（机械设计及理论专业论文）基于ug锥齿轮差速器的参数化设计及其二次开发.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于u g 锥齿轮差速器的参数化设计及其二次开发 机械设计及其理论 尚向荣 程安宁 摘要 ( 签名) ( 签名) 在机械产品的设计制造中，大部分零件是标准件、常用件。现代设计的一个重要特 征就是参数化，即设计出的模型可以随着用户所给定的设计参数而发生改变，这样可极 大地提高设计工作效率，减少重复率。参数化设计是机械设计的一个重要组成部分，参 数化设计过程是从功能分析到创建参数化模型的整个过程。通过参数化设计，设计人员 可以在原来设计的基础上不需重复画图，只需修改参数，就可得到各种不同规格模型， 避免同一类零件的重复建模，同时，三维的参数化设计可以直接生成满足数控加工要求 的三维模型，也可以转化为二维工程图。参数化设计可以使设计工程师从繁琐的、大量 重复的建模造型中解放出来，把更多的时间和精力投入到三维模型的装配、数控加工、 干涉检查、有限元分析、运动仿真等方面的工作。快速准确地建立起用以研究的设计模 型，成为了c a d 技术开发机构和用户共同的希望。 在此背景下，本论文根据西安市科学技术局轮式工程机械自动差速项目( g g 0 6 0 2 5 ) 研究开发的需要，结合研发的实际情况，对锥齿轮速器的机构进行了仔细的分析研究， 逐步地归纳、总结，将设计计算过程和u g 的参数化设计结合起来。在u g 平台下，对 锥齿轮轮差速器系统进行了二次开发，形成了参数化设计的总体方案。运行本系统，用 户只需输入恰当的参数，即可自动生成满足工作要求的圆锥行星齿轮差速器机构各主要 部件的u g 模型，将其装配后就可得到这种圆锥行星齿轮差速器机构的装配模型。通过 u g 开发出符合自己要求的c a d 系统，可以提高设计效率，缩短设计和预研周期，提 高设计质量和标准化水平，为计算机集成设计制造系统的开发奠定了基础。 关键词：参数化设计；二次开发；三维建模；差速器系统 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：p a r a m e t r i cd e s i g na n ds e c o n dd e v e l o p m e n to fb e v e lg e a r d i f 亿r e n t i a ib a s e do nu g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：s h a n gx i a n g r o n g i n s t r u c t o r ：c h e n ga n n i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) d u r i n gm e c h a l l i c a lp r o d u c td e s i g i l i n g a n df a b r i c a t i n g ，t 1 1 em 匈o r i t yc o m p o n e n t sa r e 咖d a r dp a r t sa i l dc o m m o np a n s o n eo f 龇i i i l p o r t 枷f e a n 鹏so fm o d e md e s i 伊i s p a r a m e t e r i z a t i o n ，n a m e l ym ed e s i g n e dm o d e lc a n b ec h a l l g e da c c o r d h l gt 0d e s i g np a r 锄e t e r s 、抛c hw e r e 西v e nb yu s e r ，i nt h i sw a y ；t h ew i o r ke 衢c i e n c yp r o m o t e sg r e a t l y 觚dt h e 、0 r k r e p e t i t i o ni sr e d u c e d t h ep 踟e t e r i z a t i o nd e s i g ni s t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to f m a c h m ed e s i g l l 7 1 1 1 ep r o c e s so fp a r 锄e t e r i z a t i o nd e s i 印i s 鱼) m 如n c t i o n a la n a l y s i st oc r e a t e p 聪m e t e r i z a t i o nm o d e l 1 u g l lp 舢e t e r i z a t i o nd e s i 印，t h ed e s i 印e r 晰nn o tr e p e a tt o d r a wj u s t 刚豳m ep a r 锄e t e r so nm eo r i g i n a ld e s i 印，f r o mt h i s 、v a y ；i tc a i la v o i dr e p e a t i n g c r e a t i o no fm o d e l 3 dp a 舢e t e r i z a t i o nd e s i g nc a nb u i l d3 dm o d e lw i l i c hw a ss a t i s f i e d 