（机械设计及理论专业论文）泵用渐开线齿轮cadcae集成技术研究.pdf

郑州机械研究所硕士学位论文 论文题目：泵用渐开线齿轮c a d c a e 集成技术研究 专业：机械设计及理论 研究生：裴帮( 签名)趁璺。 指导教师：刘忠明( 签名) 讼望主丛 摘要 在液压系统中，齿轮泵占很大的比重，它广泛应用于机床、轻工、船舶、 石化等各类机械产品的液压系统中。齿轮泵的质量和性能直接影响着机械产品 的性能。随着液压系统的不断发展，对齿轮泵的要求日益提高，迫切需要设计、 制造出质量更佳的齿轮泵。 随着科学技术的不断发展和应用，新的设计技术c a d 和c a e 分析应运而 生。同时制造业正在逐步实现信息化，而制造业信息化的起点是设计数字化。 为实现齿轮泵设计的数字化，本文开发出了高效、智能化的泵用渐开线齿轮 c a d c a e 集成系统。该系统以泵用渐开线齿轮为研究出发点，但它同样适用于一 般的渐开线齿轮传动。该系统对于实现渐开线齿轮设计的数字化、智能化、集 成化，缩短产品设计周期，提高产品设计质量，具有重要的理论价值和工程意 义。本文的主要工作和创新之处如下： ( 1 ) 基于泵用渐开线齿轮的齿形特征，利用齿轮啮合的基本原理，经过分 析、推导，得出了组成齿轮全齿廓的渐开线、过渡曲线以及齿根圆弧的数学方 程；在对齿轮啮合过程进行深入分析的基础上，指出了目前使用的渐开线齿轮 重合度计算公式不适合用来计算某些参数的齿轮泵的重合度，并给出了适合齿 轮泵特征的重合度计算公式。 ( 2 ) 依据组成渐开线齿轮齿廓的各段曲线的数学方程，利用数值计算方法 求出各段曲线之间的交点，确定各段曲线上用来组成齿轮齿廓的有效部分，齿 轮齿廓是各段有效曲线依次连接而成的。利用v i s u a lb a s i c6 o 编程语言在 a u t o c a d 平台上实现了渐开线齿轮齿廓的自动绘制。 ( 3 ) 建立渐开线齿轮的c a e 分析模型，选用z r c a e 作为c a e 分析软件，剖 析了z r c a e 的输入数据格式，按照此格式，利用c a d 设计的计算结果，直接生 郑州机械研究所硕士学位论文 成c a e 分析所需的全部数据文件，然后由z r c a e 读取该数据文件进行分析计算 及后处理，真正实现了泵用渐开线齿轮的参数设计和c a e 分析的无缝集成，使 用户彻底摆脱了齿轮实体造型的束缚，大大提高了设计分析的效率和质量。 ( 4 ) 利用渐开线齿轮的齿廓，在s o l i d w o r k s 平台上通过编程实现了渐开 线齿轮完全自动的参数化实体造型，为后期的模拟装配和运动仿真奠定了基础。 ( 5 ) 分析了齿轮泵的性能特征，建立了泵用渐开线齿轮基本参数的优化模 型，对齿轮泵的齿轮参数进行了优化，提高了齿轮泵的综合性能。算例计算表 明该优化模型正确、合理，进一步提高了齿轮泵的设计水平和效率。 关键词：齿轮泵渐开线 c a dc a e 集成技术优化设计 论文类型：应用基础 本文研究得到了科学技术部科研院所技术开发研究专项资金项目“聚合物 输送用高参数齿轮泵关键技术研究”( n c s t e - - 2 0 0 1 一j k z x 一0 9 6 ) 的资助。 i i 塑型盟塑堑塞盟堡主堂垡丝苎 s u b j e c t：s t u d y o nt h ec a d c a ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g y o f i n v o l u t eg e a ri np u m p s p e c i a l t y ：m a c h i n e r yd e s i g na n dt h e o r y n a m e：p e i d i r e c t e db y ：l i u a b s t r a c t g e a rp u m pi su s e dw i d e l yi nt h eh y d r a u l i cs y s t e ms u c ha sm a c h i n et o o l ，l i g h t i n d u s t r y , s l l i p p i n g ，o i lc h e m i c a l se t c t h eq u a l i t ya n dc a p a b i l i t yo fg e a rp u m p a f f e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e sd i r e c t l y w i mt h ep r o g r e s so f h y d r a u l i cs y s t e m i ti s a p p e a l i n g t h eh i g h q u a l i t yg e a rp u m p t h eh i g h e rq u a l i t yg e a r p u m p i sr e q u e s t e d t h en e wc a da n dc a et e c h n o l o g i e sa r ea p p e a r i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a t t h es a m et i m et h e m a n u f a c t u r i n g i s b r i n g i n g i