基于UG和Excel的漸開線斜齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

樂治后 王 琳 鄒云偉 王振寧

南昌工學(xué)院 江西南昌 330108

1 概述

漸開線斜齒圓柱齒輪廣泛應(yīng)用在變速器、減速器、差速器等各種傳動裝置中，是一種特殊的重要機(jī)械零件[1]。在設(shè)計(jì)制造中，漸開線斜齒輪的三維建模過程比較困難[2]。UG7.5以上中文版可以直接生成漸開線斜齒輪三維模型，但面臨斜齒輪廣泛應(yīng)用、批量化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)，重復(fù)的進(jìn)行斜齒輪三維建模，工作量較大，極其浪費(fèi)時(shí)間和精力。

UG中的表達(dá)式(Expression)工具具備參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可以用來控制同一零件上不同特征之間的關(guān)系或同一裝配不同零件之間的關(guān)系，可以用來進(jìn)行漸開線斜齒輪的三維參數(shù)化建模。Excel軟件輸入數(shù)據(jù)比較方便，可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，提取UG軟件中三維模型的參數(shù)數(shù)據(jù)到Excel軟件中生成零件表，在二次設(shè)計(jì)中只需修改Excel數(shù)據(jù)表中部分相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，生成零件族文件。調(diào)用該零件族文件中的參數(shù)數(shù)值就可以在UG中設(shè)計(jì)出符合相應(yīng)參數(shù)要求的齒輪零件[3]。這樣可以減少大量工作量，較直接生成三維模型也有優(yōu)勢。

本文基于UG10.0軟件，使用UG中的表達(dá)式(Expression)工具，在UG中建立漸開線斜齒圓柱齒輪的三維模型[3]。利用UG的PartFamily(部件族)命令，結(jié)合Excel軟件，建立漸開線斜齒輪的零件族，有利于批量化設(shè)計(jì)不同系列的齒輪。本文采用的是UG10.0和OFFICE2010，考慮到UG軟件和Excel軟件的兼容性，建議采用OFFICE2010或以下版本，否則與UG10.0不能兼容。

2 建立零件族的思路

首先要整體分析零件特征，明確零件特征內(nèi)在聯(lián)系及進(jìn)行零件驅(qū)動的參數(shù)個(gè)數(shù)。然后錄入尺寸關(guān)系。通過Excel軟件輸入不同系列零件的各個(gè)尺寸，能夠快速地得到一個(gè)參數(shù)零件庫。將參數(shù)零件庫中一個(gè)零件的尺寸作為參數(shù)變量提取到UG的表達(dá)式中，從而在UG軟件中建立三維參數(shù)化零件模型[3-9]。UG的Expression(表達(dá)式)中有Part family(部件族)命令，通過這個(gè)Part family(部件族)命令可以創(chuàng)建一個(gè)含有這些參數(shù)變量的Excel驅(qū)動表，在這個(gè)Excel驅(qū)動表中新建多個(gè)系列，并輸入不同系列的參數(shù)數(shù)值，保存部件族，即可形成一個(gè)齒輪零件族文件。用一個(gè)零件模型就可表達(dá)多個(gè)相同結(jié)構(gòu)類型、尺寸不完全一致的零件，減少了在二次設(shè)計(jì)中的大量工作，這樣就建立了一個(gè)模型庫文件[3-9]。建立零件族的流程如圖1所示：

圖1 建立零件族的流程圖

3 斜齒圓柱齒輪建模

漸開線斜齒輪在UG中的精確設(shè)計(jì)過程可分為[6]：(1)通過表達(dá)式工具建立相互關(guān)聯(lián)的表達(dá)式；(2)繪制漸開線斜齒輪齒廓截面；(3)創(chuàng)建斜齒輪基本齒廓；(4)創(chuàng)建斜齒輪整體齒形；(5)創(chuàng)建斜齒輪細(xì)節(jié)特征。

