基于UG的齿轮齿条式转向器的虚拟设计与分析

第20卷 第1期 苏州市职业大学学报 V ol.20,No.1 2009年3月 Journal of Suzhou V ocational University Mar. , 2009
基于UG的齿轮齿条式转向器的虚拟设计与分析
鲁春艳
（苏州市职业大学 机电工程系，江苏 苏州 215104）
摘 要: 虚拟设计是机械设计的必然趋势.介绍在UG环境下进行齿轮齿条式转向器参数化结构设计的
方法,同时实现模型的虚拟装配及仿真分析.通过直接造型与草图造型相结合的方法,提高了齿轮齿条
式转向器结构设计的参数化程度,缩短了产品的开发周期.
关键词: 齿轮齿条式转向器; 参数化建模;虚拟装配; 运动分析
中图分类号: TH 122.2 文献标志码: A 文章编号: 1008-5475(2009)01-0020-04
The Virtual Design and Analysis of UG based Rack and Pinion Redirector
LU Chun-yan
(Department of Mechano -electronic Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)
Abstract : Virtual design is the trend of mechanic design. The methods of UG -based parameterization
structural design of rack -and -pinion redirector are introduced, and virtual assembly and dynamic
animation combined with rack -and -pinion redirector are implemented. The combination of immediate
modeling and sketch modeling enhanced the level of parameterization of structural design of rack -and -
pinion redirector and also shortened the time needed for a product development cycle.
Key words : rack -and -pinion redirector; parameterized modeling; virtual assembly; scenario for motion
收稿日期：2008-11-14；修回日期：2008-12-20
作者简介：鲁春艳(1980-),女,湖北仙桃人,助教,硕士,主要从事机械CAD/CAE技术及应用研究.
虚拟设计是近年来计算机辅助设计CAD 技术和虚拟现实VR 技术相结合而发展起来的一种新兴的设计技术,与传统的设计方法相比,虚拟设计开发周期短,可以及时有效地发现和解决设计中存在的问题,提高了设计质量和效率.集成化软件UG 可以很好地实现机械产品的虚拟设计[1].
基于UG 软件对齿轮齿条式转向器的虚拟样机设计,提高三维数字模型的准确性和参数化特性,从而能快速地进行分析仿真,实现设计方案的优化.
1 参数化实体模型的建立
参数化特征建模采用参数化定义的形状特征,设计人员只需要输入少量的几个参数,就能自动生成特征.参数化特征建模不同于传统的设计,它存储了设计的整个过程,能设计出一组,而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型.
1.1 螺旋齿轮参数化建模
UG 系统最典型的特点是参数化,在构造特征、草图时,系统将自动建立相应的参数表达式,并以参数parameter 的第一个字母p 开始,后接整数构成.不同车型转向器齿轮的尺寸不同,为了避免设计人员对基本件的重复性设计,节省设计周期,采用对其基本尺寸进行参数化设计,在虚拟的环境下实现零件
的进一步优化.
齿轮的三维特征造型技术的关键是齿轮轮齿齿廓的三维造型,齿轮轮齿齿廓的三维造型一般有三种方式:①根据齿轮的有关参数,首先在二维平面上生成齿轮的全部齿形,然后进行整体拉伸.②根据齿轮的有关参数,首先生成单个齿形,再拉伸成三维实体,然后绕中心点进行旋转拷贝,最后联合成一整体.③根据齿轮的有关参数,首先生成齿胚和齿槽轮廓,并将齿槽轮廓拉伸成三维实体,再用齿胚减去齿槽实体从而生成齿形,然后将齿槽轮廓绕齿轮中心进行旋转拷贝.本文中采用的是第③种方法进行齿轮的三维特征造型.
采用特征参数化方式实现齿轮的结构设计绘图时,首先要分析其结构特征,找出基本特征和二次特征[2].对渐开线圆柱齿轮,其基本特征为圆柱体和渐开线齿廓,它决定齿轮的基本形状,决定齿廓形状的参数亦即是特征化参数,即轮齿宽B 、齿数z 、模数m 、螺旋角β、压力角α、变位系数x 、顶高系数h a 和顶隙系数c ;其二次特征为“实心式”、“腹板式”、“孔板式”等轮辐形式及键槽等,它们进一步修正齿轮的结构形式.对其他的齿轮,如齿轮轴、锥齿轮等同样可以特征化为类似的特征.
UG 环境下渐开线斜齿轮建模的具体步骤如下:
1) 建立齿轮的基本实体特征.按照齿顶圆直径和齿轮厚度建立一个圆柱形齿轮毛胚.
2) 创建端面渐开线曲线.根据渐开线的形成原理可知渐开线的极坐标方程为
r i =r b /cos αi
θi =tan αi −αi (1)
式中:αi 为各点压力角,r b 为基圆半径,r i 为渐开线上任一点的向径,θi 为渐开线展角.
