基于UG-NX6的漸開線斜齒圓柱齒輪參數化設計研究

李海濤，蔡建軍

（1.河北機電職業技術學院機械工程學院，河北邢臺 054048；2.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018）

基于UG-NX6的漸開線斜齒圓柱齒輪參數化設計研究

李海濤1，蔡建軍2

（1.河北機電職業技術學院機械工程學院，河北邢臺 054048；2.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018）

漸開線斜齒圓柱齒輪齒形輪廓復雜，其參數化設計困難。利用三維軟件UG-NX6對斜齒圓柱齒輪進行三維建模，實現了改變參數就立即得到相應的漸開線斜齒圓柱齒輪三維模型的參數化設計。對其他具有復雜表面形狀的形體參數化設計提供了參考。

參數化設計；漸開線斜齒圓柱齒輪；UG-NX6

以UG-NX6軟件為平臺，進行了漸開線斜齒圓柱齒輪（簡稱斜齒輪）參數化設計研究。運用軟件提供的“表達式”功能，成功繪制漸開線曲線。通過輔助坐標繪圖這一獨特方式，建立了同一齒槽中2條漸開線的關聯性。運用“插入／掃掠／掃掠”、“插入／關聯復合／抽取”及“插入／關聯復合／實體特征／圓形陣列”等命令，進行斜齒輪的三維建模，改變了“旋轉成型法”建模過程復雜、處理速度慢的缺點［1］，最終實現了斜齒輪參數化設計，同時給其他具有復雜表面輪廓零件的參數化設計提供了參考。

1 齒槽輪廓體的參數化建模

1.1 漸開線表達式的輸入

齒輪的一個齒槽包括2條漸開線，要實現齒槽漸開線輪廓的參數化繪圖，有2個重要角度必須進行計算，分別是：ct＝180×tanα／π－α（α為壓力角）；ct1＝180／z－2ct（z為齒數）［1］。兩角度標注如圖1所示。

運用UG-NX6軟件的“表達式”功能，可以繪制標準的漸開線曲線。在“模型”模塊中，點擊“工具／表達式”命令，彈出表達式設定對話框，然后依次輸入表1所列表達式并設定單位（表達式的值可以暫定）。

表1 參數表達式Tab.1 Expression sets

1.2 繪制齒槽的兩漸開線及齒槽螺旋軌跡線

進入草圖區，在XC-YC平面畫1個圓，約束圓心在原點，直徑為“db”，如圖2所示。返回“模型”模塊，運用“插入／基準／基準CSYS”命令建立一個新的輔助參考坐標系，在“基準CSYS對話框”中選擇“偏置CSYS”項，使ZC軸旋轉一個“－ct1”角度建立新的輔助參考系。使用“插入／曲線／規律曲線”命令（如果找不到，可到“工具／定制／命令”中查找，并拖曳到菜單項目中），定義X分量為“xt”，Y 分量為“y1t”，Z 分量為常數（值取0）［1－2］，繪制漸開線1，如圖2所示。同理，定義X分量為“xt”，Y 分量為“y2t”，Z 分量為常數（值取0），設定“CSYS參考”選項時，須選擇新建輔助參考系，繪制漸開線2，如圖2所示。

進入“模型”模塊，執行“插入／曲線／螺旋線”命令，在彈出的對話框內輸入圈數為0.08，螺距輸入為“p”，選擇“輸入半徑”的方式，長度輸入為“d／2”，確定后生成齒槽螺旋軌跡線，如圖2所示。

1.3 構建齒槽切割片體

進入草圖區，在XC-YC平面內畫1個圓，約束圓心在原點，標注直徑為“df”，此圓為齒根圓。齒根處輪廓的繪制方式有2種。第1種：當齒數z≤41（從漸開線起點到齒根圓是直線），此時，先畫兩漸開線起點到圓心的連接直線，再反復運用“快速修剪”命令剪掉不屬于齒槽輪廓的多余線段，點擊“完成草圖”；執行“插入／掃掠／掃掠”命令，隨后彈出掃掠對話框，根據提示選擇兩漸開線和剛畫好的草圖作為“截面”曲線串，選擇螺旋線為“引導線”，“截面選項”中定位方法改為“矢量方向”，選擇矢量“Z軸”，單擊確定后就形成5個曲面片體［1－2］；最后運用“插入／組合／縫合”命令把它們縫合，形成一個齒槽切割片體，如圖3a）所示。第2種：當齒數z＞41（齒根部分的輪廓是漸開線曲線），此時，再次進入草圖區畫一圓弧，約束圓心在原點，標注直徑為“df”，特別要注意保證有足夠的弧長（否則不會產生與漸開線片體的相交，建議畫成半圓）；重復第1種情況中的掃掠步驟，分3次生成3個曲面片體（必須單獨執行3次掃掠命令，否則不能完成后面的“修剪體”操作）；用“插入／修剪／修剪體”命令，剪去不屬于齒槽的多余部分；最后運用“插入／組合／縫合”命令縫合形成一個齒槽切割片體，如圖3b）所示。

