基于ProE渐开线齿轮的造型和传动仿真.docx

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基于ProE渐开线齿轮的造型和传动仿真

第一章引言1

1.1目的和现实意义1

1.2国内外研究现状1

1.3研究方法1

第二章齿轮传动概述2

第三章直齿圆柱齿轮建模2

3.1直齿圆柱齿轮主要参数2

3.2直齿圆柱齿轮建模3

3.2.1直齿轮的建模分析：

3.2.2直齿轮的建模过程3

第四章斜齿圆柱齿轮建模11

4.1斜齿圆柱齿轮主要参数11

4.2斜齿圆柱齿轮建模11

第五章圆锥齿轮建模15

5.1圆锥齿轮主要参数15

5.2圆锥齿轮建模15

5.2.1锥齿轮建模分析15

5.2.2圆锥齿轮建模过程15

第六章齿轮传动仿真与分析23

6.1装配23

6.1.1新建FZ.ASM23

6.1.2装配齿轮23

6.2仿真24

6.2.1进入机构模块24

6.2.2添加“伺服电动机”24

6.2.3定义初始条件25

6.2.4定义分析25

第七章小结....................................................28

第八章致谢29

附录一参考文献

附录二英文文献翻译

附录三英文文献原件

基于Pro/E渐开线齿轮的建模和传动仿真

摘　要：

通过渐开线直齿、斜齿和锥齿圆柱齿轮的参数化建模设计，介绍在Pro/E中进行参数化设计的基本方法与设计步骤，利用Pro/E软件进行齿轮的传动仿真。

关键字：

Pro/E；齿轮；建模；仿真　　

ModelingandSimulationofInvoluteGearBasedonPro/E

Abstract:

Throughtheinvolutespurgear,helicalcylindricalbevelwheelandconeofparameterizedmodelingdesigninPro/E,introductionofparametricdesignofthebasicmethodsandsteps,usingPro/Eofgearassemblyandsoftwaresimulation.

Keywords:

Pro/E;gear;sculpt;Simulation

第一章引言

1.1目的和现实意义

Pro/Engineer是美国PTC公司开发的优秀的三维设计软件，它采用基于特征的参数化技术，具有产品的三维设计、分析、仿真、加工和二次开发等功能，该软件已广泛应用于机械、电子、家电、模具等行业，是目前国内使用最广泛的三维设计软件之一。

装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。

通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。

仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统。

1.2国内外研究现状

1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。

1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。

经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。

基于特征的参数化造型：

Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。

这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。

数据管理：

加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。

1.3研究方法

Pro/Engineer功能如下：

（1）特征驱动（例如：

凸台、槽、倒角、腔、壳等）。

（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等），Pro/E为一参数化系统，即特征之间存在相互关系，使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更，以满足设计者的要求。

如果某一特征参考到其他特征时，特征之间即产生父/子关系。

　　（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。

　　（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro／PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。

（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro／ENGINEER的基本功能。

（6）全相关性：

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。

这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。

全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

普通的渐开线齿轮的设计参数有：

模数m、齿数z、压力角alpha、齿顶高系数ha、顶隙系数c、齿宽b等。

这些参数决定了齿轮的齿廓形状和几何尺寸大小。

改变设计参数，可以改变齿轮的形状和尺寸，实现齿轮的参数化设计。

因此在齿轮建模过程中，将齿轮的几何参数和设计参数加以关联，每个特征的尺寸都由关系式约束，完成齿轮的参数化建模。

模型完成后，通过输入不同的模数、齿数、压力角等参数可得到相应的齿轮模型，实现齿轮的参数化设计。

第二章齿轮传动概述

齿轮传动是机械传动中最主要的一类，型式很多，应用广泛，齿轮设计在机械设计中占据着相当重要的地位，但它的设计步骤多、涉及参数多，需查询的图表总数有二十多个，给设计工作者带来很多的不便，降低了设计效率。

随着计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术的发展，在产品开发的过程中，有限元分析、装配设计、运动仿真、数控加工等都必须以三维模型为基础。