UG 中绘制公式曲线要在直角坐标环境下进行,因此需要将式(1)转化为直角坐标系下的方程,当渐开线的起点在X 轴上时,其直角坐标方程为
(sin cos )y r φ φ φφ φ φ=−(cos sin )x r =+ (2) 式中 φ=θi +a i .
以斜齿轮的端面模数m =2、齿数z =8、变位系数x =0.1、齿宽B =25、螺旋角β=15°,来建立齿轮的三维
模型.表达式如下:
a =0
b =90
t =1
m =2
z =8
r =m *z /cos (20)/2
x =0.1
s =(1-t )*a +t *b
x t =r *cos (s )+
r *rad (s )*sin (s )
y t =r *sin (s )-rad (s )*cos (s )
z t =0式中:a 、b 分别为渐开线的起始生成角、终止生成角;m 、z 分别为齿轮的端面模数、齿数;t 为Curve-Law 中的一个系统内部变量,0≤t ≤1;r 为齿轮的基圆半径;x t 、y t 、z t 为x 、y 、z 的坐标值.
将上面表达式输入到Expression 对话框中,如图1所示.
3) 绘制渐开线齿廓.退出Expression 对话框,进入Curve-law Curve-by Equation ,此时系统会自动提示输入x ,y ,z 的表达式,由于在Expression 中已经输入了x t ,y t ,z t 表达式,所以分别输入 x t ,y t ,z t 即可生成一段渐开线.
分别做出齿轮的齿顶圆、齿根圆和工作节圆,然后连接坐标原点和工作节圆与渐开线的交点,将此
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苏州市职业大学学报
第20卷直线以坐标原点为中心旋转360o /4z , 以旋转后的直线作为镜像线将渐开线作
一个Mirror 镜像操作,即可得到另一条渐开线. 用齿根圆、齿顶圆和渐开线相
互修剪得到一个渐开线齿形,删掉节圆和镜像线.其结果如图2所示.
4) 构造螺旋线.根据螺旋线的几何关系,若将斜齿轮沿其分度圆柱面展
开,可以得到分度圆螺旋线的几何关系:tan β=πd /l .
式中:β为分度圆螺旋角,d 为分度圆直径,l 为导程,即螺旋线绕分度圆一周后上
升的距离.
UG 中的Helix Curve 功能可以快捷准确地绘制螺旋线,需要确定的参数包括:螺旋线方向Right
Hand 或Lelt Hand ,导程Pitch 即l ,半径r ,即d /2.
这样就可以根据所给的齿轮螺旋角和分度圆直径绘制螺旋线,其计算通过EXP 文件来完成.绘制基圆螺旋线或者一任意圆柱面上的螺旋线方法也相同,只需变换为该圆柱面上的螺旋角和直径就可实现,具体步骤为:①将齿根圆按照齿厚拉伸成圆柱.②旋转坐标系(Rotate WCS ),将参考系绕 轴旋转15°(斜齿轮的螺旋角);过渐开线齿廓与齿根圆的交点处,作一条平行于Z 轴的直线,此直线与齿轮轴线交角为15°,记作Curve1.③进入Insert-Curve Operation-Wrap/ Un Wrap ,将Curve1缠绕到齿根圆的柱面上,此时Curve 1由平面曲线变成缠绕在圆柱面上的空间螺旋曲线,记作Curve2.④旋
转坐标系成最初的绝对坐标系.
5) 扫描生成齿轮模型.进入Insert-Free Form Feature-Swept ,以渐开线齿
廓作为扫描截面线,以Curve2为扫描导引线,应用自由曲面造型模块中扫描命
令生成齿轮的一个轮齿.然后将此轮齿倒角,旋转拷贝成8个,进行合并操作,
形成一个完整的斜齿圆柱齿轮模型.齿轮的模型如图3所示.
1.2 斜齿条的参数化建模 齿条是基圆半径为无限大的渐开线圆柱齿轮,其轮廓已由渐开线变成了直线,所以齿条副具有渐开线齿轮副的特点.由于齿条有压力角、模数、齿距不变的特殊性,故齿条副也有特殊的啮合性:无论齿条相对齿轮的安装位置如何变化,啮合角是常数,总等于压力角.齿轮分度圆与其节圆始终重合,亦即齿条的节线总切于齿轮的分度圆[3].
当标准外齿轮的齿数增加到无穷多时,齿轮的基圆及其他圆都变成互相平行的直线,同侧渐开线齿廓也变成互相平行的斜直线齿廓,这样就形成标准齿条.