n f o r m a t i o n i l i z a t i o ni n t oe f f e c t t h eb a s eo fi n f o r m a t i o n i l i z a t i o ni sd i g i t a ld e s i g n i n o r d e rt ou s ed i g i t a ld e s i g ni nt h eg e a r p u m p f i e l d a ni n t e g r a t e ds y s t e mo fc a d c a e f o ri n v o l u t eg e a ri sd e v e l o p e di i lt h i sd i s s e r t a t i o n t h i ss y s t e mi sh i g he f f i c i e n ta n d i n t e l l i g e n t a l t h o u g ht h i ss y s t e mw a sd e v e l o p e dd e p e n d e do nt h ef e a t u r e so fg e a r p u m p ，i tc a nb eu s e di na l lk i n d so fc y l i n d r i c a li n v o l u t eg e a r t h i ss y s t e mh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e f o r r e a l i z i n gd i g i t a ld e s i g n ，f o rs h o r t e n i n gt h et i m eo fd e s i g n ，f o r i m p r o v i n gt h eq u a l i t y o fg e a r , e t c t h em a i nr e s u l t sa n dt h ec r e a t i v ei d e a sa r e s u l t i m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ep r o f i l ef e a t u r e so fi n v o l u t eg e a ri ng e a rp u m p ，t h ea c t i v ep r o f i l e a n dt h ef i l l e to f g e a ra r ea n a l y z e da c c o r d i n gt o t h em e s ht h e o r y t h ee q u a t i o n so f i n v o l u t ep r o f i l ea n df i l l e ta r ew o r k e do u t b a s e do i la n a l y s i so ft h em e s h p r o c e s so f g e a r s ，i t sp o i n t e do u tt h a t t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fi n v o l u t e g e a r s c o n t a c tr a t i oi sn o ts u i t e df o rc a l c u l a t i n gt h eg e a r sc o n t a c tr a t i oi nt h ep u m p sw i t h s o m e p a r a m e t e r s ，a n d as u i t a b l ef o r m u l ai so f f e r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 2 d e p e n d e do nt h ep r o f i l ee q u a t i o n so fi n v o l u t eg e a r , t h ei n t e r s e c t i o np o i n t so f i i i 郑州机械研究所硕士学位论文 t h e s ec u r v e sa r ew o r k e do u tb yn u m e r i c a lm e t l l o d t h ee r i e c t i v er a n g e so ft h e s e c a l v e sa r ed e t e r m i n e db yt h e s ep o i n t s t h ew h o l e p r o f i l ec a ng e tb yl i n k i n gt h e s e e f f e c t i v ec u r v e st o g e t h e ri np r o p e ro r d e r av i s u a lb a s i c6 0p r o g r a mi sd e v e l o p e dt o d r a wt h ew h o l e p r o f i l ea u t o m a t i c a l l y 3 s e l e c t e dt h ez r c a ea sac a e