、i t h t l l er e q u i r e m e n t so fn 岫e r i c a jc o n t r o l ，i t 出s oc a nc o n v e r tt o2d i m e n s i o ne n g i n e e r i n gd r a w i n g n ep a 捌 n e t e r i z a t i o nd e s i 弘c a i ll i b e r a t et l l ed e s i g n i n ge n g i n e e rf i r o mc o c k 锄锄i e ，r e p e t i t i v e m o d e l w h oc a nt a k em o r et i n l ea n de n e r g yt 0r e s e 粼h3 da s s e m b l a g e ，m m l e r i c a lc o n t r o l m a c h i n 舀i n t e r f a c ec h e c k ，l i m i t e dm e t a - a n a l y s i s ，砒l dd y n 锄i cs i m u l a t i o n s e tu pad e s i g n m o d e lf o rr e s e a r c hq u i c “ya i l dc o r r e c t l y嬲 ac o l l e c t i v eh o p eo fc a dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ti i l s t i t i l t i o n 觚dt 1 1 eu s e r i nt h j sb a c k 酉o u n d ， a c c o r d i n g t 0 a u t o m a t i c a l l y c o n s t r u c t i o nm a c h i n e 巧w t l e e l d i 仃e r e n t i a li t e mo fx i a i ls c i e n c e 细dt e c h n o l o g yb u r e a u ( g g 0 6 0 2 5 ) p r o j e c tr e s e a r c h d e v e l o p m e n tn e e d ，m i sm e s i si sc o m b i n e dt h ep r a c t i c 出s i t u a t i o no f t 1 1 er e s e a r c hd e v e l o p m e n t ， i sc o n d u c t i n gt h ed e t a i l e da n a l y s i sr c s e a r c ht oo 玛a | l i z a t i o no ft 印e rp l a i l e tg e a rd i f r e r e n t i a l 1 1 1 em e s i si n d u c e ss t e pb ys t e pa n dg e t sn l ec o n c l u s i o n ，w l l i c hc o m b i n e dt l l ec a l c u l a t i o n p r o c e s so fd e s i g nw i t hu gp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n ，i tm a l ( e s t l l ep a r t so ft a p e rp l a i l e tg e a r d i f r e r e n t i a lp a r a m e t e r i z a t i o n ，m o r e o v e r ，u n d e rt 1 1 eu gt a k e st 1 1 es e c o n d a r yd e v e l o pt o 切p e r p l 锄e tg e a rd i 彘r e n t i a la n df o m l st h eg e n e r a lp r i n c i p a lo fp a r 锄e t e r i z a t i o nd e s i g n r u 肌i n g t b j ss y s t e m ，t h eu s e r0 1 1 l yn e e dt oi n p u tt 1 1 es u i t a b l ep a r a m e t e r s ，w h i c hc a ng e n e r a t eu gm o d e l o fm a i np a r t so f 切p e rp l a n e tg e a rd i a e r e n t i a l 州mt l l es a t i s f i e dw o r k i n gr e q u i r e m e n t s a s s 锄b l yt i l ep a r t so fu g m o d e lt o g e t h e rt 1 1 a tw i ub eb u i l tt h ew h o l e m o d e lo ft a p e rp l a j l e t g e a rd i f r e r e m i a l 1 l u o u g hu g t od e v e l o pac a d s y s