基于UG-NX6的漸開線斜齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

李海濤，蔡建軍

（1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北邢臺 054048；2.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

基于UG-NX6的漸開線斜齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

李海濤1，蔡建軍2

（1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北邢臺 054048；2.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

漸開線斜齒圓柱齒輪齒形輪廓復(fù)雜，其參數(shù)化設(shè)計(jì)困難。利用三維軟件UG-NX6對斜齒圓柱齒輪進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)了改變參數(shù)就立即得到相應(yīng)的漸開線斜齒圓柱齒輪三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。對其他具有復(fù)雜表面形狀的形體參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了參考。

參數(shù)化設(shè)計(jì)；漸開線斜齒圓柱齒輪；UG-NX6

以UG-NX6軟件為平臺，進(jìn)行了漸開線斜齒圓柱齒輪（簡稱斜齒輪）參數(shù)化設(shè)計(jì)研究。運(yùn)用軟件提供的“表達(dá)式”功能，成功繪制漸開線曲線。通過輔助坐標(biāo)繪圖這一獨(dú)特方式，建立了同一齒槽中2條漸開線的關(guān)聯(lián)性。運(yùn)用“插入／掃掠／掃掠”、“插入／關(guān)聯(lián)復(fù)合／抽取”及“插入／關(guān)聯(lián)復(fù)合／實(shí)體特征／圓形陣列”等命令，進(jìn)行斜齒輪的三維建模，改變了“旋轉(zhuǎn)成型法”建模過程復(fù)雜、處理速度慢的缺點(diǎn)［1］，最終實(shí)現(xiàn)了斜齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)給其他具有復(fù)雜表面輪廓零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 齒槽輪廓體的參數(shù)化建模

1.1 漸開線表達(dá)式的輸入

齒輪的一個(gè)齒槽包括2條漸開線，要實(shí)現(xiàn)齒槽漸開線輪廓的參數(shù)化繪圖，有2個(gè)重要角度必須進(jìn)行計(jì)算，分別是：ct＝180×tanα／π－α（α為壓力角）；ct1＝180／z－2ct（z為齒數(shù)）［1］。兩角度標(biāo)注如圖1所示。

運(yùn)用UG-NX6軟件的“表達(dá)式”功能，可以繪制標(biāo)準(zhǔn)的漸開線曲線。在“模型”模塊中，點(diǎn)擊“工具／表達(dá)式”命令，彈出表達(dá)式設(shè)定對話框，然后依次輸入表1所列表達(dá)式并設(shè)定單位（表達(dá)式的值可以暫定）。

表1 參數(shù)表達(dá)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(jìn)入草圖區(qū)，在XC-YC平面畫1個(gè)圓，約束圓心在原點(diǎn)，直徑為“db”，如圖2所示。返回“模型”模塊，運(yùn)用“插入／基準(zhǔn)／基準(zhǔn)CSYS”命令建立一個(gè)新的輔助參考坐標(biāo)系，在“基準(zhǔn)CSYS對話框”中選擇“偏置CSYS”項(xiàng)，使ZC軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)“－ct1”角度建立新的輔助參考系。使用“插入／曲線／規(guī)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(xiàng)目中），定義X分量為“xt”，Y 分量為“y1t”，Z 分量為常數(shù)（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(shù)（值取0），設(shè)定“CSYS參考”選項(xiàng)時(shí)，須選擇新建輔助參考系，繪制漸開線2，如圖2所示。

進(jìn)入“模型”模塊，執(zhí)行“插入／曲線／螺旋線”命令，在彈出的對話框內(nèi)輸入圈數(shù)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(gòu)建齒槽切割片體