s o f t w a r e ，t h ef o r mo fi n p u td a t aw a sd i s s e c t e d d e e p l y t h ei n p u td a t ao f z r c a e w a sg a i n e df r o mt h er e s u l t so f c a d c a l c u l a t i o nf o r g e a r t h i sp r o c e s sr e a l i z e dt h es e a m l e s si n t e g r a t e do f p a r a m e t e r sd e s i g na n dc a ef o r i n v o l u t e g e a r t h i sc a n l e td e s i g n e rt og e tr i do ft h ec o n s t r a i n to f m o d e l i n go f i n v o l u t e g e a rc o m p l e t e l y , i m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f g e a rd e s i g ng r e a t l y 4 a na u t o m a t i c3 d m o d e l i n go f i n v o l u t eg e a ri sg a i n e d b y av i s u a lb a s i cp r o g r a m d e p e n d e d o nt h ep r e c i s ep r o f i l ea n ds o l i d w o r k s t h e3 d m o d e h n g i st h ef o u n d a t i o n s o f d y n a m i ci m i t a t i o na n ds i m u l a t i v ea s s e m b l e 5 r e f e r e n c e do t h e rg e a r p u m po p t i m i z i n gc a l c u l a t i o na n dc o m b i n e dt h ef e a t u r eo f g e a rp u m p ，ak i n do f o p t i m i z i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d o f g e a rp u m p i sp u tf o r w a r d a n d t h eo p t i m i z e dm o d e lo fi n v o l u t eg e a rf o rg e a rp u m pi sb u i l t t h e s ec a n i m p r o v et h e c h a r a c t e r i s t i c so f g e a rp u m p k e yw o r d s ：g e a rp u m p i n v o l u t ec a dc a ei n t e g r a t e d t e c h n o l o g y o p t i m u md e s i g n d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h es p e c i a lp l a no f s c i e n t i f i ca c a d e m eo ft h e m i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a “s t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e h i g h p a r a m e t e rg e a r p u m p f o r p o l y m e r ( t h e i t e mn u m b e r i s n c s t e 一2 0 0 1 - j k z x 一0 9 6 ) i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得一赶趔扭拭班宜逝或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文作者躲次年 签字胁哗7 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解整：! j ! l 扭越婴窒压有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权嫠衄扭撼婴巍压可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 学位论文作者签名 璇搀 导师签名 2 怄q 、 签字日期：幻畔年7 月岁日签字日期：2 t q l 年7 月f 1 郑卅i 机械研究所硕士学位论文 z齿数 m 。法面模数 m ，端面模数 a 。法面压力角：。 符号清单 c c ，端面压力角：。 a 。，端面齿顶圆压力角：6 0 【l 端面啮合角：。 x 。法面变位系数 吆 法面齿顶高系数 d螺旋角：。 p 。