t e mw i l i c hc o m f o r tt h es e l fr e q u i r e m e n t s ， i tc a ni n l p r o v ed e s i g i le 伍c i e n c ya i l dc u td o v md e s i 口a 1 1 da d v a i l c e dr e s e a r c hp e r i o d ，i ta l s o c a j lp r o m o t eq u a l 时o fd e s i 朗a i l dl e v e lo f 咖m d a r d i z a t i o n ，i ta l s ol a yt h ef o u n d a t i o nf o r i e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri m e g r a t i o nd e s i g nm a i l u f k t u r es y s t e m k e yw o r d s ：p a r 锄e t e r i z a t i o nd e s i g n s e c o n d a i 。yd e v e l o p 3 dm o d e ld i f f e r e n t i a l s y s t e m t h e s i s ：a p p l i c a t i o ni 沁s e a r c h 要种技史擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：燃 日期： 1 眇a 多凡二 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：p 白蜀茕 指导教师签名： 叩年厂角7 日 1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 近十几年来计算机技术在机械设计中的应用日益突出，应用领域不断拓宽，应用力 度随之加强，由当初功能单一的c a d ，逐步到如今覆盖产品“开发专制造一营销j 服 务 全过程。机械新产品的开发和改型设计手段正从传统的手工设计、建模以及简单分 析向c a d c a e c a m 发展，使产品开发过程从“设计专试制专修正 这样一个多重循 环过程向v p d ( v i n u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ，产品虚拟开发) 方向转化。这种以现代化 电子计算机软硬件技术为支撑的c a d c a e c 舢江方法代表了一种更先进的设计方法。 通过应用计算机的仿真、模拟等手段使现代设计更加形象化、具体化和智能化。以此将 工程技术人员从繁重的设计计算中解放出来，去从事更富有创新性的工作。更重要的是 它能综合机械设计几十年积累起来的大量成熟经验，帮助设计人员尽可能多地节省从设 计初稿到产品定型所花费的实践，减少“设计寸改进”的循环次数，使机械新产品开发所 消耗的巨额费用得到显著的降低。从国外各大跨国机械制造商的新产品开发和改型设计 的实践证明，机械c a d c a e c a m 技术已无可辩驳地缩短了产品开发周期、降低产品 开发费用及制造成本、增强产品在国际市场竞争力等方面具有决定性意义。差速器设计 在汽车整车设计中占据着重要地位，对汽车的运动特性起着决定性的作用。目前国外 c a d c a e c a m 技术的发展已经进入实质性的应用阶段，不但全面提高了差速器设计的 质量，而且大大缩短了差速器的生产周期。近些年来，我国在汽车差速器技术的应用取 得了显著的进步，但依然存在着一些问题i l 一。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在差速器系统设计方面，仍然采用比较传统的设计方法，以二维设计为主。设计 时间占据合同周期的比重过大，产品从方案设计到最后出产品图所用的时间为合同周期 的5 0 以上，再加上工艺设计所占时间，留给生产、安装和调试的时间很少，在市场竞 争激烈的今天显然是不行的。 ( 2 ) 设计更改困难。一旦产品进入到细节设计阶段，一个参数的修改往往牵扯到很多 尺寸变动，稍有不慎便会出现漏改错改等现象。 ( 3 ) 信息传递困难。对于同一设计团队中各个成员，各自负责其中的一个或多个部件。 有些部件间的链接需要成员之间相互沟通，但由于各人的沟通方式差异、设计习惯不同， 使得相互信息的传递变的困难，直接导致出错或效率低下。 ( 4 ) 部门间信息传递困难。设计部门在进行产品设计时，由于缺少工艺部门的支持， 以及生产车间现有加工能力的制约，同时，供应部门库存材料的种类如不能及时反馈到 设计人员，造成的直接后果将会是设计出的产品与企业实际脱节，造成不必要的浪费。 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 重复设计。结构相似零部件重复出图，造成生产和采购的混乱。 ( 6 ) 设计缺乏延续性。设计无规律可寻，不便于展开系列化设计。 目前，国内外新产品开发普遍经历着一个从传统的二维设计向三维设计转变的过 程。三维设计在一些发达国家得到普遍的推广和应用，特别是航空、汽车等领域应用尤 为深入。原因在于，随着计算机技术的不断发展，更多的计算机辅助设计手段被应用， 如动态模拟仿真、结构分析等分析软件面向的对象是三维数字模型。而这些正是传统的 二维设计所不能提供的。在这些计算机辅助工具的支撑下，虚拟样机、无图化生产成为 可能，特别是在市场竞争激烈的今天，为企业提供了强有力的支援。