基于Creo 2.0的漸開線圓柱齒輪精確建模分析

2020-08-01 09:16:04盛楠

機械工程師 2020年7期

盛楠

（合肥工業大學汽車工程技術研究院，合肥230009）

0 引言

在現代產品設計中三維建模軟件的應用越來越普遍。對于相似零件的三維建模常常采用參數化建模。參數化設計靈活簡便，通過修改參數便可快速重構。模型可直觀地反映零件的外部形狀與內部結構，在虛擬裝配中能精確地反映零件之間的裝配關系，大幅提高了設計效率。通過信息交互技術，模型可直接導入仿真軟件中進行分析校核。

在傳動系統設計中，齒輪是最常見的需要參數化建模的零件之一，但目前各文獻中討論最多的還是標準圓柱齒輪的建模。在實際應用中，為了提高齒面接觸強度、齒根抗彎強度，避免根切，提高傳動性能及得到不同中心距等，常使用變位齒輪。但是，在Creo2.0軟件中使用標準圓柱齒輪的建模方法進行變位圓柱齒輪的建模時會生成錯誤的模型，并不適用。

1 標準圓柱齒輪參數化建模

以應用Creo 2.0軟件繪制外嚙合標準直齒圓柱齒輪為例，目前各文獻中所介紹的參數化建模的主要步驟為：1）在軟件中設置圓柱齒輪的齒數、模數等基本參數。2）草繪齒輪的齒頂圓、分度圓、齒根圓和基圓，根據齒輪幾何尺寸計算公式在軟件中設置參數方程，如圖1所示。3）設置漸開線參數方程生成齒形曲線，如圖2所示。根據齒輪參數建立鏡像平面，生成另一側的齒形曲線，與齒頂圓、齒根圓共同構造出單個齒形。4）拉伸齒根圓與單個齒形成實體，根據齒數對齒形實體進行陣列，最后構造出圓柱齒輪零件實體模型，本文不再贅述。

圖1 齒輪幾何尺寸參數方程設置

圖2 齒廓漸開線方程設置

由外嚙合標準直齒圓柱齒輪傳動幾何尺寸計算公式可知，其齒頂圓、分度圓、齒根圓與基圓的直徑是由模數、齒數、壓力角、齒頂高系數、頂隙系數等5個參數確定的，齒廓漸開線曲線是由基圓的幾何尺寸確定。因此，對于外嚙合標準圓柱齒輪來說，只要根據需求修改這5個參數就可以得到相應的圓柱齒輪模型，實現參數化建模。

2 變位圓柱齒輪建模

2.1 建模誤差分析

外嚙合標準圓柱齒輪的分度圓齒厚與分度圓齒槽寬相等[1]，即

式中：s為分度圓齒厚；e為分度圓齒槽寬；m為模數。

因此，齒數為z的標準圓柱齒輪分度圓齒厚對應的圓心角計算公式為

式中，γ為分度圓齒厚對應的圓心角。

在齒形建模過程中，先使用漸開線方程生成一側齒廓曲線，另一側的齒廓曲線通過所創建的鏡像平面生成。漸開線齒廓曲線與分度圓交點處新建點PNT1，通過點PNT1與圓柱齒輪中心軸新建平面DTM1，通過中心軸建立齒廓曲線的鏡像平面DTM2，由式（2）可知DTM2平面與DTM1平面的夾角為γ/2，即90°/z。

變位圓柱齒輪與標準圓柱齒輪相比，其模數、齒數、壓力角均無變化，由幾何尺寸計算公式可知，兩者基圓相同。由于基圓未變，因此其齒廓曲線為相同的漸開線，只是正變位齒輪用曲率半徑較大的一段漸開線，而負變位齒輪用曲率半徑較小的一段漸開線[2]。正變位圓柱齒輪由于齒廓曲線段距基圓較遠，齒頂圓與齒根圓直徑相應增大，分度圓齒厚與齒根圓齒厚都增大，齒根高減小，齒頂高增大，齒頂變尖。負變位圓柱齒輪，齒廓曲線段距基圓較近，分度圓齒厚和齒根圓齒厚都減小，齒頂圓和齒根圓直徑減小，齒根高增大，齒頂高減小。

將外嚙合標準圓柱齒輪參數化建模方法應用于變位圓柱齒輪建模時，在構造單個齒形階段可能會出現由于正變位系數較大，齒頂圓直徑相應增大，齒廓漸開線交點在齒頂圓之內，導致無法生成齒形的問題，如圖3所示。

圖3 鏡像平面錯誤導致無法生成齒形

變位圓柱齒輪的分度圓齒厚相對于標準圓柱齒輪的變化量為2xmtan α，齒根變化量為xm[3]；其中變位系數x的正負值根據正變位（x>0）或負變位（x<0）來確定。

2.2 變位漸開線圓柱齒輪建模實例

以本單位動力換擋模塊中一個外嚙合變位圓柱齒輪為例，應用Creo 2.0軟件建模，齒輪的各相關參數如表1所示。

表1 外嚙合變位圓柱齒輪參數表

在Creo 2.0軟件的參數表中定義已知圓柱齒輪參數的符號與數值，同時定義的有齒頂圓、分度圓、齒根圓、基圓等變量的符號。根據外嚙合變位圓柱齒輪的幾何尺寸計算公式，在“關系”中編輯齒頂圓、分度圓、齒根圓、基圓的約束方程。

繪制漸開線齒形時鏡像平面的偏轉角度按式（8）設置，生成鏡像齒廓曲線后草繪單個齒形。按齒寬拉伸齒輪本體和單個齒形，根據齒數陣列齒即完成外嚙合變位圓柱齒輪建模，如圖4所示。

圖4 外嚙合變位圓柱齒輪模型

本實例的建模對象是外嚙合變位直齒圓柱齒輪。外嚙合斜齒圓柱齒輪多了一個螺旋角參數，在進行幾何尺寸計算時由法向模數mn、齒數z、法向壓力角αn、螺旋角β等參數參與計算，且變位斜齒圓柱齒輪與標準斜齒圓柱齒輪的分度圓、基圓直徑相同。因此在建模過程中，按變位斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計算公式設置約束方程，構造單個齒形齒廓曲線與齒廓曲線鏡像平面的設置與直齒圓柱齒輪相同。