圖3 齒槽切割片體Fig.3 Cut of tooth space

1.4 切割齒槽輪廓并抽取齒槽輪廓體特征

進入草圖區，在XC-YC平面內畫1個圓，約束圓心在原點，標注直徑為“da”。以此草圖為截面，拉伸一個圓柱實體，高度為30；用“插入／修剪／修剪體”命令切割齒槽輪廓。緊接著執行“插入／關聯復制／抽取”命令（否則不能完成后期的布爾運算），選擇“體”選項，并選擇“隱藏原先的”選項，選取生成的齒槽輪廓后點擊“確定”，以抽取齒槽輪廓體特征。

2 斜齒輪參數化模型的構建

再次拉伸一個圓柱實體，直徑為“da”，高度為30。運用“插入／組合體／求交”命令與前面生成的齒槽輪廓進行布爾運算，生成斜齒輪槽體。執行“插入／關聯復制／實體特征／圓形陣列”命令，選擇齒槽特征，輸入陣列數量為z，角度為360／z，基準軸選擇ZC軸，點擊“確定”，生成斜齒輪模型。此外，齒輪安裝孔及鍵槽等結構的建模比較簡單，可以根據具體設計需要確定。現在如果改變斜齒輪的參數，就立即得到相應的模型，實現了參數化設計，如圖4所示。

圖4 改變參數后生成的斜齒輪三維模型Fig.4 Three-dimensional model of helical gear after changing parameters

3 結果與討論

1）當齒數接近41時，齒根圓與基圓半徑相差很小，這時須提高計算精度［1－3］。

2）本文第1.2節中，建立了一個新的參考系，是為畫漸開線2做準備的。在“基準CSYS”對話框中選擇“偏置CSYS”項，參考“WCS”生成新的坐標系，可以方便地實現新參考系的建立。

3）本文第1.3節中，在“插入／掃掠／掃掠”命令對話框的“截面選項”中定位方法必須選擇“矢量方向”選項，否則不能生成所需要的齒槽切割效果。

4）建模時必須先抽取特征，否則不能完成布爾運算。

5）重新編輯“螺旋線”的旋轉方向，就可以改變齒輪旋向。

4 結 語

UG系統功能強大，在零件設計及現代化加工制造中得到業內設計人員的一致認同。筆者借鑒了前人運用UG軟件進行參數化設計的諸多經驗，以UG-NX6為平臺完成了斜齒輪的參數化建模，總結并提出了其中的難點問題及解決方法。

［1］ 文立閣，侯洪生，張秀芝.利用UG對漸開線斜齒圓柱齒輪參數化設計［J］.現代制造工程（Modern Manufacturing Engineering），2009（1）：33-35.

［2］ 文立閣，李建橋，張春華.基于UG的圓柱直齒輪參數化設計［J］.制造技術與機床（Manufacturing Technology and Machine Tool），2008（3）：46-48.

［3］ 趙向前，徐洪濤.基于 UG4.0的斜齒圓柱齒輪的三維精確參數化建模［J］.金屬加工（Machinist Metal Cutting），2008（2）：73-74.

［4］ 劉順芳，曹慧琴，董金華.基于Pro／E參數化技術的三維建模方法［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2011，32（1）：57-59.

［5］ 王學永.斜齒圓柱齒輪傳動的模糊可靠優化設計［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2005，26（4）：299-302.

Parameterized design of cylindrical involute helical gear by using UG-NX6

LI Hai-tao1，CAI Jian-jun2
（1.Department of Mechanical Engineering，Hebei Institute of Mechanical and Electrical Technology，Xingtai Hebei 054048，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Cylindrical involute helical gear has complex tooth profile，so it is difficult to conduct parameterized design.3Dsoftware UG-NX6is introduced to conduct 3Dmodeling for cylindrical involute helical gear.By this modeling method，the figure of corresponding cylindrical involute helical gear can be obtained immediately after changing the parameters.The method provides a reference for parameterized design of other bodies with complex surface profile.

parameterized design；cylindrical involute helical gear；UG-NX6

TH132.41

A

1008-1542（2011）04-0330-03

2011-03-05；

2011-04-18；責任編輯:馮 民

李海濤（1977-），男，河北定州人，講師，碩士，主要從事機械制造及其自動化方面的研究。