目前商品化的三维 设计软件有很多，u g 是其中应用比较广泛的一种岭j 。 本课题就是基于上述背景，通过对锥齿轮差速器的研究，在u g 平台上提出一种更 快更好的参数化设计方法。 1 2 本课题的研究意义和主要内容 1 2 1 本课题研究的意义 随着经济的飞速发展，产品功能要求的日益增多、复杂性增加、寿命期缩短、更 新换代速度加快，如果使用传统的产品设计手段，如二维模仿设计和依赖经验，则显得 力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加 工制造、生产规划己得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，但远达不到市场对企 业的要求。这就需要我们在实际生产实践中更多地采用现代设计方法手段开发新产品【6 1 。 在机械的设计与制造中，差速器是一个重要的组成部分，差速器是驱动轿的主件。 它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两 边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。本课题针对差速 器的特性展开研究。 本论文主要有两部分内容，第一部分是提出了u g 软件的四种参数化方法并对其进 行探讨；另一部分是运用u g 软件和s u a lc + + 软件建立了差速器零件库及其调用界面 的编制。通过差速器零件库的建立使工程技术人员提高了设计速度，节省了繁重的建模 工作。通过差速器开发界面的研究使工程人员能够在u g 软件下建立非标零件的开发， 为创新设计提供了便利。 本论文意义归纳如下： ( 1 ) 提高新产品的研发能力，缩短产品的研发周期。为设计人员提供高效、实用的 参数化设计平台； ( 2 ) 帮助企业实现资源集成，通过对已有的设计对象进行分析、归纳、建立对应的 参数化设计系统。使用时直接调用，实现资源的集成。 2 1 绪论 ( 3 ) 对企业的后续工作提供了大量的时间和可能。三维模型的参数化为后面的应力 分析、二维图纸的生成、动力仿真工作都提供了前提条件。 1 2 2 本课题研究的主要内容 本论文研究的主要内容： ( 1 ) 对参数化理论进行研究，主要包括零件的参数化设计和部件间的关联参数化 设计( w a v e ) 。 ( 2 ) 基于u g 平台，提出了三种参数化设计方法。根据差速器零件的不同特征， 利用u g 的三种参数化方法对差速器零件建立了零件库。对三种u g 的零件参数化方法 进行了总结，提出了w a v e 的部件间参数化设计方法和自顶向下的设计方法，并举例进 行探讨。使参数化设计方法成为一个体系。 ( 3 ) 对u g 的二次开发技术进行研究，对阵列等特征建立了数学模型，并对其在 u g o p e ng 砌p 种的程序实现进行了探讨。利用u g o p e n 和s u a jc + + 对锥齿轮差速 器零件的参数化设计系统进行二次开发，并建立起了友好的人机界面和锥齿轮差速器零 件库。使设计人员大幅度提高了设计效率，即使对u g 和参数化不是很了解的设计人员 也能利用开发的系统进行参数化设计。 1 3 本章小结 本章主要通过对锥齿轮差速器研发现状的分析，提出了本课题研究的意义和研究的 主要内容。 3 i 耋：丝垄! 塑圭：竺竺圭 2 1 差速器的功能 2 锥齿轮差速器设计理论 汽车发动机动力经由离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥再分配给先右半 轴驱动车轮。在这条动力传送路径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是减速器 和差速器。减速器的作用就是减速增矩，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成。 差遽器是驱动轿的主件。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴咀 小同转速旋转，满足两边车轮尽可能地以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面 的摩擦。 汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相 同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个筹异就要左边轮子慢一 点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。 如果后轮轴做成一个整体， 就无法做到两侧轮子的转速差异也就是做不到自动调整。差速器可以起到两个轮子的 速度差异运动，满足汽车转弯时的需要。 22 锥齿轮差速器的构成 幽1l 锥齿轮差速器结构 1 、5 莘速器壳；2 r 轴锥齿轮：3 行星锥齿轮球星垫片：4 圆锥行星锥齿轮 6 、# 轴锥齿轮推力垫片；7 十字架：8 、9 、1 0 主减速器齿轮； 锥齿轮差速器是差速器种比较常见的一种差速器，锥齿轮差速器结构见图11 。锥 齿轮差述器由四个圆锥行星齿轮4 ( 差速元件) 、十字架7 ( 行星齿轮轴、行星架) 、两 个圆锥半轴齿轮2 、左差速器壳l 和右差速器壳5 等构成。先右差速器壳用螺栓紧固在 ：减速器二级圆柱齿轮副的从动轮8 上。故差速器壳同从动圆柱齿轮8起转动。四个 2 锥齿轮差速器设计理论 锥形的行星小齿轮和两个行星齿轮相啮合的半轴齿轮装在差速壳内。