论述圆柱齿轮通用设计模板参数化设计

论述圆柱齿轮通用设计模板参数化设计
齿轮是机电产品的重要基础零件，在车辆齿轮传动、工业齿轮传动、齿轮装备的开发设计中，齿轮的开发设计无疑是一项繁重的工作。

随着计算机辅助设计(CAD)和计算机集成制造(CIM)技术的发展，产品的动态仿真、干涉检查、有限元分析、数控加工等计算机辅助工程(CAE)得以实现，而齿轮的精确建模是动态仿真、干涉检查、有限元分析、数控加工的前提。

美国PTC公司基于参数化和单一数据库技术开发的PRO／E软件，使产品的设计与更改变得简易灵活，应用PRO／E的参数化造型功能，不需二次开发，就可以直接设置参数，添加关系式，建立精确的参数化齿轮模型，避免了用圆弧替代渐开线的近似建模方法。

参数化建模可以提高建模的效率和准确性，从而使工程设计人员节约出大量的时间，用于解决其它技术课题。

参数化建模的关键是用参数，公式，表格，特征等驱动图形以达到改变图形的目的，参数化的目的是通过调整参数来修改模型，在原有基础上能十分方便地创建形状上相似的模型。

应用参数化设计便于实现系列化设计，可缩短产品研发周期，减少重复设计，降低研发成本。

通用圆柱齿轮的精确建模及参数化，难点在于：a.变位齿轮端面齿廓的精确绘制，b.螺旋线的绘制及左右旋向处理；c.斜齿轮轮齿特征的形成及直、斜齿轮通用化的实现；d.参数化驱动的建立。

渐开线变位斜齿轮参数化建模过程
1、创建PRT文件，在[工具]菜单中选择[参数]，在参数对话框中添加表1所列参数
2、在[工具]菜單中选择[关系]，在关系对话框中输入以下关系式
ha=1
／*定义齿高系数(ha*)
c=0.25
／*定义齿顶系数(c*)
d=m*z／cos(BETA)
／*定义分度圆直径
da=d+2*(ha+x)*m
／*定义齿顶圆直径
df=d-2*(ha+c-x)*m
／*定义齿根圆直径
db=m*z*cos(a)
／*定义基圆直径
r=0.38*m
／*定义齿根圆角
3、草绘圆
分别草绘分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆，并给每个草绘圆赋值d，da，df，db，使其参数化。

4、创建渐开线，镜像渐开线
创建基准曲线，在[曲线选项]菜单中选择[从方程]，确定后在[设置坐标类型]菜单中选择[笛卡尔]，然后在打开的记事本编辑器中输入如下渐开线方程alpha=40*t
theta=(tan(alpha)－alpha*(pi／180))*(180／pi)
rk=(db／2)／cos(alpha)
x=rk*cos(theta)
y=rk*sin(theta)
z=0
准确绘制变位斜齿轮端面齿廓曲线的关键是如何对已经生成的渐开线进行镜像处理。

创建步骤，a.在分度圆与已经生成的渐开线的交点处建立一个基准点，b.建立齿轮轴线；c.以齿轮轴线和基准点建立第一个基准面；d.以齿轮轴线和第一个基准面为参照，建立第二个基准面，与第一个基准面的夹角是θ=180／Z-90*(pi+4*X*tan(A))／z／pi；e以第二基准面为镜像平面，镜像渐开线，结果如图1所示。

5、创建齿廓曲线
以两个渐开线、齿顶圆及齿根圆为参照曲线，草绘齿廓曲线，并建立齿根圆角，添加关系令齿根圆角半径等于r，使其参数化。

6、创建螺旋线
在通过齿轮轴线的TOP平面上草绘一个斜直线，标注并添加关系，令斜直线与齿轮端面的夹角等于90-BETA，令斜直线的轴向长度等于B，完成后如图所示。

这样，当参数化驱动时，想要得到右旋斜齿轮，就在参数对话框里给BETA
赋正值，要想得到左旋斜齿轮，就给BETA赋负值。

如果想得到直齿轮，就给BETA赋值为0。

用[拉伸]命令创建分度圆曲面，然后用[投影]命令将前面建立的斜直线投影在分度圆曲面上，就形成了齿轮的螺旋线，螺旋角等于BETA，如图2所示。

7、创建齿坯
以草绘的齿顶圆为草绘曲线，拉伸出齿轮的齿坯。

8用可变剖面扫描工具切第一个齿槽
打开[可变剖面扫描工具]，并选择移除材料选项，如图所示。

然后先选择齿轮轴线，按住Ctrl键再选择螺旋线，在特征定义操控面板(图3)内单击‘参照’菜单，弹出对话框如图4所示。

进入草绘剖面环境，以步骤5)绘制的齿廓曲线为参照绘制剖面。

特征创建完成后如图5所示。

用[可变剖面扫描工具]创建斜齿轮轮齿的优点是只需要一个扫描截面，操作相对简单省时。

9、阵列齿槽
选择轴阵列的方式，对第一个齿槽进行阵列，生成其它轮齿，并对阵列角度和阵列数量添加关系，使其参数化，完成的模型如图6所示。

然后根据需要创建齿轮其它特征，如轴7L、键槽等。

10、参数化驱动的应用
对模型进行参数修改时，在[工具]菜单中选择[参数]，更改齿数，模数，变位系数，螺旋角等参数，更新数模，得到相应的右旋齿轮、左旋齿轮及直齿轮数模，见图7、图8和图9。

制作齿轮参数化设计模板
建立参数化模型之前，打开PRO／E安装目录下／Templates文件夹中的零件模板mmns_pan_solid.prt，将其保存副本到工作目录，命名为helical_gear.prt，然后打开helical_gear.prt，在该文件基础上进行齿轮的参数化设计，完成后，将该文件拷贝到PRO／E安装目录Templates文件夹下，这样就形成了一个齿轮三维模型的参数化零件设计模板。

11、结束语
精确的齿轮建模为齿轮开发的CAE、CAM等后续阶段创造了必要条件。

对于普通设计人员来说，要使用PRO／E提供的建模方法准确的进行齿轮三维造型也不是太容易的事，需要花费不少的时间来熟悉并记忆。

工程设计中，设计人员或标准化人员可应用此方法建立零件设计模板，设计时可以很方便的调入模板进行参数修改，得到所需要的精确模型，变繁杂为简单，大大提高了设计奖效率和准确性。

参考文献：
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社，2005.3.
[2]周四新等编著.Pro／ENGINEERWildfire2.0实例教程[M].机械工业出版社.
[3]曹德权，唐定勇.Pro／ENGINEERWildfire 2.O中文版基础设计[M].北京：电子工业出版社.
[4]杨学围.Pro＼ENGINEER Wildfire2.0中文版零件装配与工程图设计白金手册[M].北京：中国电力出版社.
[5]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京：机械工业出版社，2002.。