基圆柱螺旋角：。 c ：法面顶隙系数 b 齿宽：n l i t l a中心距：m m ， 分度圆半径：m m 齿顶圆半径：m m ，齿根圆半径：m m 基圆半径：m n l v i i i s 。 端面重合度 轴向重合度 s 。总重合度 n 转速：转分 丁转矩：n m c法向载荷 世 载荷系数 “使用系数 k v 动载荷系数 齿间载荷分配系数 齿向载荷分配系数 p材料密度：咖n 3 e 弹性模量：m p a v 泊松比 c o 角速度：r a d s 吼瞬时流量：1 t 1 1 t 1 3 s 占流量脉动率 p功率：k w 塑型塑塑塑窒盟堡主堂竺笙苎 第一章绪论 1 1 齿轮泵的发展及其研究现状 l _ 1 1 齿轮泵概述 在液压传动与控制技术中，齿轮泵占很大的比重，它广泛应用于机床、轻 工、冶金、建筑、船舶、飞机、汽车、石化等机械产品中。其主要特点是：结 构简单，体积小，重量轻，自吸性好，污染敏感性小，可靠性高，寿命长，制 造容易，维修方便，价格便宜等。同时，齿轮泵还存在一些不足，如流量和压 力脉动较大、噪声较大、高温效率低等。这些不足在某些经过改进的齿轮泵上， 虽已得到很大的改善，但尚需继续研究予以解决。 齿轮泵属容积型回转式泵，其工作原理是借助于一对齿轮副轮齿脱开啮合 侧和进入啮合侧在密封壳体内形成的工作容积的周期性变化来实现流体的输 送。这里以外啮合渐开线直齿圆柱齿轮泵为例介 绍一下齿轮泵的工作原理“。如图卜l 所示，装 在壳体内的一对齿轮的齿顶圆柱、侧面及各个齿 槽形成密封的工作腔。齿轮泵的内腔被相互啮合 的轮齿分为左右两个互不相通的空腔，分别与进 液孔和排液孔相通。当齿轮按图示方向旋转时右 侧吸入腔的轮齿逐渐分离，工作空间的容积逐渐 增大，形成部分真空，流体在大气压的作用下， 经吸液孔1 1 1 进入吸入腔d ，流体用疏的黑点表示。 吸入到齿间的流体在密封的齿槽内随齿轮旋转 被携带到左侧的排出腔e ，左侧的轮齿逐渐进入 啮合，工作空间的容积逐渐减少，齿问的流体被 积压出去，从排液孔i 1 经管道输出，排出腔e 用 图1 1 齿轮泵的工作原理 密的黑点表示。当齿轮不断旋转时，左右两腔不断完成吸入和排出过程，将压 力流体压到液压系统中，推动执行机构运动，带动负载做功。 其它类型的齿轮泵在结构形式上存在差异，其基本工作原理是相同的。 郑州机械研究所硕士学位论文 1 1 2 齿轮泵的研究现状 为了更好地发挥齿轮泵的优点，使其得到更加广泛的应用，国内外对齿轮 泵作了大量的研究工作。_ 2 ”，主要集中在以下几个方面： 1 ) 齿轮参数及泵体结构的优化设计。“3 。褚克勤。1 分析了c b n g 3 系列高压 齿轮泵，对泵体的材料和结构作了改进，提高了泵体的抗疲劳能力。殷金祥。1 、 李志华通过分析齿轮泵的性能指标，建立了齿轮泵齿轮参数优化的数学模型， 用优化方法寻得使齿轮泵的性能趋于最佳的齿轮参数。方光义”3 对斜齿齿轮泵的 设计计算方法进行了探讨。这些研究对齿轮泵的设计起到了一定的指导作用。 2 ) 高参数齿轮泵的研究”_ 1 “。在石化工业中，齿轮泵往往要输送高温高粘 度液体，高粘度液体在常温下通常呈固态，在保温状态时才为液体。齿轮泵输 送高温高粘度液体时，会产生许多与常规齿轮泵不同的问题，为解决这些问题， 祝海林”3 分析了高粘度齿轮泵的结构和性能特点，指出了高粘度齿轮泵的发展方 向，为研究开发适合我国石化生产条件的高粘度齿轮泵，提高现有高粘度齿轮 泵的性能提供了参考。孟继安”3 在性能试验的基础上，建立了计算高粘度齿轮泵 的极限转速、功率、效率等的经验公式，为此类泵的研制和应用提供了依据。 马永其。1 从聚合物熔体高温、高粘度的特点出发，对高粘度外啮合齿轮泵的结构 及特性进行了具体分析，找出了一种有效的性能分析理论，为研究、设计、制 造聚合物高粘度齿轮泵提供了理论参考。甘学辉”1 提出了全齿廓啮合齿轮泵， 大幅度提高了啮合副的密封性能，避免齿轮接触时齿间封闭空间的形成，达到 自清根的目的，从而满足齿轮泵输送聚合物的需要。祝海林。”就如何提高高粘 度齿轮泵的性能和寿命，提出了几项措施，以使齿轮泵更具发展前途和应用前 景。 3 ) 困油现象及其解决措施的研究“2 。“。齿轮泵的困油现象对齿轮泵乃至整 个液压系统都会产生很大的危害，必须采取措施加以解决，为此一些学者进行 了相关研究。赵亮“”分析了齿侧间隙很小时直齿齿轮泵和斜齿齿轮泵困油容积 的变化规律，并设计了消除齿轮泵困油的导压槽。甘学辉“”对外啮合斜齿齿轮 泵的困油特性进行了较详细的研究，推导出了无侧隙斜齿齿轮泵消除困油时的 临界螺旋角表达式。甘学辉“”给出了有侧隙斜齿齿轮泵的端面重合度与困油容 2 郑州机械研究所硕士学位论文 积的关系，得到了其困油容积、困油流量及瞬时流量随端面啮合点位置的变化 规律，并得到了不困油螺旋角范围。这些研究对消除齿轮泵的困油，具有重要 的理论价值和工程意义。 4 ) 流量脉动的研究“”1 。由于齿轮泵输送液体是靠齿轮转动时啮合点形成 的吸、压液腔的体积变化来实现的，其流量是不均匀的，从而产生了流量脉动。 流量脉动会引起压力脉动，进而使系统管道及阀产生振动和噪声，因此必须采 取措施加以解决。侯波。”分析了复合式外啮合齿轮泵的流量脉动，导出了流量 脉动的计算公式，并给出了流量脉动率很小的中心轮齿数。赵亮“、周骥平“7 3 对斜齿齿轮泵的流量脉动特性进行了分析。 5 ) 新型齿轮泵的研究“”2 “。为适应液压泵高压化的需要，减轻齿轮泵的径 向载荷，谢继生“”提出了一种新型结构的高压复合齿轮泵。蒋伟。”