行星齿轮装在十字 架7 上，行星齿轮的背面同差速器壳的接触面做成球面形状，这样可以保证行星齿轮更 好地对正中心，与半轴齿轮正确地啮合。由于差速器在工作过程中，沿行星齿轮和半轴 齿轮的轴线作用有很大的轴向力，为减少差速器壳同行星齿轮、半轴齿轮背面的磨损， 在它们之间装有青铜承推垫片。若承推垫片磨损可更换。 2 3 锥齿轮差速器工作原理 2 3 1 运动过程中速度分配原理 图1 2 差速器工作原理图 差速器工作原理图见图1 2 。差速器之所以能够起差速作用，行星齿轮在其中起了 很重要的作用【7 】，行星齿轮通常有三种运动状态，即公转、自转和即公转又自转的三种 运动情况，当驱动桥两侧车轮以相同角速度滚动、汽车处于直线行驶时，行星齿轮同差 速器壳一起绕半轴齿轮转动( 公转) 于是有： ，= ，= ( 2 1 ) 行星齿轮与半轴齿轮啮合点圆周速度k 、k 与行星齿轮轮心速度矿相等： k = k 2 v ( 2 2 ) 即q ，_ = 吐r = 钟 当行星齿轮只绕十字架轴线以角速度缈自转时，此时差速器壳不转动，左右半轴齿 轮以方向相反大小相等的角速度( 相当于架起驱动桥时，刹住传动轴，转动左侧驱动轮， 右侧驱动轮以同样角速度向相反方向转动的情况) 。此时，行星齿轮和左右半轴齿轮点 的圆周速度应为缈，且： k = 一哆 ( 2 3 ) 当汽车转弯行驶时，行星齿轮处于既公转又自转的情况下，左右半轴齿轮同行星齿 5 西安科技大学硕士学位论文 轮啮合点的圆周速度应为上述两种速度的合成，假设汽车向右转，则： k = y + 功， k = y 一缈， 式中，一行星齿轮的平均半径； ( 2 4 ) ( 2 5 ) 缈一行星齿轮自转角速度。 由于行星齿轮自转，加速了左边半轴齿轮的圆周速度k ，减慢了右侧半轴齿轮的圆 周速度匕。上式即变为： 化简后得： q ，2 钟+ 缈，。 吐) 2 ，2 国，一国， q ，：国+ 国上 q ，：缈一国! ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 将( 2 8 ) ，( 2 9 ) 两式相加得： 劬+ 哆= 2 ( 2 1 0 ) 若角速度以每分钟转速n 表示。则为： + 心= 2 玎 ( 2 1 1 ) 也就是说，左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍。表明差速器的运动 特性符合行星齿轮的各种运动状态，汽车的各种行驶情况，都可由行星齿轮以相应自转 调节使驱动车轮始终处于滚动行驶。 差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体 都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝 不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置( 位能) ，它自动选择静止( 动能最小) 而不会不断运动。同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按 转弯半径调整左右轮转速。 当转弯时，由于外侧轮有滑拖现象，内侧轮有滑转现象，两个驱动轮此时会产生两 个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了 三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴 转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。 驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性链接，则两轮只能以相同的角速度旋转。这 样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动 的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。即使是汽车直线行驶，也会因路 面不平，或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等( 轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或 气压不等) 而引起车轮的滑动。 6 2 锥齿轮差速器设计理论 车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动 性能变差。为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车辆能以不同的角速度转 动。 2 3 2 = 运动扭矩分配原理 差速器在起差速作用的同时，还要分配扭矩传给左右两侧的驱动轮。圆锥行星齿轮 差速器，主减速器传来的扭矩经差速器壳传给十字轴至行星齿轮，再由行星齿轮分配给 左右半轴齿轮。行星齿轮的传力情况犹如一个等臂杠杆，而半轴齿轮半径是相等的。因 此，当行星齿轮没有自转运动时，总是将扭矩平均分配给左、右两半轴齿轮。 当两半轴齿轮以不同转速朝同一方向转动时，设左半轴转速大于右半轴转速， 则行星齿轮按图1 3 上几的方向绕十字轴颈3 而自传，行星齿轮与十字轴轴颈间产生摩 擦。行星齿轮所受摩擦力矩m 与其转速惕方向相反，此摩擦力矩使行星齿轮分别对左 右半轴齿轮，附加作用了大小相等方向相反的两个圆周力e 和e 。f 使传到转的较快 的左半轴的扭矩m 减小，而e 使转的较慢的右半轴的扭矩蚝增加。