圆锥齿轮参数化技术探讨及其Pro/E 建模浅析

罗 斐

（湖南科技经贸职业学院，湖南衡阳 421001）

由于渐开线齿轮的齿形较复杂，目前大多数三维建模系统都不能直接生成齿轮的三维轮廓，一些低端的CAD 软件在生成齿形齿廓这一关键步骤时，都是根据给定的齿轮参数通过β样条曲线等来拟合渐开线，这样的线条曲线只是近似的渐开线。近年来，随着Pro/E 软件的广泛应用，人们开始尝试利用Pro/E 的功能特点来研究渐开线齿轮的参数化造型。目前的报道大多探讨的是渐开线直齿、斜齿轮的参数化造型，关于圆锥齿轮的参数化造型报道较少，其主要原因在于锥齿轮参数化造型一直是一个难点，本文就此提出利用Pro/E 进行圆锥齿轮参数化造型的方法。

1 圆锥齿轮造型特点

利用Pro/E 进行圆锥齿轮参数化造型时，首先需进行齿轮的初步设计，创建用户参数，如：齿轮模数m，齿轮齿数z，与之啮合的齿轮齿数zam，齿轮压力角angle，齿轮宽度b，分度圆锥角long，分度圆直径d，齿顶圆直径da，齿根圆直径df，基圆直径db，圆角半径fillet，轴径shaft_dia，键槽宽key_width，键槽高 key_height。其中，m、z、zam、b、fillet、shaft_dia、key_width、key_height 可任意变化。

为了达到锥齿轮的各项技术要求，需考虑齿轮各项参数的改变，这些参数与齿轮的尺寸、形状、位置之间以各种方程式关联，每个参数的改变都会引起齿轮的改变。利用Pro/E 中的记事本编辑功能，通过编辑程序能很精确地生成渐开线齿轮的三维实体。

2 圆锥齿轮参数化模型的建立

2.1 建模思路

本设计创建的是一个由用户参数通过关系式控制的锥齿轮模型，其设计流程见图1。首先创建用户参数，然后利用渐开线方程创建基准线，在基准曲线基础上创建拉伸曲面，再由拉伸曲面构建齿型槽轮廓，旋转一特定角度后，通过扫描混合切削特征构造锥齿轮的齿型，最后再阵列。每一步创建的特征都由用户参数、关系式进行控制，最终的模型就是一个完全由用户参数控制的模型。通过编辑的方法，将参数转化为输入提示，只要用户按提示输入模数、齿数、与之啮合的齿轮齿数、齿宽，系统会马上生成符合要求的新产品。

图1 圆锥齿轮参数化设计流程

2.2 建立模型设计的数学关系

在零件模型关系对话框的RELATIONS 添加如图2 所示的关系式[1]。

图2 关系对话框

2.3 在Pro/E 环境下创建参数化模板文件

利用野火版Pro/E 创建锥齿轮参数化模板文件时，建模的关键和难点是阵列部分，下面就此进行详述[2]。

步骤1：创建如图3 所示的旋转复制特征。

图3 创建复制特征

（1）选择下拉菜单编辑（E）→特征操作（O）命令，系统弹出如图4 所示的菜单管理器。

（2）在菜单管理器中选择Copy（复制）命令，此时菜单管理器如图5 所示。在菜单中，选择Move（移动）命令、Select（选取）命令、Dependent（从属）命令、Done（完成）命令。

（3）选取前两步创建的要复制的扫描混合切削特征和圆角特征，然后选择Done（完成）命令。

（4）选取“旋转”复制子命令。在如图6 所示的菜单中，选择Rotate（旋转）命令。在如图7 所示的菜单中，选择Csys（坐标系）命令，再选取默认坐标系PRT-CSYS-DEF 作为旋转方向参考。

图4 复制菜单管理器

图5 属性选取

图6 菜单管理器

图7 属性选取

（5）选取Z轴，以图8 所示的方向为正方向，输入角度为10（角度值可任意输入，以后将由关系式控制），然后选择Done Move（完成移动）命令。

（6）完成以上操作后，系统弹出组元素对话框（图9），在组可变尺寸菜单中选择Done（完成）命令。

（7）完成复制。单击“组元素”对话框下部的确定按扭。

图8 选择的元素

图9 “组元素”对话框

步骤2：在零件模型中创建关系。

创建上一步拉伸曲面深度关系式：d21=360/z。完成关系定义后，单击再生图标，再生模型。

步骤3：添加如图10 所示的特征阵列。

（1）在模型树中单击上一步创建的旋转复制特征，再右击，从弹出的快捷菜单中选择阵列命令。

（2）在操控板中单击尺寸图标，在系统出现的操作界面中，选择“方向1”的“尺寸”下拉列表框中的“无项目”选项，然后单击图中引导尺寸7.2（图11），在“方向1”的“增量”文本框中选择角度右关系控制。并选编辑命令，在出现的对话框中输入关系式：MEMB－I=360/z。

（3）在操控板中的第一方向的阵列个数文本框中输入40。

（4）在操控板中单击“√”完成。

注意：此处的角度增量值及阵列个数都可任意输入一值，将来它由关系式定义。

图10 要创建的特征阵列

图11 驱动尺寸符号

步骤4：在零件模型中创建关系。

创建上一步阵列关系式：d22=d21、p23=z－1。完成关系定义后，单击再生图标，再生模型。

步骤5：创建如图12 所示的拉伸切削特征。

图12 创建拉伸切削特征图

2.4 利用Pro/Program 生成人机交互菜单

应用编程的方法进行参数的输入控制，以便达到快速设计新产品的目的。在程序编辑器的INPUT和END INPUT 语句之间输入以下内容[3－4]：

完成后存盘退出。当系统提示“要将所做的修改体现到模型中？ ”时，回答“是”。

3 运行程序生成参数化锥齿轮

打开参数化模板文件，点击输入图标，在出现的输入菜单中选择Done Sel（完成选取）命令，在系统提示窗口依次输入1、15、15、6、0.1、1.5、0.4、0.2，系统便会自动生成模型（图13）。

图13 更改参数后的模型

4 结束语

本文通过分析传统锥齿轮设计特点，以野火版Pro/E 为开发工具，实现了圆锥齿轮的三维参数化造型，为圆锥齿轮进一步开发有限元分析、运动仿真、数控加工等其他功能模块打下了基础，其开发思想也为其他零件的三维参数化设计提供了参考。

[1]孙桓，陈作模.机械原理[M].6 版.北京：高等教育出版社，2000.

[2]林清安.Pro/Engineer 零件设计高级篇（上）[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3]邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]张进西，郭学琴.齿轮三维参数化建模与加工运动仿真[J].机械设计，2002（3）：33-35.