齿条的主要特点: (1)由于齿条齿廓为直线,所以齿廓上各点具有相同的压力角,且等于齿廓的倾斜角,此角称为齿形角,标准值为20°;(2)与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数;(3) 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线(中线),它是计算齿条尺寸的基准线.
齿条参数化特征建模主要步骤如下:(1)分析齿条的结构特征,提取结构参数.利用齿条的几何模型进行特征定义,提取形状特征的几何信息,将实体特征参数转化为模型特征
参数;(2)利用特征参数建立参数化特征模型;(3)添加属性,建立特征表;(4)
进行参数化特征模型精度检测.经过上述步骤,就建立了齿条的参数化特征
模型.如图4所示.2 转向器的虚拟装配
虚拟装配是在计算机上进行装配,装配件中的零件与原零件之间是链接关系,对原零件的修改会自动反映到装配件中,从而节约内存,提高装配速度,及早发现零件配合之间存在的问题 ,保证设计质量.UG 软件中的虚拟装配方法主要有:自顶向下装配(Top-Down Assembly )、自底向上装配(Bottom-Up Assembly ),或者使用上述两种方法进行混合装配.自顶向下装配就是在上下文中进行设计,即由装配件的顶级向下产生子装配和组件,在装配层次上建立和编辑组件,由装配件的顶级向下进行设计.自底向上装配是先建立单个零件的几何模型即组件,再组装成子装配件,最后装成装配件,由底向上逐级地进 ⏤ 㒓啓 啓䕂῵ 啓 ῵
行设计.零件之间使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件,这样一旦部件的零件模型改变,产品的虚拟装配模型将随着改变,实现了真正意义上的参数化设计.
齿轮齿条装配是利用上述建模方法在不同的文件中生成所需的齿轮和
齿条,然后新建一个文档用于装配,进入“装配”应用环境后,使用“添加已经
存在的组件”,分别将齿轮和齿条添加到装配环境中,加入齿轮后,再添加齿
条,在设置“匹配条件”时首先设置“对准”,分别选择被加入齿条和已经加入
的齿轮的同侧端面,这时齿条被加入场景并对齐,再设置
“相切”条件,分别选择齿轮的分度圆和齿条的分度线,此时
齿轮进入正确的定位,但是齿没有啮合,再添加设置“相切”
条件,分别选择齿轮和齿条啮合时要接触的齿面,点击确
定,这时齿轮、齿条被全约束,装配完成,如图5所示.完成的
汽车转向器虚拟装配模型,如图6所示. 3 汽车转向器的虚拟分析
UG 的运动分析模块(Motion )是利用虚拟装配模型,通过将一个或一组零件定义为许多互相关联的连杆(Links ),并将连杆间的连接关系定义为运动副(Joints ),通过加入运动输入使机构模型产生运动,从而对机构进行运动学(Kinematic )分析或动力学(Dynamic )分析[4].
UG 中的运动分析模块提供了机械运动的虚拟样机.可以进行运动学和动力学分析,通过使用各种运动对象包括运动副、弹簧、阻尼器、运动驱动器、力、扭矩、柔性套管等来创建和评估虚拟样机,同时通过干涉检查结果以图、表、动画、电子表格等形式输出,形象直观地得到相应数据.
具体步骤为:保存文件后点击“应用”,菜单选择进入“运动”环境,在“方案浏览器”中新建一方案“Scenario_1”,依次将齿轮和齿条定义为“连杆刚体”;再依次为齿轮定义“旋转副”,为齿条定义“滑动副”;给驱动齿轮设定一个恒定驱动,速度值为10,其他运动副参数缺省.在驱动齿轮和齿条之间添加一个“齿轮齿条副”约束.运动约束设置完毕,下一步观察传动运动,打开“分析选项”对话框,选择“静力/动力分析”选项,然后设置动画“时间”和“步数”,确定后进入“动画仿真”对话框,在控制选项中单击“完整范围”三角按钮,整个装配组件按照传动设计意图由驱动齿轮带动齿条运动.若发现干涉或间隙过大等问题,可以及时修改零件模型,然后再进行分析直至满意为止.
4 结 论
基于UG 建立了汽车转向器参数化的实体模型,以满足用户不断修改并最终实现最优设计或变形产品设计的要求.对转向器进行运动学仿真分析,可及时修改零件模型,提高汽车转向器的设计水平和质量.
参考文献:
[1] 沈 健,李 森. UG在机械设计中的应用[J]. 机械工程与自动化,2007(2):43-45.
[2] 韦尧兵,聂文中. 基于UG的发动机曲轴连杆机构的虚拟设计与运动仿真[J]. 机电一体化,2005(1):46-48.
[3] 陈铁鸣.机械设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.
[4] 胡小康.UGNX2运动分析培训教程[M]. 北京:清华大学出版社,2005.
（责任编辑：李 华
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