因此，左右两驱动 轮存在差速运动的工况时，差速器分配给慢车轮以较大扭矩，反之亦然，而左右两驱动 轮所得扭矩之差为差速器的内摩擦力矩。 值得指出的是锥齿轮差速器，其内摩擦力矩很小可忽略不计，故实际上可以认为无 论驱动轮转速是否相等，而扭矩总是平均分配。这就是锥齿轮差速器扭矩分配特性。 图1 3 扭矩分配原理 l ：左半轴；2 、行星齿轮；3 ：十字架：4 ：右半轴；5 、半轴齿轮 2 4 本章小结 本章对圆锥行星齿轮差速器的功能、构成、速度分配原理和扭矩分配原理进行研究。 7 西安科技大学硕士学位论文 3 1u g 软件概述 3 参数化设计平台 u g ( u n 鲥p 1 1 i c s ) 软件起源于美国麦道飞机公司，于1 9 9 1 年1 1 月并入世界上最大的 软件公司美国电子资讯系统公司( e l e c 仃。血cd a t as y s t e m sc o 邛；e d s ) 。如今，u g 软件己 经成为世界上一流的集成化c a d c a e c a m 软件，广泛应用于航空、航天、汽车、通 用机械、模具和家用电器等领域【8 】。许多著名公司均选用u g 作为企业计算机辅助设计、 分析和制造的标准【9 】。如美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机公司、英国宇 航公司、惠普发动机公司等均以u g 作为企业产品开发的软件平台。美国通用汽车公司 是u g 软件的最大用户。u g 软件自1 9 9 0 年进入中国市场以来，在我国得到了越来越广 泛的应用，己成为我国工业界主要使用的大型c a d c a e c a m 软件之一。 u g 是一个高度集成的c a d c a e c a m 软件系统，可用于产品的整个开发过程，包 括产品概念设计、建模、分析和加工。u g 有众多的功能模块，其中实体建模( s o l i d m o d e l i n g ) 是基础主模块。u g 的实体建模基于p a r a s o l i d 建模内核，p a m s o l i d 有很高的精 度和可靠性，其容差建模特性允许低精度读入的几何体在u g 内有效地使用。 u g 集成化软件在产品的设计制造过程中，体现了并行工程的思想，在产品设计的 早期，它的下游应用部门( 工艺部门、加工部门、分析部门等) 就已经介入设计阶段，所 以设计过程是一个可反馈、修改的工程。u g 强大的参数化功能能够支持模型的实时修 改，系统能够自动刷新模型，以满足设计要求。由此，这种设计工程不必等产品全部设 计完才进行下游工作，而是在产品初步设计后，就可进行方案评审，并不断修改设计， 直到达到设计要求。u g 的工作流程如图3 1 所示 图3 1u g 工作流程图 8 3 参数化设计平台 3 2u g 软件的特点 u g 的主要特点：提供特征化、参数化及变量化的概念设计；采用非均匀有理b 样 条m u i 也s ) 作为曲面造型的数学基础；采用区别于多面体的曲面实体造型，使线框模型、 曲面模型和实体模型融为一体；提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统， 使c a d 、c a m 、c a e 各部分的数据能够进行自由切换；具有良好的二次开发接口和工 具。它的这些主要特色可以在以下几方面得到体现： ( 1 ) 可以为机械设计、模具设计以及电器设计单位提供一套完整的设计、分析和制造 方案。 ( 2 ) u g 是一个完全的参数化软件，为零部件的系列化建模、装配和分析提供了强大 的基础支持。 ( 3 ) 可以管理c a d 数据以及整个产品开发周期中所有相关数据，实现逆向工程和并 行工程等先进设计方法。 ( 4 ) 可以完成包括自由曲面在内的复杂模型的创建，同时在图形显示方面运用了区域 化管理方式，节约系统资源。 3 3u g 主要模块 ( 1 ) u g g a t e w a y ( u g 入口) u g g a ：t e w a y 模块是链接u g 软件所有其它模块的基本框架，是启动u g 软件时运 行的第一个模块，它为u g 软件的其它模块运行提供了底层的统一数据库支持和一个窗 口化的图形交互环境。 ( 2 ) u g s o l i dm o d e l i n g ( u g 实体建模) u g s o l i dm o d e l i n g 模块将基于约束的特征造型功能和显式的直接几何造型功能无 缝地集成一体，提供了强大的复合建模功能，使用户可以充分利用集成在先进的参数化 特征造型环境中的传统实体、曲面和线框功能。该模块还提供了用于快速有效地进行概 念设计的变量化草图工具、尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的工具，使用户既可以 进行参数化建模又可以方便地用非参数方法生成二维、三维线框模型，扫掠和旋转生成 实体以及进行布尔运算，可以方便地生成复杂机械零件的实体模型。 ( 3 ) u g f e a t u r e sm o d e l i n g g 特征建模) u g f e a t i e sm o d e l i n g 模块用工程特征来定义设计信息，在u g f e a n 玳sm o d e l i n g 的基础上提高了用户设计意图表达的能力。该模块支持标准设计特征的生成和编辑，包 括各种孔、键槽、凹腔、方形凸台、圆形凸台、异形凸台以及各种圆柱、方块、圆锥、 球体、管道、杆、倒圆、倒角等，同时也包括抽空实体模型产生薄壁实体的能力。