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1、第 l 6卷第 2 期 2 0 0 9年 4月 兰州工业高等专科学校学报 J o u r n a l o f La n z h o u P o l y t e c h n i c C o l l e g e Vo 1 1 6 NO 2 Ap r 20 09 文章编号：1 0 0 9 2 2 6 9(2 0 0 9)0 2-0 0 2 5-0 4 基于 P r o E的渐开线齿轮参数化设计 安美玲(兰州工业高等专科学校 机械工程系，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要：通过渐开线直齿圆柱齿轮的参数化造型设计，介绍 了在 P r o E中进行参数化设计 的基本 方法与设计步骤，利用 P r o
2、 E软件 中的 P r o P r o g r a m模块进行 了二次开发，实现 了齿轮的参数化 设 计 关键词：P r o E,渐 开线齿轮；参数 化设 计 中图分类 号：TH 1 3 2 4 1 文献标识 码：A P r o E n g i n e e r 是 美 国 P T C公 司 开 发 的 优 秀 的三维设 计软件，它采 用基 于特征 的参 数化 技术，具有 产品 的三 维 设 计、分 析、仿 真、加 工 和 二 次 开 发 等功能 该 软件 已广 泛应 用 于机 械、电子、家 电、模具 等行业，是 目前 国 内使 用 最 广 泛 的 三维 设 计 软件 之一 渐开线齿轮 由于具有
3、传动 比恒定、受力方 向 不变、而且易 于 制 造、安 装 等 优 点，广 泛 应 用 于各 种减速器、车辆的变速箱等机械传动装置中，是现 代 机械 中最常见、最具 代 表 性 的一 种传 动 件L 1 传 统 的 二维 平 面设 计 方 式 已不 能满 足 C AD C AM C AE技 术的发 展，用 高 级 三维 设 计 软 件对 齿 轮 的 三维实体进行参数化设计显得非常必要 由于在 计算 机上对 零件 的虚 拟模 型进 行运 动 学 和 动力 学 仿真分 析 以及 采 用 数 控 机床 加 工 时，零 件造 型 的 准确性 直接影 响分 析结 果 和加 工精 度 因此，以 渐 开线直
4、 齿 圆柱 齿 轮 为 研 究对 象，实 现齿 轮 的 三 维 参 数化 设计，其 设 计 思 路 和 方法 同样 适 用 于 圆 锥 齿 轮及摆 线和 圆弧 等非 渐开线 齿轮 的设计 1 设计方法 1 1 渐开 线 曲线的 生成 齿轮参数 化设计 的关键 是渐开 线齿廓 的创*收稿日期：2 0 0 9 0 1 0 9 作 者简介：安美玲(1 9 6 4-)，女，甘肃兰州人，副教授 渐 开线 的 直角 坐标 方程 引 一 【O k t a n a I a f r b(c o s O+O s i n O)(2)一渐开线基 圆半径；一渐开线发生线在基圆上 E环境里 面方程式 中的角 度是 以角度
5、制来 计算 兰 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报 第 1 6 卷 的 因此在 P r o E中当要计算 t h e t a 值时将角度变 换为弧度制，当将 t h e t a带入方程参 与绘 图时，再 转换为角度制 利用“方程”绘制渐开线曲线时，应 将式(1)和式(2)转换成下列相应 的表达式 渐开线方程的极坐标表达式：r m*z*c o s(a l p h a)(2*c o s(4 5*t)t h e t a=t a n(4 5*t)*1 8 0 p i 一(4 5*t)z 一 0 渐开线方程的直角坐标表达式：r m*z*c o s(a l p h a)2 t he t a=t*9
6、 0 x r*C O S(t h e t a)+r*s i n(t h e t a)*t h e t a*(p i 1 8 0)y r*s i n(t h e t a)r*C O S(t h e t a)*t h e t a*(p i 1 8 0)Z=0 1 2设计思 路 普通的渐开线直齿圆柱齿轮的设 计参数有：模数 m、齿数 z、压力角 a l p h a、齿顶高系数 h a、顶 隙系数 C、齿宽 b等 这些参数决定了齿轮的齿廓 形状 和几 何 尺寸大小 改 变设 计 参数，可 改 变齿 轮 的形状 和尺 寸，实现 齿 轮的 参数 化 设计 因此在 齿 轮建模过程 中，将齿轮的几何参数和设计
7、参数加 以关联，每个特征的尺寸都由关系式约束，完成齿 轮的参数化建模 模型完成后，通过输入不同的模 数、齿数、压力角等设计参数可得到相应的齿轮模 型，实现齿轮 的参数化设计 P r o E提供 了用于 进行 参 数 化设 计 的 开发 工 具“参 数”、建 立参数 间 关 系式 的“关 系”工 具、创 建 复杂 曲线 的“方程编 辑器”以及 对 P r o E软件进 行 二次 开发 的 P r o P r o g r a m 功 能 因此 应 用 P r o E 来进 行齿轮 的参 数 化 设 计 时，利 用“参 数”工具 设 置齿轮的设计参数，“关 系”工具建立几何参数与 设计参数之间的约束
