参数化齿轮精确造型及有限元

Value Engineering

0引言

齿轮传动可用来传递空间任意两轴间的运动和力，其传动可靠、准确、使用寿命长的特点而被广泛应用于各个

领域。这种广泛性决定着齿轮类零件的设计量是非常巨大的，国家的相关规定已经规定了齿轮的形状和结构及规格尺寸，它的系列化特点是比较明显的，这使齿轮的设计及分析计算的重复性比较明显，所以，齿轮设计中运用到参数化技术，可以有效地减少设计周期，使齿轮传动设计具有更高的质量。

齿轮传动最常见的失效形式有轮齿折断和齿面点蚀。本文利用Pro/E 对齿轮进行精确参数化建模，在此基础上利用Pro/E 与ANSYS 的无缝连接，将模型导入到ANSYS 中对其进行齿面接触强度和齿根弯曲强度的有限元分析，解决以往齿轮建模过程繁琐和设计参数不合理的问题，提高产品的设计效率和品质。

1齿轮精确的参数化建模

Pro/E 软件的主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计和全数据相关。它彻底克服了自由建模的无约束状态，因此是比较理想的参数化造型工具。基于Pro/E 的参数化设计过程如图1所示。

1.1设置参数利用Pro/E 进行齿轮造型时，首先要进行齿轮的初步设计，定制基本参数。和齿轮主体造型相关的最基本参数有齿数z 、模数m 、压力角α、齿顶高系数ha*和顶隙系数c*。当需要不同种渐开线齿轮齿廓时，只需要改变齿轮的这些参数，并通过设置数

学关系式计算出其它相关数据，比如齿顶圆直径（半径）、齿根圆直径（半径）、分度圆直径（半径）等，然后再生即可，而无需再重新建立模型。

1.2创建基本曲线一个完整的轮齿齿廓最基本的就

是要包括以下四部分：齿顶曲线、

工作齿廓、齿廓过渡曲线和齿沟曲线。齿顶曲线包含在齿顶圆中，工作齿廓部分的曲线为一段渐开线，齿廓过渡曲线为一段长幅外摆线。所以，要想成功建立模型，首先要找好渐开线和过渡曲线。

1.2.1Pro/E 中工作齿廓渐开线根据渐开线基本方程，在Pro/E 中渐开线的直角坐标方程为：

r=db/2准=t ·90°s=π·r ·t/2x=r ·cos （准）+s ·sin （准）y=r ·sin （准）-s ·cos （准）z=!#######

#"########

$

0式中：db 为基圆半径，β为中间变量；t 从0变到1。1.2.2齿廓过渡曲线在加工中过程中将自动形成齿轮齿根部分，其形状要看刀具的形状。实际加工制造的齿轮受到加工刀具半径的影响，齿槽根部不是尖角而是过渡圆角。要想使加工出的齿根部位应力适中，那么当齿顶高系数＜1时，齿根圆角半径为0.46*m ；否则，齿根圆角半径为0.38*m （m 表示的是齿轮模数）。

1.3齿轮三维参数化造型通过Pro/E 建立一个精确的参数化齿轮模型。第一步是将部分齿数、模数、压力角等设置成可输入的参数；第二步是通过运用齿廓的方程得到精确的齿廓渐开线和过渡曲线；第三步是通过阵列的方法

生成其它的齿；第四步是生成齿轮的轴孔、

辐板、轮缘等结构特征。这样经过四步努力就可以得到一个完整的齿轮模型了，图2即为建立参数化齿轮模型的流程图。

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—基金项目：西安工业大学校长科研基金项目（XAGDXJJ 0602）。作者简介：王宇辉（1973-），女，浙江余姚人，西安工业大学光电

学院，讲师，硕士，研究方向为图像处理。

参数化齿轮精确造型及有限元分析

Precision Parametric Model and FEM Analysis of Gear

王宇辉WANG Yu-hui ；国蓉GUO Rong

（西安工业大学光电工程学院，西安710032）

（The Opto-Electronics Engineering College of Xi'an Technological University ，Xi'an 710032，China ）

摘要：Pro/E 具有强大的参数化设计功能，我们可以利用这一点来对圆柱齿轮进行精确的参数化建模。通过修改基本参数，能够

很快的生成所需齿轮，设计效率也就变高了。然后通过Pro/E 与ANSYS 之间的无缝链接，将模型导入ANSYS 中，利用有限元法对齿

轮进行齿根弯曲强度应力分析。发挥了Pro/E 的建模优势和ANSYS 突出的有限元分析优势，能够很好地缩短设计周期，提高齿轮传动设计的质量，为进一步齿轮传动的优化设计奠定了基础。

Abstract:Precision parametric model of cylindrical gears can be made by Pro/E with strong parametric design features.By modifying the basic parameters,required gear can quickly generate.The way can improve the design efficiency.Then through seamless connection between the Pro/E and ANSYS,the model can be into ANSYS.By the finite element method,tooth root bending strength stress of gear can be analysis.Play modeling advantages of Pro/E and finite element analysis advantages of ANSYS,it is able to shorten the design cycle,improve the quality of gear transmission design.And it provides the basis for further optimization design of gear transmission.

关键词：齿轮；参数化；Pro/E ；有限元Key words:gear ；parametric ；Pro/E ；FEM 中图分类号：TH132文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）32-0029-03

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