所有 特征均可相对其它特征或几何体进行定位，可以编辑、删除、抑制、复制、粘贴、引用 9 西安科技大学硕士学位论文 以及调整特征顺序，并提供特征历史树记录所有相关关系，便于特征查询和编辑。 ( 4 ) u ( 汗r e ef o 衄m o d e l i n g g 自由曲面建模) u g 具有丰富的曲面建模工具，u 鲫r e ef o 册m o d e l i n g 模块独创地把实体和曲面建 模技术融合在这一组强大的工具中，提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能，可以 方便地设计如飞机、汽车、电视机以及其它工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。 这些技术包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组正交曲线的自由曲 面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、 两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减编辑 等。该模块生成的曲面模型与其它u g 功能完全集成。 ( 5 ) u g d r a r i n g ( u g 工程制图) u g d r 撕i n g 模块使任何设计师、工程师或绘图员都可以从u g 三维实体模型得到 完全双向相关的二维工程图。基于u g 复合建模技术，该模块可以生成与实体模型相关 的尺寸标注，保证工程图纸随着实体模型的改变而同步更新，减少了因模型改变二维图 更新的时间，包括消隐和全相关的剖视图在内的二维视图在模型修改时也会自动更新。 直接修改对应于三维建模参数的设计尺寸，可反向同步更新三维设计模型和二维工程图 纸。提供了自动视图布置、剖视图、各向视图、局部放大图、局部剖视图、自动、手工 尺寸标注、形位公差、粗糙度符合标注、支持g b 、标准汉字输入、视图手工编辑、装 配图剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。 ( 6 ) u g a s s e m b l ym o d e l i n g ( u g 装配建模) u g a s s e m b l ym o d e l i n g 模块具有如下特点：提供并行的自顶而下和自下而上的产品 开发方法，其生成的装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零 件设计完全双向相关，并改进了软件操作性能，减少了存储空间的需求，零件设计修改 后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计。该模块提供 了包括坐标系定位、逻辑对齐、贴合、偏移等灵活的定位方式和约束关系，并可定义不 同零件或组件间的参数关系。u g 装配功能的内在体系结构使得设计团队能够创建和共 享产品级装配模型，可使团队成员之间同步并行工作。 3 4u g 的应用现状 u g 软件自1 9 9 0 年进入中国市场，经过十年的发展，目前国内用户已近千家。国内 许多大型企业、公司均采用u g 作为其产品设计生产的支撑软件。利用u g 开发自身的 系列化产品，获得了显著的经济效益。 国内外有关u g 的应用研究资料表明，u g 应用包括两种类型，一是直接利用u g 软件进行产品的建模、分析、制造，二是在u g 平台上进行二次开发。二次开发的内容 涉及标准零件库、行业产品特征库、复杂零件的自动化生成、零件成型与分析自动集成、 l o 3 参数化设计平台 典型产品的专家系统研究等。主要在以下方面有很大发展【l o 】【1 1 】： 3 4 1 开发用户自定义模块进行快速建模( r 印i dp r o t o t y p e ) u g 现有的建模功能完全能够实现复杂零件的建模要求，快速建模的目的是提高建 模速度以缩短产品的整个研制周期。快速建模通常是针对某一复杂零件。这类零件的特 点是设计参数多，各参数满足一定的函数关系，从设计参数向结构参数转化需要复杂的 数学运算。通常的设计方法是：首先根据设计参数计算出结构参数，然后用u g 软件建模。 这种方法的缺点是：模型生成速度慢且不易修改设计。一旦调整某一设计参数，则牵一发 而动全身，模型所有结构参数均可能改变：建模就得从头开始。如果利用u g o p e na p i 或u g o p e ng p 创立用户程序，使设计计算和u g 建模集成在一起，实现设计、建 模的自动化，则建模速度将大大提高，改动设计也十分方便，非常适合系列化零件的建 模设计。有些模型的生成是以实测的数据为基础，则可通过用户程序实现数据的自动采 集、处理，最后建立模型。 3 4 2 建立用户参数图库 u g 软件没有标准零件库，更没有具体行业的常用零件库，而具体行业的产品设计 总是经常会用到标准件、相似件。若每次设计对每一零件均从头开始建模，则要做许多 重复性的工作。建立用户参数图库即是把常用的标准件、结构相似件建成特征库，使用 时只需输入确定参数，直接调用，提高建模速度。 3 4 3 建模与分析的用户集成 u g 软件本身带有建模和分析模块，若要对模型进行分析，通常先在建模模块中建 立模型，然后切换到分析模块中进行分析，如果模型需要不断改变，则设计过程要在建 模与分析模块之间反复切换。并且分析过程是固定的标准过程，用户无法提取计算过程 数据进行优化控制，用户的特殊要求没有途径实现。