汽车变速器齿轮的三维建模及参数化设计

第1期 2006年客车技术与研究

设计 计算 研究

汽车变速器齿轮的三维建模及参数化设计

冯 樱

(湖北汽车工业学院汽车工程系,湖北十堰 442002)

摘 要:在CATIA

环境下,以汽车变速器齿轮为例,介绍斜齿轮三维参数化建模的方法,并对变速

器各档齿轮的设计予以说明。

关键词:

汽车变速器;斜齿轮;CATIA;参数化设计

中图分类号:U463 212 文献标识码:A 文章编号:1006 3331(2006)01 0016 03

3DModelEstablishmenttheParametricDesignforAutoTransmissionGears

FENG Ying

(Dept.ofAutomobileEng., HubeiAutomotiveIndustryInst.,Shiyan 442002,China)

Abstract:UndertheenvironmentofCATIA,a3Dparameterizedmodellingmethodfortheinvolutehelicalgearisin troducedbytakingautotransmissiongearsforexample,andtheothergearsdesignoftheautotransmissionisdis cussed.

Keywords:autotransmission;helicalgear;CATIA;parametrizeddesign

CATIA软件是法国达梭公司(DassaultSys tem)开发的CAD领域曲面设计、实体造型、模具设计等方面的高级软件,该软件在航空航天工业、汽车制造业等大量涉及复杂外形设计的工作领域展现了强大的功能。CATIAV5是基于Windows平台的全参数化和以特征建模技术为核心的特征造型软件,它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图,为设计人员提供良好的设计环境。

2 齿轮建模过程

普通机械式汽车变速器齿轮采用的均为渐开线齿轮,建立三维参数化模型时,需要利用数学公式来表达渐开线齿形的特征。建立变速器斜齿轮模型的关键在于确定齿轮渐开线、渐开线齿形及螺旋线。

以某变速器中间轴三档齿轮为例。该齿轮的基本特征参数:齿数Z=23,法向模数mn=5.5,压力角 =22.5 ,螺旋角 =15.5 (右旋),法面齿顶高系数ha=1.1,齿全高h=13.093mm,变形系数xn=0.2659,齿宽B=31.5mm。2.1 渐开线齿廓

在CATIA中,首先在GenerativeShapeDesign模块中利用f(x)新增参数`齿数z`,参数类型为inte ger;`旋向`参数类型为string;`法面模数mn`、`法面齿顶高系数ha`、`变形系数xn`,参数类型为real;`压力角 `、`螺旋角 `,参数类型为angle;`齿厚B`,参数类型为length。这些特征参数的值直接在f(x)内输入。再新增参数`分度圆半径r`、`基圆半径rb`、`齿顶圆半径rk`、`齿根圆半径rf`,参数类型为length;`旋向系数`,参数类型为integer。根据齿轮的性质,在f(x)中定义上述特征参数的公式:

`分度圆半径r`=`法向模数mn`*`齿数z`/2*1mm

1 参数化建模特点

参数化建模是一种以新的思维方式来进行产品创建和修改设计的方法,它通过定义一组参数来表达产品的形状特征,并以这些参数控制设计结果,从而达到调整参数可修改模型的目的,能十分方便地创建在形状或功能上相似的设计方案。应用参数化设计,便于实现系列化设计,可缩短产品的研发周期,减少重复设计,节约研发成本。

参数化建模的关键是在用参数、公式、表格、特征等驱动图形以达到改变图形的目的,在CATIAV5中可通过如下方法来实现:利用系统参数和尺寸约束来驱动模型;利用用户参数和公式来驱动模型;利用表格数据来驱动模型;利用规则和检验控制特征来驱动模型。16

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客车技术与研究 2006年 第1期

`基圆半径rb`=`分度圆半径r`*cos(`压力角a`)`齿顶圆半径rk`=`分度圆半径r`+`法向模数mn`*`齿顶高系数`*1mm+`法向模数mn`*`变形系数xn`*1mm

