基于SolidWorks的修形直齿锥齿轮设计系统

基于SolidWorks的修形直齿锥齿轮设计系统
刘太冉;崔焕勇;王海燕;田希杰
【摘要】以直齿锥齿轮为研究对象,结合直齿锥齿轮修形理论,在集成开发环境Visual Studio 2008中,基于三维机械CAD软件SolidWorks 2010平台,运用C#语言和SolidWorks中的API程序接口,开发修形直齿锥齿轮CAD设计系统.该设计系统可完成锥齿轮的参数化建模、齿轮对的自动装配以及锥齿轮的快速修形,大大提高了直齿锥齿轮的建模效率和齿轮修形效率,还可为CAM、CAE以及运动仿真分析提供精确的齿轮及齿轮对模型.
【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(028)006
【总页数】6页(P446-451)
【关键词】直齿锥齿轮;齿形修形;SolidWorks;C#;二次开发;CAD
【作者】刘太冉;崔焕勇;王海燕;田希杰
【作者单位】济南大学机械工程学院,山东济南250022;济南大学机械工程学院,山东济南250022;济南大学机械工程学院,山东济南250022;济南大学机械工程学院,山东济南250022
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.72;TH132.421
直齿锥齿轮用于圆周速度v＜5 m/s的低速相交轴传动，在各种车辆的差速器中，
采用直齿锥齿轮作为行星齿和半轴齿［1］。

为了降低齿轮对在啮合过程中的振动、噪声以及载荷分布不均等问题，需要对直齿锥齿轮进行齿形修形［2］。

结合渐开线直齿锥齿轮的修形理论［3-5］，在前期开发的直齿锥齿轮设计系统的基础上对修形直齿锥齿轮设计系统进行开发，该设计系统可以辅助快速完成直齿锥齿轮的建模、装配以及修形，大大提高了直齿锥齿轮修形效率，减少了重复劳动，同时为CAM、CAE以及运动仿真分析提供了精确的齿轮和齿轮对模型。

在直齿锥齿轮设计系统的基础上，添加装配和修形2个功能模块，基于三维软件SolidWorks 2010，在集成开发环境Visual Studio 2008中，运用C#语言对设
计系统进行开发。

1 开发平台和方法
设计系统是基于SolidWorks2010三维造型软件，在Visual studio 2008编程环境下，运用C#语言，通过SolidWorks软件中的API函数以及宏录制功能进行开发的。

C#是由Microsoft的Anders Hejlsberg设计的一种现代化的面向对象程序设计
语言［6］。

它继承了C和C++强大功能，同时去除了一些它们的复杂特性。

C#
综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率。

SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维机械CAD系统，提供了
强大的零件、装配、钣金建模及二维制图等设计功能，并提供了自由、开放、功能完整的API开发工具接口，而且可以支持多种语言的宏录制，便于进行二次开发［7］。

SolidWorksAPI为用户提供了完全面对对象的类体系，是一个自上而下的多层次
的树形网络结构，为用户提供了强大的二次开发接口，它包括对象的类型、属性和方法［8］。

参考SolidWorks二次开发的方法，采用编程法对设计系统进行开发［9-12］。

通过宏录制功能，将建模、装配以及修形等操作进行录制，将得到的宏录制代码进行分析，研究录制得到的API函数，将关键代码进行编辑、修改。

2 设计系统的总体设计
首先对系统进行需求分析，系统需要实现3个功能，分别是锥齿轮的建模、装配
和修形。

因此，设计系统包括3个功能模块，分别是直齿锥齿轮建模模块、直齿
锥齿轮装配模块和直齿锥齿轮修形模块。

系统的总体逻辑结构如图1所示。

直齿
锥齿轮建模模块可参见文献［13］。

图1 设计系统逻辑结构示意图
2.1 直齿锥齿轮装配模块
装配模块主要是实现直齿锥齿轮对的装配，为有限元分析、运动分析和干涉检查提供齿轮对模型，同时也可以对修形后的齿轮对进行装配。

装配模块的逻辑结构示意图如图2所示。

图2 装配模块逻辑结构示意图
用户首先选择需要装配的锥齿轮，然后设计系统会自动对锥齿轮之间添加装配关系，完成锥齿轮对的装配。

直齿锥齿轮对之间的配合关系如下:
1)行星齿轮和半轴齿轮的中心轴线分别与装配空间的垂直相交轴线重合。

2)行星齿轮和半轴齿轮的锥顶分别与装配空间的原点重合。

3)行星齿轮的齿廓中心面与半轴齿轮的齿槽中心面分别与装配基准面重合。

4)对行星齿轮和半轴齿轮添加机械配合中的“齿轮配合”。

首先，将装配过程通过宏录制进行录制，然后对代码进行相应的编辑和修改，通过程序对锥齿轮对之间添加装配关系。

同时，装配模块也预留出了ANSYS有限元分析软件的接口，可以实现对ANSYS的调用。

2.2 直齿锥齿轮修形模块
修形模块主要是辅助用户对直齿锥齿轮进行齿形修形，主要包括齿向等距修形和齿廓直线修行。

修形模块的程序流程图如图3所示。

图3 修形模块程序流程图
用户首先选择需要修形的齿轮，然后选择修形的方式，在用户交互界面上输入修形的位置和修形量，最后通过一些人机的交互操作，完成锥齿轮的修形。

2.2.1 齿向等距修形
齿向等距修形是在齿面的法线方向上修整出与原球面渐开线等距的齿面［3］。

新齿面取代原齿面进行配合，示意图如图4所示。

图4 齿向等距修形示意图
为了便于实现参数化，修形区域的廓型选择四边形，且四条边同锥齿轮截面齿形的4个点组成四边形的各边平行，示意图如图5所示。

根据修形理论，修形区域的范围为沿齿长方向60%，沿齿高方向50%，靠近小段齿宽方向1/3处［14］。

图5 齿向等距修形廓型示意图
2.2.2 齿廓修形
把齿轮的齿廓顶端或者齿根部分修去一部分，使得这段不再是球面渐开线，这种方法叫做齿廓修形［4］，示意图如图6所示。