根据齿轮泵 工作原理及活齿传动理论，提出了活齿齿轮泵的结构模型。栾振辉在综合分 析普通齿轮泵的结构特点基础上，提出了无啮合力齿轮泵的结构原理。 除以上5 个方面以外，还有关于新齿形、变排量、噪声控制、轮齿强度计 算等方面的研究“”“。另外，液压系统向快响应、小体积、低噪声的方向发展， 为适应这些要求，齿轮泵尚需进一步向高压化、低流量脉动、低噪声、大排量、 变排量等方向发展。 1 2 齿轮c a d 技术的研究现状 1 2 1 c a d 技术的发展历程 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是先进制造技术的重要 组成部分，是计算机在工程上最有影响的应用技术之一。它作为一种实用性强、 发展迅速的科学技术，已成为改造传统工业和提高劳动生产率的有效手段。目 前，c a d 在工业生产中的应用水平已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标 志之一。c a d 技术的发展大致经历了以下几个时期。： 1 ) 准备和酝酿时期( 2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代初)c a d 技术处于被动式的 图形处理阶段。 2 ) 进入应用时期( 2 0 世纪6 0 年代) 提出了计算机图形学、交互技术、 分层存储符号的数据结构等新思想，为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。 郑州机械研究所硕士学位论文 6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备。 3 ) 广泛时期( 2 0 世纪7 0 年代)1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出 完整的c a d 系统。出现了面向中小企业的c a d c a m 商品化系统。 4 ) 大发展时期( 2 0 世纪8 0 年代)在这个时期，图形系统和c a d c a m 工作站的销售量与日俱增，c a d c a m 技术从大中企业向小企业扩展，从发达国 家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 5 ) 开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期( 2 0 世纪9 0 年代至今)由 于微机加视窗操作系统与工作站在网络环境下构成了c a d 系统的主流工作平台， 因此现在的c a d 技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标 准化。在c a d 系统中，综合应用多媒体技术、人工智能、专家系统等技术大大 提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 新学科。 在我国，上世纪6 0 年代开始利用计算机在产品开发中进行数值分析工作， c a d 技术的研究是从7 0 年代初期开始的，重要的研究内容是计算机辅助几何设 计( c a g d ) 和计算机辅助绘图( c a d r ) ，重要的应用领域是船体的放样。进入8 0 年代后，应用领域得到了很快的扩展，机械制造、船舶、航空、电力、电子建 筑等领域都开始应用c a d 技术，出现了针对不同行业的c a d 系统。进入9 0 年代 以后，随着计算机技术在我国的蓬勃发展，许多高校和一些计算机软件公司根 据我国的国家标准进行了大量的二次开发工作，开发出适用于我国国情的c a d 软件。如华中理工大学开发的“开目c a d 系统”，北京宇思机电公司开发的工程 机械c a d 系统y s - m c a d5 0 等，大大推进了我国c a d 技术的发展。 1 2 2 国内外c a d 软件的现状膻们 1 ) 国外软件 国外一些c a d 软件开发公司长期从事c a b 技术的研究，其技术实力雄厚， 市场占有率高。主要的c a d 软件有： ( 1 ) a u t o c a d a u t o c a d 是世界第四大p c 软件公司a u t o d e s k 的主导产品，是当今优秀的绘 图软件之一。它除具有强大的绘图、编辑等二维功能外也具有一定的三维造型 能力，同时还提供了a u t o l i s p 、a d s 、a r x 、v b a 等二次开发工具。a u t o c a d 于 4 郑州机械研究所硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代进入我国，在不少行业( 如机械、建筑、电子等) 得到了应用。 ( 2 ) u n i g r a p h i c s ( u g ) u g 是u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的产品，其特点是将优越的参数化技术 和变量化技术与传统的实体、线框和曲面结合在一起。u g 是从二维绘图、数控 加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。1 9 9 7 年u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司合并了i n t e r g r a p h 公司的机械c a d 产品，将微机版的s o l i de d g e 软件统 一到p a r a s o l i d 平台上。