用第二种方法实现了弧齿螺旋锥齿轮的三维参数化建模。具体在建模 方面使用了p a r td e s i g n 和g e n e r a t i v es h a p ed e s i g n 模块以及其包含的 k n o w l e d g e 工具条( 设计人员不必切换到知识工程模块，该工具条已经嵌入到上 述两个模块) 如图2 - 1 所示。 图2 1k n o w l e d g e 工具条 此外汽车设计者还可以把产品设计中涉及到的汽车工业相关的设计原则、尺 寸约束、尺寸关联、特征关联等信息采用f o r m u l a 、d e s i g nt a b l e 、l a w 、r u l e 、 c h e c k 等方法转换成面向对象的、模块化的高级语言表达式，这样可以大大简化 设计工作，提高了设计的效率和准确性。其中： l 广? f o r m u l 也，可以通过公式表示设计变量与自定义变量或系统变量及其 他参数的一些关系，即公式驱动。 d e s i g n t a b l e 间可以仓l j 建、调用和管理表示相关零部件肘信息的 文本文件数据或者外部e x c e l 表格数据，设计者可以通过修改外部数据来实现零 部件的参数化、系列化设计乜引。 i 蕴 l a wl 协翰，可以用来建立曲线的参考方程，或者构建两个变量之间的函 数关系，生成具有对应关系的一组点集。 i 嗣覆 r u l e i 幽鲞可以通过编写程序代码，设定改变尺寸的条件，有条件的隐藏 或激活特征，从而更好地实现特