基于ProE5.0的斜齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真

劉 剛，解繼紅

（晉中學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，山西 晉中 030600）

問題的提出

齒輪機(jī)構(gòu)可以用于傳遞任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛，其中尤以斜齒圓柱齒輪應(yīng)用為最多。在傳統(tǒng)的齒輪設(shè)計(jì)中，原有的幾何模型是設(shè)計(jì)者利用固定的尺寸值得到的，零件的結(jié)構(gòu)、形狀不能靈活的改變，工作費(fèi)工費(fèi)時(shí)、設(shè)計(jì)效率低。

參數(shù)化設(shè)計(jì)的理念可以很方便地解決這一難題。文章以pro/e為開發(fā)平臺(tái)，主要針對(duì)斜齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。同時(shí)運(yùn)用pro/e軟件，建立整個(gè)齒輪傳動(dòng)的虛擬裝配系統(tǒng)，并通過各種仿真分析對(duì)其進(jìn)行工作性能預(yù)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 斜齒圓柱齒輪的三維參數(shù)化實(shí)體建模

三維實(shí)體模型包括非常豐富的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是機(jī)構(gòu)仿真的基礎(chǔ)。在創(chuàng)建三維模型之前，首先應(yīng)該清楚模型的結(jié)構(gòu)，然后確定建模方法。

1.1 設(shè)置參數(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)最主要的特點(diǎn)就是通過改變表達(dá)式里的相關(guān)齒輪參數(shù)，從而快速得到一個(gè)新的齒輪實(shí)體。標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱輪的幾何尺寸決定于6個(gè)基本參數(shù)[1]，齒輪的寬度取決于齒寬系數(shù)，所以，在建模之前首先設(shè)置齒輪的基本參數(shù)及齒寬系數(shù)，以后可以直接調(diào)用這些參數(shù)，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)目的。斜齒輪模型中添加的參數(shù)見表1[2]。

表1 斜齒輪模型中添加的參數(shù)

1.2 輸入關(guān)系式

設(shè)置好基本參數(shù)之后，選擇“工具—關(guān)系”添加關(guān)系式約束相關(guān)的參數(shù)（如圖1所示）。

圖1 添加的關(guān)系式

利用Pro/E的掃描混合命令，在齒廓端面生成一個(gè)輪齒，如圖2所示。陣列輪齒，并利用剪切、旋轉(zhuǎn)、拔模等命令得到完整的斜齒輪三維實(shí)體模型，如圖3所示。

建模完成后，如果斜齒輪設(shè)計(jì)要求改變時(shí)，只需要輸入齒輪的驅(qū)動(dòng)變量（如圖4所示），即齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角和齒寬系數(shù)，就可得到所需的齒輪模型。該模型的結(jié)構(gòu)尺寸也應(yīng)作相應(yīng)改變以滿足新的需要，滿足上述改變要求。

圖2 單齒模型

圖3 完整的齒輪模型

圖4 輸入?yún)?shù)對(duì)話框

2 斜齒輪機(jī)構(gòu)的仿真及運(yùn)動(dòng)分析

斜齒輪的齒面為空間螺旋面。要研究齒輪，必須建立左旋右旋兩個(gè)齒輪，并按照標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝，建立裝配的組件模型。同時(shí)，在各種操作命令中加入關(guān)系，通過預(yù)設(shè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，進(jìn)行工作性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而達(dá)到我們的目的。

2.1 斜齒輪的虛擬裝配

先對(duì)齒輪間的軸中心距建好參照面和基準(zhǔn)軸，將左旋齒輪1添加至新建組件中，設(shè)置放置類型為“連接”，選取連接類型為“銷釘”。為齒輪設(shè)置兩個(gè)約束：軸對(duì)齊、平移，使元件齒輪1的回轉(zhuǎn)軸同組件的默認(rèn)基準(zhǔn)軸A_1對(duì)齊，并將元件齒輪1的基準(zhǔn)面Front與組件的基準(zhǔn)面Asm_front對(duì)齊，從而限制了銷釘?shù)奈鍌€(gè)自由度[3]。

同樣的方法將右旋齒輪2添加至組件模型，所不同的是，右旋齒輪2的回轉(zhuǎn)軸要同前面我們定義的基準(zhǔn)軸A_2對(duì)齊，從而將兩個(gè)斜齒輪按標(biāo)準(zhǔn)安裝，如圖5所示。

圖5 斜齒輪模型裝配圖

圖6 檢測(cè)對(duì)話框

2.2 機(jī)構(gòu)設(shè)置

選擇“應(yīng)用程序/機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)仿真窗口，檢查裝配連接，以測(cè)試元件裝配是否正確，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式是否理想，如圖6所示。

設(shè)置齒輪副的相關(guān)參數(shù)，建立機(jī)構(gòu)各元件之間的關(guān)系[4]，確定傳動(dòng)比；定義伺服電動(dòng)機(jī)作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，輸入常數(shù)為100；然后定義運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)定開始時(shí)間、終止時(shí)間及顯示幀頻，如圖7所示。

圖7 分析定義對(duì)話框

2.3 生成分析的測(cè)量結(jié)果

圖8 測(cè)量結(jié)果對(duì)話框

圖9 齒輪2的位移速度加速度變化曲線

機(jī)構(gòu)設(shè)置完成后，進(jìn)行位置、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。定義測(cè)量名稱和測(cè)量類型[5]，得到測(cè)量結(jié)果如圖8所示，位移速度加速度變化曲線如圖9所示。

由輸出結(jié)果可以看出斜齒輪1和斜齒輪2的傳動(dòng)比為2，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，符合機(jī)械原理的理論。又經(jīng)過回放顯示，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中沒有干涉，從而驗(yàn)證了建模過程的正確性。

3 結(jié)論

（1）利用Pro/E實(shí)現(xiàn)了漸開線斜齒圓柱輪的三維實(shí)體建模的參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬裝配；當(dāng)產(chǎn)品需求發(fā)生變化時(shí)，通過更改表達(dá)式中的齒輪參數(shù)可以迅速建立新的齒輪，大大提高了齒輪設(shè)計(jì)的效率和精確度；

（2）實(shí)現(xiàn)了斜齒輪的動(dòng)力學(xué)仿真，從仿真曲線中可以看出，模型設(shè)計(jì)是正確的。這樣就極大地縮短了斜齒輪的研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)齒輪生產(chǎn)企業(yè)提高設(shè)計(jì)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的實(shí)際意義。

［1］韓玉龍.Pro/ENGINEER Wildfire組件設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］黃凱等主編.Pro/e參數(shù)化高級(jí)應(yīng)用教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］常青，王洪章.二級(jí)圓柱齒輪減速器拆裝的仿真設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2007，28（5）：77-79.

［4］張鐵純.三維仿真動(dòng)畫的開發(fā)技巧［J］.中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，20（4）：26-30.

［5］孫江宏，黃小龍，高宏.Pro/ENGINEER Wildfire/2001結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)仿真［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.