由此形成了一个从低端到高端，较完善的 c a d c a e c a m p d m 集成系统。 ( 3 ) s o l de d g e s o l de d g e 是基于参数化特征造型的机械c a d 系统，它支持从三维到二维以 及从二维到三维的转换功能，设计人员可以方便地用它生成二维工程图并与三 维实体动态相关。s o l i de d g e 三维c a d 软件以其功能强、价格低、易学易用等 特点，在制造业中得到了广泛的应用。 ( 4 ) p r o e n g i n e e r p r o e 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，简称 p t c ) 的产品。p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相应的概念 改变了机械c a d c a m c a e 的传统概念。基于这些概念开发出来的第三代机械 c a d c a m c a e 产品p r o e 软件将设计到生产的全过程集成到起，让所有的用户 能同时进行同一产品的设计制造工作，即所谓的并行工程。 ( 5 ) i d e a s i d e f i s 是美国s d r c 公司的产品，是全世界制造业广泛应用的大型 c a d c a m c a e 软件。s d r c 提出了一种比参数化技术更为先进的变量化造型技术， 这成为c a d 软件今后的发展方向。它以极高的效率，在单一数字模型中实现从 产品设计、仿真分析、测试直到数控加工的产品研发全过程。 ( 6 ) s o l i d w o r k s s o l i d w o r k s 是在总结和继承了大型机械c a d 软件的基础上，在w i n d o w s 环 境下实现的机械c a d 软件。s o l i d w o r k s 软件是面向产品级的机械设计工具，它 全面采用非全约束的特征建模技术。s o l i d w o r k s 的全相关技术使零部件之间以 及零部件和图纸之间的更新完全同步；s 0 1 d w o r k s 能自动进行动态约束检查， 5 郑州机械研究所硕士学位论文 具有强劲的复杂曲面造型能力，能设计表面形状复杂的曲面零件。由于以上特 点，s o l i d w o r k s 成为目前微机平台上的主流三维设计软件。 s o l i d w o r k s 通过对象链接与嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，即o l e ) 技术为用户提供了强大的二次开发接口s o l i d w o r k sa p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a n 瑚i n gi n t e r f a c e ) ，凡支持o l e 编程的开发工具，如v i s u a lc + + ，v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 等均可用于s o l i d w o r k s 的二次开发，创建出用户定制的、专用 的s o li d w o r k s 功能模块。 2 ) 国内软件 为了摆脱国外c a d 软件的长期垄断，发展适合我国国情的c a d 软件，国内 也涌现出了一批c a d 软件开发企业，其软件产品主要有： ( 1 ) 高华c a d 高华c a d 是北京高华计算机有限公司推出的c a d 产品。主要包括计算机辅 助绘图支撑系统g h d r a f t i n g 、机械设计及绘图系统g h m d s 、工艺设计系统g h c a p p 、 三维几何造型系统g h g e m s 、产品设计管理系统g h p d m s 及自动数控编程系统 g h c a m 。 ( 2 ) c a x a 电子图板 c a x a 电子图板是北京北航海尔软件有限公司开发的产品。主要包括零件图、 装配图、工艺图表、平面包装等方面的辅助设计系统。适合进行二维设计的场 合。 ( 3 ) 开目c a d 开目c a d 是华中科技大学开发的c a d 和图纸管理软件，它面向工程实际， 模拟人的设计绘图思想，操作简便，机械绘图效率较a u t o c a d 有明显提高。开 目c a d 支持多种几何约束及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处 理设计中的过约束和欠约束的情况。 1 2 3 国内外齿轮c a d 技术的研究现状 随着c a d 技术的不断发展，用于齿轮的c a d 系统也得到了研究和开发，齿 轮c a d 是专业性较强的c a d 技术。在2 0 世纪7 0 年代，国外的齿轮c a d 技术就 得到了迅速发展。目前，国外齿轮c a d 技术已经形成了一个研究、开发、应用、 6 郑州机械研究所硕士学位论文 _ _ 一 制造及咨询服务的全新行业。工业发达国家的齿轮c a d 技术的开发与应用呈现 以下几个特点：1 ) 实用性。许多c a d 软件是结合生产车间的需要开发而成的； 2 ) 可视性。利用图形技术和先进软件编程技术把齿轮c a d 设计过程可视化；3 ) 系统性。软件功能比较齐全，多数配有先进的分析工具；4 ) 普及性。