8、关系式，使用“方程编辑器”编辑渐开线公式，精确绘制渐开线曲线，用各种实 体特征工具 以及复制、阵列等操作 完成齿轮 的参 数化建模 最后利用 P r o P r o g r a m 二次开发功能 实现齿轮的参数化设计 2 设计 步骤。1)新建名为 g e a r 的 p r t 文件 2)设置参数 执行【工具 参数】命令，输入设计参数：模数 m；齿数 z；压力角 a l p h a；齿宽 b；齿顶高系数 h a 顶隙系数 C 3)绘制齿轮的基本 圆，并利用关 系式控制其 大小 草绘大小任意的表示齿根 圆、基圆、分度圆和 齿顶圆的四个 同心 圆，然后执 行【工具 关 系】命 令，在【关系】窗 口
9、中输入下列控制它们 大小 的关 系式 d o m*z 一 2*m*(h a+c)d 2=m x-z d 1 一 d 2*c o s(a l p h a)d 3 一 m*z+2*h a*m 4)创 建渐 开线基 准 曲线 本文在直角坐标 系中绘制渐开线 曲线，首先 执行【插入 基准 曲线】命令，选择【从方程】方式创 建基准曲线，然后选取默认坐标 系 P RT C S YS D E F I 和【笛卡尔坐标】，在【方程编辑器】记事本窗 口输 入渐开 线 方 程在 P r o E 中相 应 的表 达式，如 图 1所示 最 后保存、退 出记 事本，完成渐开线 曲 线 的绘制 Z 中心在原点 x-。C O
10、 S t 3 6 0，-4 s i n t 3 6 0)Z-口 r=p l-z c 0 s(a 1 p h a)，2 the tat*90 x。r C 0 5(t h e t a)+F m s i R t h e t al-t h e t a p i，1 8I)。r w s i n(t h e t a)一 r m c o s(t h e t a)m t h e t a*(p t l l 8)Z-0 图 1渐 开 线 晨 达 式 5)创建基准特征 创建过 4个 同心 圆圆心，且与这些 圆草绘平 面垂直的基准轴 A一 1；在分度圆和渐开线交点处 创建基 准 点 P NTO；以基 准 轴 A一1和
11、基 准 点 P NT 0为参照建立基准平面 D TM1；以基准轴 A 一 1 和基准平面 D T M1为参照，建立旋转角度为 4 5。E I 落 第 2 期 安美玲：基于 P r o E的渐开线齿 轮参数化设计 基准平面 DT M2，并输入关系式 d 7 9 0 z 控制基 准平面 D TM2的旋转角度 6)镜像渐开线 以基准平面 D T M2为镜像平面，镜像渐开线 曲线，见 图 2 图 2渐 开 线磊 准 曲 线 7)拉伸渐开线曲面，创建第一个齿廓 曲面 首 先执行【插入 拉伸】命令，然 后 单 击【图标】按 钮，选 择 F R ON T 为草 绘 平 面，进 人 草 绘 环 境，通过【使用
12、边】命令选取渐开线，修剪渐开线多余 部分，完成渐开线 截面绘制 最后将其 拉伸 成 曲 面，再在【关 系】窗 口 中定 义 控 制 拉 伸 厚 度 的关 系 式，完成 渐开线 齿廓 曲面 的创 建，见 图 3 图 3渐 开 线 齿 廓 曲面 8)延伸 曲面 选 取渐 开线 曲面与基 圆相 交 的边线，利 用【编 辑 延 伸】命令 将 其 延 伸 到 齿 根 圆 内，并 用 关 系式 控 制延 伸长度 9)复制 轮齿 曲面 以基准轴 A_ 1为旋转 中心，旋转角度任 意方 式旋转复制第一个齿廓曲面，并 由关系式控制两 轮齿之间的角度尺寸，完成第二个齿廓 曲面 的创 建 1 0)阵列生成所有齿廓曲
13、面 阵列上一步所创建 的齿廓 曲面，输 入控制阵 列数 目和阵列角度的关 系式，完成所有轮齿齿廓 曲面的创建 1 1)拉伸齿根圆柱面 以 F R ONT平 面 为 草绘 平 面，进 入 草 绘 环 境 后利用“使用边”命令选 取直径等于 d f 的圆创 建 拉伸截面；然后使用【插入 拉伸】命令，生成齿根 圆柱面，并 由关系式控制拉伸厚度 1 2)合并 曲面 首先按 C t r l 键，选 择第一个齿廓 曲面和齿根 圆柱面，利用【编辑 合并】命令，完成 曲面的合并 然后再次利用此命令，合并第二个齿廓 曲面和齿 根 圆柱面 1 3)完成 参 照阵列 利用“参照”方式阵列合并后 的曲面，完成其 他轮