BC为修形的起始线，S1、S2表示小端和大端的修形量，L1、L2表示小端和大端的修形高度。

图6 直齿锥齿轮齿廓修形示意图
齿廓修形的参数主要包括:齿廓修形量、修形高度和齿廓修形曲线。

修形量通过有限元分析得到，修形高度采用短修形，约为标准渐开线的1/3处，修形曲线采用直线修形［4］。

3 装配修形实例
3.1 设计系统菜单
添加菜单后，通过工具加载插件“修形直齿锥齿轮设计系统”，在菜单栏上出现
“修形直齿锥齿轮设计系统”菜单。

菜单采用触发式，用户点击之后出现下拉菜单，下拉菜单分别为“直齿锥齿轮建模模块”，“直齿锥齿轮装配模块”，“直齿锥齿轮修形模块”。

3.2 装配模块实例
单击“修形直齿锥齿轮设计系统”下拉菜单的“直齿锥齿轮装配模块”，出现装配模块用户界面。

用户首先选择需要装配的齿轮对，有2种方式，第1种是单击
“选择行星齿轮”按钮，出现一个打开文件的对话框，选择行星齿轮，点击“确定”后，会在右侧的文本框中自动生成行星齿轮的文件存储路径;第2种是用户自己在
文本框中手动输入齿轮的存储路径。

选择完成后，单击确定，SolidWorks中会自动生成一个装配环境，然后打开半轴齿轮和行星齿轮，系统会对齿轮对添加配合关系，自动完成齿轮对的装配。

装配完成后的齿轮对模型如图7所示。

装配完成后，单击“ANSYS分析”按钮，系统自动打开ANSYS有限元分析软件，用户可以将完成装配的齿轮对导入到ANSYS中进行有限元分析，从而得到修形量。

图7 齿轮对模型
3.3 修形模块实例
将装配模块生成的齿轮对模型，导入到ANSYS中进行有限元分析，得到修形量，修形位置根据现有的修形理论确定。

用户点击“直齿锥齿轮修形模块”菜单，即会出现修形方式选择菜单。

3.3.1 齿向等距修形实例
用户首先选择需要修形的齿轮，单击“选择修形齿轮”按钮，通过打开的文件对话框，选择行星齿轮，然后在修形方式中选择“齿向等距修形”。

点击确定，出现齿向等距修形参数输入界面，用户可自己输入参数，也可选择“默认参数”，如图8所示。

图8 选择齿向等距修形默认参数
然后单击“选择修形齿”按钮，出现文本提示框，如图9所示。

提示用户拾取修
形齿面上的一点，按照提示单击一点，然后点击“确定按钮”，则可以自动在齿面上修整出新的齿面，如图10所示。

图9 提示用户拾取齿面上一点界面
图10 完成齿向等距修形
3.3.2 齿廓直线修形实例
用户首先选择需要修形的齿轮，单击“选择修形齿轮”按钮，通过打开文件对话框，选择行星齿轮，然后在修形方式中选择“齿廓修形”。

点击“确定”，出现齿廓修形参数输入界面，用户可自己输入参数，也可选择“默认参数”，如图11所示。

图11 齿廓修形参数输入界面
点击确定按钮，则会出现齿廓修形人机交互操作界面，点击人机交互的每一步，会出现如图12所示的文本提示，同时程序会自动调整齿轮的位置，便于用户进行操作。

以第1步为例，如图13所示，用户点击第1步，在SolidWorks中的锥齿轮会显示单个齿形，用户按照提示即可完成齿廓修形。

图12 第1步提示信息
图13 小端添加AB
同样地单击第2步，出现图14所示的文本提示框，同时调整模型的显示位置，便于用户在大端绘制CD，按照提示进行操作，如图15所示。

图14 第2步提示信息
图15 大端添加“CD”
单击第3步，出现如图16的提示，按照提示完成放样曲面和曲面延伸，如图17
所示。

然后点击“完成修形”，则自动完成齿廓修形，单个齿形如图18所示，最终的齿轮模型如图19所示。

图16 第3步提示信息
图17 完成曲面放样和曲面延伸
图18 完成曲面切除
图19 齿廓修形后的行星齿轮
3.4 设计系统效率
传统的修形研究效率较低，首先要完成直齿锥齿轮的三维建模，包括一些参数的运算，通常情况下，完成锥齿轮的建模，至少需要几个小时，修形操作也需要用户手动进行操作，整个过程劳动量特别大，通过实例可以看到，设计系统可以很快的完成锥齿轮的建模、装配和修形，大大提高了修形研究的效率。

4 结论
基于SolidWorks开发的修形直齿锥齿轮设计系统，可以实现直齿锥齿轮的精确建模、自动装配以及辅助用户快速修形。

大大的提高了直齿锥齿轮修形研究的效率，减少了重复劳动，而且可以为有限元分析、运动仿真以及CAM提供精确的齿轮和齿轮对模型。

但是系统还存在一些问题，例如，修形量需要用户手动对齿轮对进行有限元分析进行确定。

因此，下一步考虑开发应力分析模块，辅助用户快速地得到修形量。

此外，修形模块还可以添加齿向修鼓以及齿廓圆弧曲线修形，这一部分的功能有待进一步开发和完善。

参考文献:
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［14］张方友，崔焕勇.渐开线直齿锥齿轮等距修形正交优化设计［J］.机械传动，
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