制造厂基 本上都采用c a d 技术，c a d 技术的应用普及反过来也促进了齿轮c a d 技术的发展。 2 0 世纪8 0 年代，我国以郑州机械研究所为代表的许多单位也开展了齿轮 c a d 基础技术的研究，由于当时国内的计算机硬件条件落后，主要是开展一些分 析计算的研究工作，同时也在计算机绘图方面作了一些探讨性的工作。“七五”、 “八五”、“九五”期间，都进行了相关的研究。通过近些年的发展，齿轮c a d 技术的开发应用日趋完善，从优化设计到计算机辅助绘图，从二维图形发展到 三维实体造型。 另外，一些学者在齿轮参数化造型方面也作了许多探索，以期实现齿轮三 维造型的自动生成。”3 。吴晓光。2 1 在a u t o c a dr 1 4 环境下开发出了圆柱渐开线 齿轮三维造型模块，该模块可以直接根据齿轮参数自动生成齿轮的三维模型。 张志森。“使用v i s u a lb a s i c 语言通过编程生成了斜齿轮的三维造型，为后续的 工程设计、分析奠定了基础。秦朗。”介绍了在a u t o c a d2 0 0 0 环境下运用v b a 编 程实现渐开线直齿圆柱齿轮的参数化三维造型，通过屏幕对话框输入齿轮的参 数后，程序即可进行设计计算、数据处理、图形绘制等综合处理并生成齿轮的 三维造型。吴鲁纪。”基于特征设计思想，提出了一种齿轮类零件的三维建模方 法，并用v i s u mc 十+ 6 0 语言在s o l i d w o r k s2 0 0 1 平台上对设计人员难以绘制 的渐开线进行了程序实现，为后续处理打下了基础。这些成果对于开发泵用渐 开线齿轮的三维c a d 系统具有一定的借鉴意义。但是，文献 3 1 - - 3 5 所生成的 齿轮模型有一个共同的缺点，就是没有对齿轮过渡曲线进行深入的探讨，只是 利用圆弧近似作为过渡曲线连接渐开线和齿根圆弧。然而齿根过渡曲线在齿轮 的传动过程中是个很重要的部分，应力分析以及仿真分析等都需要精确的过渡 曲线，显然上述的建模方法，不能满足泵用齿轮的建模需要，需要进一步研究。 1 3 齿轮c a e 技术的发展现状 1 3 1c a e 技术概述 7 郑州机械研究所硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - 一 c a e ( c o m d u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是利用计算机辅助求解复杂工程和产 品强度、刚度、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能以及结 构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。c a e 系统的核心思想是结构 的离散化，就是将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物 理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对 实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要而理论分析又无法解决的复 杂问题。 近年来，随着计算机技术的普及和软硬件性能的提高，c a e 分析在工程设计 中得到了越来越广泛的应用，已经成为解决复杂工程分析问题的有效途径，主 要体现在以下几个方面： 1 ) 增加产品和工程的可靠性； 2 ) 在产品的设计阶段发现潜在的问题，尽早予以解决； 3 ) 经过分析计算，采用优化设计方案，降低成本； 4 ) 缩短产品投放市场的时间，提高企业竞争力； 5 ) 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 目前，c a e 技术的研究发展主要集中在以下几个方面。： 1 ) 与c a d 软件的无缝集成当今c a e 分析软件的一个发展趋势是与通用 的c a d 软件的集成，即在c a d 软件完成部件或零件的造型设计后，能直接将模 型传送到c a e 软件中进行网格划分和分析计算。 2 ) 更为强大的网格处理能力c a e 分析的基本过程包括：分析对象的离 散化、分析求解和后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解 时间及求解结果的精度，近年来各软件开发商都加大了网格处理方面的投入， 使网格生成的质量和效率都得到了提高。 3 ) 由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性 理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题仅靠线性理论根本不能解决， 必须进行非线性分析。为此国内外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线 性分析软件，例如z r c a e 、a d i n a 、a b a q u s 等等。 4 ) 由单一结构求解发展到耦合场问题的求解例如由于摩擦接触而产生 的热问题、金属成型时由于塑性功而产生的热问题等，需要结构场和温度场的 8 郑州机械研究所硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 c a e 分析结果交叉迭代求解，即“热力耦合”问题。