14、齿与齿根圆柱面的合并，见图 4 图 4 阵列、合 并后 的齿 形曲面 1 4)拉 伸齿 顶 圆柱 面 利用【插人 拉伸】命令，选 择“封 闭端”复选 框，生成 两端 封闭 的齿 顶 圆柱 面，并 由关 系式控 制 拉伸厚度，其结果见图 5 图 5齿顶 圆柱 曲 面 1 5)合并曲面，并将合并后的曲面实体化 合并齿顶 圆柱面和齿形 曲面 利用【编辑 实 体化】命令，将合并后的曲面转变成实体特征 1 6)对轮齿进行倒圆角 1 7)创建其他特征 拉伸切除齿轮的轴孔、键槽，并用关 系式控制 相关 的尺寸 至此完成齿轮 的参数化精确建模，见 图 6 2 8 兰 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报
15、 第 l 6卷 图 6齿 轮 买体 模 型 3 齿轮的参数化设计 完成 齿 轮 的参 数 化 设 计 之后，就 可 以利 用 编 程的方法和更改参数值的方法设计新齿轮 3 1 利 用编 程的方 法设计新 齿轮E。P r o P r o g r a m 是 P r o E用 于二 次开 发 的一 个 模块，该模块将模 型树 中的每个特征 的信息记 录 下来，用户 仅需要 加 入相关语 法 指令，就可 以实现 参 数化设计 1)执行【工具一程序】命令，选择编辑设计，在 之 后 出 现 的【程 序 编 辑 器】窗 口 中 的 I NP UT 和 E ND I NP UT语 句 之 间 插入 下列 内
16、 容，然 后 保 存 并退 出【程 序编辑 器】窗 口 M n umbe r “请输 入齿 轮模 数：”Z nu m b e r “请输 入齿 轮齿 数：”B n umbe r “请输入齿宽：”h a n umbe r “请输入齿顶高系数：”C n 1 1 mbe r “请输入顶隙系数：”2)系统提示“是否将所做的修改体现到模型 中”，单击【是】，然后在弹出的【得到输人】菜单 中 选择【输入】，并在 I NP UT S E L l 菜单中选择【选 取 全部】3)根据系统提示分别输入模数、齿数、齿宽、齿顶高系数、顶隙系数等设计参数，完成齿轮的参 数化设计 3 2 更改参 数值 设计 新齿轮 在【
17、参数】对话框中直接更改齿轮的设计参数 模数、齿数、齿宽、齿顶 高系数、顶隙 系数 等的数 值，然后再生模型，完成新齿轮 的参数化设计 4 结语 通过参数和关系工具，将齿轮的几何参数用 设 计参 数加 以约 束，通 过 更 改 齿 轮 的设 计 参 数 实 现 齿轮 的参 数化设 计，不 仅 大大 缩 短 了设 计周 期，提 高 了后 期 制 造、装 配 的 精 度 也 为 有 限元 分 析、仿 真加 工提 供 了模 型基 础 参考 文献：1 朱景 梓，张 展，秦 立 国 渐 开线外 啮合 圆柱齿轮传 动 M 北京：国防工业 出版社，1 9 9 0 2 郑增铭，郭 攀成 机械力 学与 机械设计(
18、下 册)M 兰州：兰州大学 出版社，2 0 0 2 3 1 韩玉龙P r o E n g i n e e r Wi l d fi r e 3 0零 件设 计专业 教 程 M 北京：清华 大学 出版社，2 0 0 6 4 詹 友 刚P r o E n g i n e e r野火 版 3 0机 械设 计 教 程 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 8 5 李 淑丽，傅伟，袁强。等 渐开 线斜齿圆柱齿轮变 位系数极值研 究 J 兰 州工业 高 等专科 学校 学报，2 0 09 1 6(1)：37 4O P a r a me t r i c De s i g n o f I n v o l u t
19、 e Ge a r B a s e d o n P r o E AN M e i l i n g (Th e Me c h a n i c a l De p a r t me n t o f La n z h o u P o l y t e c h n i c C o l l e g e，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th i s p a p e r g i v e s t h e p a r a me t r i c d e s i g n o f i n v o l u t e s p u r g e a r，i n t
20、 r o d u c e s t h e b a s i c me t h o d s a n d s t e p s o f p a r a me t r i c d e s i g n i n P r o E T h e s e c o n d a r y d e v e l o p me n t b y u s i n g P r o P r o g r a m mo d u l e o f P r o E s o f t wa r e c a n a c h i e v e t h e p a r a me t r i c d e s i g n o f s p u r g e a r K e y w o r d s：P r o E；i n v o l u t e g e a r；p a r a me t r i c d e s i g n