3.1 漸開線斜齒輪結(jié)構(gòu)分析

標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪的齒型[1]如圖2所示：

圖2 漸開線齒輪齒形

由機(jī)械原理可知漸開線的方程式[10-13]為：

xt=rb[cos(s)+rad(s)sin(s)]

yt=rb[sin(s)-rad(s)cos(s)]

zt=0

s=αk+θk

rt=rb/cosαk

θk=invαk=tanαk-αk

斜齒輪的形狀和幾何尺寸取決于齒輪的7個(gè)基本參數(shù)，分別是齒數(shù)z、法向模數(shù)mn、法向壓力角αn、分度圓上的螺旋角β、齒輪高度h_cl、法向齒頂高系數(shù)hαn、法向頂隙系數(shù)cn。根據(jù)UG系統(tǒng)對參數(shù)變量的要求，這7個(gè)基本參數(shù)先要賦予初值，而實(shí)際中大部分齒輪是變位齒輪，故設(shè)計(jì)時(shí)需考慮變位系數(shù)[2]。再加上計(jì)算推導(dǎo)出來的13個(gè)參數(shù)共有20個(gè)參數(shù)。

3.2 建立表達(dá)式

建立表達(dá)式是很關(guān)鍵的一步，是為了建立零件特征之間的內(nèi)在聯(lián)系。方法[12-13]如下：

在UG主界面中，選擇工具(Tools)>表達(dá)式(Ex-pressions)，彈出表達(dá)式對話框輸入[名稱]和[公式]，其中在[單位]下拉列表中選擇[恒定]選項(xiàng)。輸入完成后，單擊[接受編輯]圖標(biāo)，建立如下表達(dá)式：

t=0//UG規(guī)律曲線系統(tǒng)變量

b=8.10944//螺旋角

an=20//法向壓力角

a=arctan(tan(an)/cos(b))//端面壓力角

mn=3//法向模數(shù)

x=0//變位系數(shù)

z=79//齒輪齒數(shù)

lj=pi()*m*z/tan(b)//螺距

d=m*z//分度圓直徑

d0=m*z*cos(a)//基圓直徑

d_cdy=d+2*h_cd//齒頂圓直徑

d_cgy=d-2*h_cg//齒根圓直徑

h_cd=(1+x)*m//齒頂高

h_cg=1.25*(1+x)*m//齒根高

m=mn/cos(b)//端面模數(shù)

s=90*t//漸開線展角(0，90)

xt=(d0/2)*cos(s)+(d0/2)*rad(s)*sin(s)//漸開線方程

yt=(d0/2)*sin(s)-(d0/2)*rad(s)*cos(s)//漸開線方程

zt=0

h_cl=60//齒輪高度

也可以在記事本文件中輸入以上表達(dá)式，保存為exp文件，再打開ug，選擇工具(Tools)>表達(dá)式(Ex-pressions)，點(diǎn)擊Import Expressions from files，選擇保存好的exp文件，導(dǎo)入即可，這樣輸入方便快捷，也可避免出錯(cuò)。

3.3 繪制漸開線斜齒輪齒廓截面

3.3.1 創(chuàng)建漸開線

運(yùn)用規(guī)律曲線命令創(chuàng)建漸開線，如圖3所示：

圖3 創(chuàng)建漸開線

3.3.2 草繪齒輪截面

在建模狀態(tài)下，草圖環(huán)境中，繪制圓。這里要建立三個(gè)草圖，在每個(gè)草圖里繪制一個(gè)圓，分別繪制齒輪的分度圓、齒根圓和齒頂圓。尺寸分別選擇d、d_cgy和d_cdy。如圖4所示：

圖4 繪制圓

繪制直線。直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為分度圓與漸開線的交點(diǎn)。繪制時(shí)打開[交點(diǎn)]捕捉模式。如圖5：

圖5 繪制直線

創(chuàng)建陣列曲線。選擇上步繪制的直線作為陣列對象，數(shù)量為2，節(jié)距角為-90/z，進(jìn)行圓形陣列，如圖6：

圖6 陣列曲線

3.3.3 創(chuàng)建鏡像曲線

利用鏡像曲線命令，創(chuàng)建漸開線曲線的鏡像曲線，如圖7所示：

圖7 鏡像曲線

3.3.4 創(chuàng)建螺旋線

在建模狀態(tài)下繪制螺旋線，螺旋線的旋向與斜齒輪一致，螺旋線直徑為齒頂圓直徑d_cdy，螺距為lj，起始點(diǎn)默認(rèn)(0，0，0)，圈數(shù)取0.015圈，繪制出螺旋線，如圖8所示：