利用u g 0 p e na p i 或u g o p e ng 刚p 可以实现建模与分析的用户集成，也可实现分析过程的用户化。 3 4 4c a 吼，c a p p c a m 集成 u g 软件不含零件的工艺设计功能。在c a d c a p p c a m 集成系统中，利用 u g m o d e l i n g ，u g m a n u f a c t u i i n g 功能实现零件建模和刀具轨迹生成，再利用u g o p e n a p i 功能增加工艺特征定义。c a p p 系统则利用u g o p e na p i 功能读取u g 模型数据进 行工艺过程决策处理。集成系统以数据库为基础完成必要数据的传递及工艺规程的保 存、发送，为生产现场提供工艺准备数据。 西安科技大学硕士学位论文 3 4 5 基于u g 的专家系统研究 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是问题求解的智能软件系统，在某一专业领域内，把有关 专家的经验和知识表做成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控 制策略。解决该领域内只有专家才能解决的问题并达到专家级水平。 基于u g 的专家系统研究，利用u g o p e na p i 和u g o p e ng 刚p 编程，针对具体零 件或简单系统，建立知识库、推理机、解释系统等专家系统的基本结构，把专家系统和 u g 结合起来，在建模、分析、制造过程中随时得到专家级的指导提高产品设计的质量。 3 5 本章小结 本章主要对参数化设计平台u g 软件进行了介绍，对u g 的参数化设计特点、应用 模块和应用现状进行了研究。 1 2 4 锥齿轮差速器零件参数化设计 4 锥齿轮差速器零件参数化设计 4 1 三维参数化设计理论 4 1 1 三维参数化设计概述 三维c a d 的参数化设计是当前开发c a d 的一种发展趋势。参数化设计 【1 2 1 ( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ( 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ) 。这种设计方法是8 0 年代末提出 的c a d 产品设计方法。参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需 要确定具体的数值。变化一个参数，将自动改变所有与它相关的参数化模型尺寸，并遵 循一定的约束条件，这就是采用参数化模型，通过调整参数来控制几何形状，自动实现 产品的精确造型。 参数化设计方法是存储设计的整个过程【l3 1 ，一次能设计一族( 而不是单一的) 产品模 型。参数化设计技术过程使工程设计人员无需要考虑细节而尽快画出零件草图，经过对 草图的反复修改来得到所需的设计，并可变动某一些约束参数来更新设计，从而在设计 系列化产品时不必一次次都重新设计全过程。因此，这种设计技术己成为进行产品初始 设计、模型编辑修改及对多种方案进行比较的有效手段。 在传统的计算机辅助设计中，绘图工作量平均要占总工作量的6 0 左右，对原设计 的修改也非常困难，往往牵一发而动全身，于是参数化设计的概念被提出。参数化设计 的基本原理是在系统设计过程中自动地扑获用户的设计意图，从而将用户设计中的各个 设计对象以及对象之间的约束关系记录下来，当用户通过修改图纸中尺寸标注和设计参 数时，系统能够自动对图纸进行必要的修改l i4 。 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些结构形式 与结合方式确定的设计。如结构形状不变，只改变局部特征的大小，可通过改变几何参 数加以控制；在实际工程设计中，经常会遇到系列产品的设计工作。这些产品在结构上 基本相同，但出于使用场合、工况的差别，在结构尺寸上形成了一个系列。对于这类设 计任务，如果在进行重复的建模，势必给工程设计人员带来巨大的重复工作量、也延长 了设计周期重复性的工作。引进参数化设计理论能够很好的解决这个问题，提高设计效 率。 4 1 2 三维参数化设计主要特点 三维参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行 草图设计，勾画出设计轮廓，然后输人精确尺寸值来完成最终的设计。与无约束造型系 1 3 西安科技大学硕士学位论文 统相比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初期阶段，设计人员 关心的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分关心，特别是在系列化 设计中，参数化造型技术的优点就更加突出。 参数化技术具有以下三方面的优点【1 5 】【1 6 】 ( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无需精确绘图，只要勾绘出草图即可，然后可通过 适当约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零件的不同 尺寸系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计需要。当在设计中发现有不适当的部分时，设 计者可通过修改约束而方便地得到新的设计。 4 1 3 三维参数化设计主要概念 三维参数设计是用一组参数来定义几何图形( 体素) ，尺寸数值来约定尺寸关系，提 供给设计者进行几何造型使用【l 引