`齿根圆半径rf`=`齿顶圆半径rk`-`齿全高h`于是在特征树上出现Parameters和Relations。其中包含了已定义的各个特征参数和参数之间的关系。

在CATIA环境中,要绘制齿廓渐开线,首先要确定渐开线的直角坐标方程。如图1所示,渐开线上任一点M的直角坐标方程:

x=rb*sin -rb* *cos y=rb*cos +rb* *sin 式中 为滚动角,rad

。

将渐开线相对于所生成的平面进行Symmetry(对称)操作,得到另一根渐开线,将两根渐开线用Ex trapolate向圆心延长一小段,再用齿顶圆、一半径小于齿根圆的圆与渐开线相互修剪,得到一个初步的渐开线齿形,见图3

。

图2 在CATIA

中生成的渐开线

图3 生成的渐开线齿形

图1 渐开线的展开图

2.2 螺旋线

将斜齿轮分度圆柱面展开,斜齿轮的螺旋线为一条斜直线,该斜直线和轴线之间的夹角即为分度圆螺旋角。在CATIA中产生此斜线的方法是以分度圆的拉伸面为参考面,生成一条和轴线夹角为螺旋角的直线。绘制时用f(x)定义直线角度为`旋向系数*``螺旋角 `,直线长度为`齿厚B`/cos(`螺旋角 `)。`旋向系数`的值用rule来确定,if(`旋向`=R)`旋向系数`=1else`旋向系数`=1。即齿轮为右旋时,`旋向系数`值取1,当齿轮为左旋时,`旋向系数`值取-1;2.3 齿轮三维模型的生成

从GenerativeShapeDesign模块切换到PartDesign(零件设计)模块,用Rib(实体扫掠)功能,以刚生成的渐开线齿廓为轮廓,螺旋线为中心线,扫掠后得到一个轮齿实体;再以齿根圆为轮廓,用Pad(实体拉伸)命令生成一个长为`齿宽B`的齿根圆柱实体;接着在轮齿的齿根处进行EdgeFillet操作,于是得到带一个单齿的实体;最后采用CircPatten(阵列)命令,阵列个数可以调用f(x)中的特征参数`齿数z`,就得到斜齿轮的三维实体模型。为对上述模型进行其它特征操作,如Pad、Pocket、Draft、Chamfer等,便得最终的变速器中间轴三档齿轮三

为了得到渐开线轮廓,在GenerativeShapeDe sign模块中利用fog,定义三个参数,其中t为real型,x、y为length型;并根据渐开线的直角坐标方程输入x、y的参数方程:

x=`基圆半径rb`*sin(t*PI*1rad)-`基圆半径rb`*t*PI*cos(t*PI*1rad)

y=`基圆半径rb`*cos(t*PI*1rad)+`基圆半径rb`*t*PI*sin(t*PI*1rad)式中 t为展角系数,PI为圆周率。

接着,在XY平面利用上述参数方程创建7个点,用Coordinates方式,各点的坐标值用Editfor mulation得到,第一点的x值为Relations\x.Eval uate(0)、y值为Relations\y.Evaluate(0),7个点的t值分别取0、0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4。然后用spline命令过此7点作一曲线,即得到所需的渐开线,如图2所示。根据渐开线齿轮的性质,分度圆上齿厚等于齿槽宽。应用Intersection操作求出渐开线和分度圆的交点,过交点和原点得到一条直线;再作一平面,使之垂直于XY平面,且与上述直线成一定角度,该角度大小等于360deg/`齿数z`/4。

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维模型,见图4

。Parameters中修改螺旋角就可以了。

在斜齿轮设计中参数化设计的另一个应用,就是通过建立特征参数的函数方程式,来创建渐开线上的点,再由所生成的各点来得到渐开线。即在CATIA中,可通过特征参数的函数方程式绘出精确的曲线或曲面。

另外,需要说明的是,变速器的齿轮要与轴进行配合,考虑到齿轮与轴的装配关系,在进行齿轮的轴

图4 中间轴三档齿轮的模型

孔和键槽设计时,应建立齿轮轴孔和键槽与轴的轴径和键槽之间的特征参数关系式,以保证设计的一致性。

3 斜齿轮参数化建模说明

对于五档三轴式变速器来说,至少有十几个齿轮,如果一一进行三维建模,既麻烦费时也无此必要。在完成一个齿轮建模后,要进行其它齿轮的三维建模,只需要在系统下更改齿轮的特征参数值,系统就能根据所建立的参数关系式修 …… 此处隐藏：3523字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……