圖8 創(chuàng)建螺旋線

3.4 創(chuàng)建斜齒輪基本齒廓

運(yùn)用掃掠命令，選擇齒廓截面曲線，沿引導(dǎo)線掃掠，形成掃掠特征如圖所示。其中，曲線規(guī)則選擇相連曲線，且在相交處停止，截面選項(xiàng)中應(yīng)勾選保留形狀。如圖9：

圖9 掃掠特征

3.5 創(chuàng)建斜齒輪整體齒形

3.5.1 創(chuàng)建齒頂圓拉伸特征

運(yùn)用拉伸命令，以齒頂圓為拉伸對象，拉伸距離為h_cl，曲線規(guī)則為相連曲線，形成拉伸特征。如圖10所示：

圖10 拉伸齒頂圓

3.5.2 創(chuàng)建偏置面特征

運(yùn)用偏置面命令，選擇上步拉伸特征的外側(cè)面為偏置對象，曲線規(guī)則為單個(gè)面，距離為2，形成偏置特征如圖11所示：

圖11 偏置面

再以齒頂圓拉伸特征為目標(biāo)體，偏置面特征為工具體，進(jìn)行求差操作，對實(shí)體圓弧兩側(cè)邊進(jìn)行倒斜角操作，如圖12所示：

圖12 求差、倒斜角

3.5.3 創(chuàng)建陣列面特征

運(yùn)用陣列面命令，創(chuàng)建陣列面特征，其中曲線規(guī)則選擇特征面，角度為360/z，圓數(shù)量為z。結(jié)果如圖13所示：

圖13 陣列面

3.6 創(chuàng)建斜齒輪細(xì)節(jié)特征

先草繪截面，再拉伸創(chuàng)建齒輪中心孔、減輕孔和側(cè)面凹槽特征，最后倒斜角和圓角。最后結(jié)果如圖14所示：

圖14 齒輪三維模型

4 參數(shù)化控制庫的建立

建立齒輪零件參數(shù)化控制庫是基于UG軟件和Excel軟件，通過UG建立單個(gè)零件三維參數(shù)化模型，結(jié)合Excel生成模型零件族，目前有兩種方式。

第一種方式是UG的電子表格功能，在UG界面主菜單中選擇Tools(工具)>spreadsheet(電子表格)>加載項(xiàng)>Extract Expr(提取表達(dá)式)，提取第一步建立的表達(dá)式到spreadsheet(電子表格)中。在電子表格中可以修改相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，并在電子表格中選擇加載項(xiàng)>Update UG Part(更新UG零件)，則齒輪的三維參數(shù)化模型將自動更新[2]。但這種方式每次修改參數(shù)后前面的參數(shù)都被更新，只能保存一種類別的參數(shù)，無法形成一個(gè)參數(shù)庫隨時(shí)調(diào)用。要形成一個(gè)參數(shù)庫能被隨時(shí)調(diào)用不同類別的參數(shù)要采用下面的方法。

進(jìn)入Part Family(部件族)命令，依次將z、mn、an、h_cl、b、x添加到參數(shù)序列。然后確定進(jìn)入Excel表格，在Excel表格中輸入斜齒輪如圖15的主要參數(shù)，點(diǎn)擊Save Part family(保存族)命令，返回到UG界面，點(diǎn)擊確定，就完成了參數(shù)庫的建立[9-11]。UG的模型建立功能和Excel的數(shù)據(jù)處理功能也結(jié)合起來了。

再新建一個(gè)裝配文件，從添加組件命令導(dǎo)入保存好的部件族文件。建立裝配文件是因?yàn)檠b配狀態(tài)便于調(diào)用部件族文件，在這里不必重復(fù)建立斜齒輪的三維模型，只要調(diào)用導(dǎo)入的零件族文件，選擇零件代號(如gear1、gear2、gear3、gear4、gear5、gear6即可)。就可以自動更新模型，這大大減少了模型建立所需的時(shí)間[3-4]。

圖15 部件族

結(jié)語

對斜齒輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并基于UG和Excel建立參數(shù)化控制庫，有利于批量化快速進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)，可節(jié)省大量時(shí)間和精力。筆者給出的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法也適用于其他機(jī)械零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文建立的齒輪模型可進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動仿真、有限元分析等。