随着c a e 应用的深入，人们 关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为c a e 软件的发展方向。 5 ) 程序面向用户的开放性随着商品化的提高，各软件开发商在软件的 功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管开 发商怎样努力也不可能满足所有用户的需求，因此必须给用户一个开放的环境， 允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充。例如z r c a e 允许用户自定义材 料特性等等。 1 3 2 常用c a e 软件概述 国际上早在上世纪6 0 年代就开始投入大量的人力和物力开发c a e 程序，但 是真正的c a e 软件是诞生于上世纪7 0 年代初期，而近1 5 年则是c a e 软件商品 化的大发展阶段，出现了很多商业化的c a e 软件。 目前流行的c a e 分析软件主要有m s c n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、c o s m o s 、z r c a e 等等。简要介绍如下： 1 ) m s c n a s t r a n 作为世界c a e 工业标准及最流行的结构分析软件，m s c n a s t r a n 的分析功能 覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项， m s c n a s t r a n 的主要功能模块有：基本分析模块( 含静力、模态、屈曲、热应力、 流固耦台等) 、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分 析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、d m a p 用户开发工具模块 及高级对称分析模块。 2 ) a d i n a 世界著名的有限元分析软件a d i n a 是由享誉全球的计算机仿真分析应用软 件供应商美国a d i n ar & d ，i n c 公司开发的。a d i n a 作为近年来发展最快的 c a e 软件，被广泛应用于各个行业的工程仿真分析，被业内人士认为是有限元发 展方向的代表。 3 ) a n s y s a n s y $ 软件是美国a n s y s 公司开发的融结构、流体、电场、磁场、声场分析 于一体的有限元分析软件。它能与多种c a d 软件接口，实现数据的共享和交换， 9 郑州机械研究所硕士学位论文 如p r o e n g i n e e r 、i d e a s 、a u t o c a d 等。a n s y s 软件主要包括三个部分：前处 理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了实体建模及网格划分 工具；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、 压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵 敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图像、图表、曲线形式 显示或输出。 4 ) c o s m o s c o s m o s 是s r a c ( s t r u c t u r a lr e s e a r c h a n a l y s i sc o r p o r a t i o n ) 公司推 出的一套有限元分析软件。从1 9 8 2 年成立至今，s r a c 一直致力于有限元技术的 研究和发展。c o s m o s 易学易用，简洁直观，能够在普通的p c 机上运行，不需要 专业的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果， 从而最大限度地缩短设计周期，降低开发成本，提高产品质量，加大利润空间。 5 ) z r c a e z r c a e 软件是由郑州机械研究所紫瑞软件有限公司、中科院计算数学与工程 计算研究所共同开发的商品化工程分析软件。z r c a e 是一个与三维c a d 软件无缝 集成的有限元分析软件，它适用于所有行业中的结构设计与分析。尤其适用于机 械、汽车、建筑、水利、交通、能源、航空、航天、船舶等领域。 除此之外的c a e 软件还有a b a q u s ，d e f o r m ，a n s o f t ，m s c m a r c ，m s c p a t r a n m s c d y t r a n ，m s c a d a m s 等等。 1 3 3c a e 在齿轮方面的应用现状 近年来，一些学者考虑在齿轮的设计计算方面运用c a e 分析，来提高齿轮 的设计效率和计算精度，并为此进行了大量的研究和探索“，得出了些实 用的结果，其内容主要有： 1 ) 齿轮c a e 网格的自动生成，即生成齿轮的c a e 网格，产生节点坐标、节 点编号、单元拓扑等数据。网格生成的算法很多，通过计算机程序自动划分网 格的算法大致可分为两类：a ) 基于规则形状的划分方法；b ) 直接对原始模型 划分网格的方法。 刘辉“”针对腹板式结构斜齿轮，