進(jìn)入草圖區(qū)，在XC-YC平面內(nèi)畫1個(gè)圓，約束圓心在原點(diǎn)，標(biāo)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(dāng)齒數(shù)z≤41（從漸開線起點(diǎn)到齒根圓是直線），此時(shí)，先畫兩漸開線起點(diǎn)到圓心的連接直線，再反復(fù)運(yùn)用“快速修剪”命令剪掉不屬于齒槽輪廓的多余線段，點(diǎn)擊“完成草圖”；執(zhí)行“插入／掃掠／掃掠”命令，隨后彈出掃掠對話框，根據(jù)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(dǎo)線”，“截面選項(xiàng)”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(gè)曲面片體［1－2］；最后運(yùn)用“插入／組合／縫合”命令把它們縫合，形成一個(gè)齒槽切割片體，如圖3a）所示。第2種：當(dāng)齒數(shù)z＞41（齒根部分的輪廓是漸開線曲線），此時(shí)，再次進(jìn)入草圖區(qū)畫一圓弧，約束圓心在原點(diǎn)，標(biāo)注直徑為“df”，特別要注意保證有足夠的弧長（否則不會產(chǎn)生與漸開線片體的相交，建議畫成半圓）；重復(fù)第1種情況中的掃掠步驟，分3次生成3個(gè)曲面片體（必須單獨(dú)執(zhí)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(yùn)用“插入／組合／縫合”命令縫合形成一個(gè)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(jìn)入草圖區(qū)，在XC-YC平面內(nèi)畫1個(gè)圓，約束圓心在原點(diǎn)，標(biāo)注直徑為“da”。以此草圖為截面，拉伸一個(gè)圓柱實(shí)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(zhí)行“插入／關(guān)聯(lián)復(fù)制／抽取”命令（否則不能完成后期的布爾運(yùn)算），選擇“體”選項(xiàng)，并選擇“隱藏原先的”選項(xiàng)，選取生成的齒槽輪廓后點(diǎn)擊“確定”，以抽取齒槽輪廓體特征。

2 斜齒輪參數(shù)化模型的構(gòu)建

再次拉伸一個(gè)圓柱實(shí)體，直徑為“da”，高度為30。運(yùn)用“插入／組合體／求交”命令與前面生成的齒槽輪廓進(jìn)行布爾運(yùn)算，生成斜齒輪槽體。執(zhí)行“插入／關(guān)聯(lián)復(fù)制／實(shí)體特征／圓形陣列”命令，選擇齒槽特征，輸入陣列數(shù)量為z，角度為360／z，基準(zhǔn)軸選擇ZC軸，點(diǎn)擊“確定”，生成斜齒輪模型。此外，齒輪安裝孔及鍵槽等結(jié)構(gòu)的建模比較簡單，可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)需要確定。現(xiàn)在如果改變斜齒輪的參數(shù)，就立即得到相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

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

3 結(jié)果與討論

1）當(dāng)齒數(shù)接近41時(shí)，齒根圓與基圓半徑相差很小，這時(shí)須提高計(jì)算精度［1－3］。

2）本文第1.2節(jié)中，建立了一個(gè)新的參考系，是為畫漸開線2做準(zhǔn)備的。在“基準(zhǔn)CSYS”對話框中選擇“偏置CSYS”項(xiàng)，參考“WCS”生成新的坐標(biāo)系，可以方便地實(shí)現(xiàn)新參考系的建立。

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

4）建模時(shí)必須先抽取特征，否則不能完成布爾運(yùn)算。

5）重新編輯“螺旋線”的旋轉(zhuǎn)方向，就可以改變齒輪旋向。

4 結(jié) 語

UG系統(tǒng)功能強(qiáng)大，在零件設(shè)計(jì)及現(xiàn)代化加工制造中得到業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員的一致認(rèn)同。筆者借鑒了前人運(yùn)用UG軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的諸多經(jīng)驗(yàn)，以UG-NX6為平臺完成了斜齒輪的參數(shù)化建模，總結(jié)并提出了其中的難點(diǎn)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(shù)化設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)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(shù)化設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)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(shù)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(shù)化技術(shù)的三維建模方法［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2011，32（1）：57-59.

［5］ 王學(xué)永.斜齒圓柱齒輪傳動的模糊可靠優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（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(zé)任編輯:馮 民

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