在进行齿轮机构设计时，经常需要利用CAD技术设计并建立齿轮的三维实体模型，从而利用CAD/CAM软件进行装配、检测和分析。

第三章直齿圆柱齿轮

3.1直齿圆柱齿轮主要参数

模数m

齿数z

压力角alpha

齿顶高系数ha*

顶隙系数c*

齿宽b

分度圆直径d

基圆直径db

齿顶圆直径da

齿根圆直径df

3.2直齿圆柱齿轮造型

参数化创建齿轮的过程相对复杂，其中要用到许多与齿轮有关的参数以及关系式。

3.2.1直齿轮的建模分析：

（1）创建和更改基准平面、基准轴、基准坐标。

（2）创建齿轮的基本圆。

这一步用草绘曲线的方法，创建齿轮的基本圆，包括齿顶圆、基圆、分度圆、齿根圆。

并且用事先设置好的参数来控制圆的大小。

（3）创建渐开线

用从方程来生成渐开线的方法，创建渐开线，本章的第一小节分析了渐开线方程的相关知识。

（4）镜像渐开线

首先创建一个用于镜像的平面，然后通过该平面，镜像第2步创建的渐开线，并且用关系式来控制镜像平面的角度。

（5）拉伸形成实体

拉伸创建实体，包括齿轮的齿根圆实体和齿轮的一个齿形实体。

这一步是创建齿轮的关键步骤。

（6）阵列轮齿

将上一步创建的轮齿进行阵列，完成齿轮的基本外形。

这一步同样需要加入关系式来控制齿轮的生成。

（7）创建其它特征

创建齿轮的中间孔、键槽、小孔等特征，并且用参数和关系式来控制相关的尺寸。

3.2.2直齿轮的建模过程

（1）创建和更改基准平面、基准轴、基准坐标，祥见模型prtzhichilun1

（2）创建齿轮的基本圆

这一步用草绘曲线的方法，以DTM3为基准，创建齿轮的基本圆，包括齿顶圆、基圆、分度圆、齿根圆，大小随意。

完成草绘后，双击曲线，更改4个圆的尺寸属性分别为：

d、db、da、df。

如图3-1所示

图3-1尺寸属性

（3）输入基本参数和关系式

单击

，在新建对话框中输“zhichilun1”,然后单击

；在主菜单上单击“工具”→“参数”，系统弹出“参数”对话框，如图3-2所示：

图3-2“参数”对话框

（4）在“参数”对话框依次输入新参数的名称、值等。

需要输入的参数如表3-1所示：

表3-1创建齿轮参数

名称

值

说明

名称

值

说明

1.5

模数

齿轮宽度

齿数

___

齿根高

ALPHA

压力角

___

齿顶高

HAX

齿顶高系数

齿轮宽度

0．25

顶系系数

变位系数

完成后的参数对话框如图3-3所示：

图3-3填充后的参数对话框

（5）在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，键入如下公式，如图3-4所示

HA=（HAX+X）*M

HF=（HAX+CX-X）*M

D=M*Z

DA=D+2*HA

DB=D*COS（ALPHA）

DF=D-2*HF

D6=360/（4*Z）

图3-4参数关系图

（6）创建渐开线

①依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“曲线”，或者在工具栏上单击按钮，系统弹出“曲线选项”菜单管理器，在“曲线选项”菜单管理器上依次单击“从方程”→“完成”，弹出“得到坐标系”菜单管理器，在“设置坐标类型”菜单管理器中单击“笛卡尔”，系统弹出一个记事本窗口；

②在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程，如下：

r=DB/2

theta=t*45

x=r*cos（theta）+r*sin（theta）*theta*pi/180

y=r*sin（theta）-r*cos（theta）*theta*pi/180

z=0

③保存数据，退出记事本，单击“曲线：

从方程”对话框中的【确定】

（7）镜像渐开线

①单击分度圆曲线和渐开线作为参照，在“基准点”对话框内单击【确定】，完成基准点“PNT0”的创建；

②创建平面DTM4在工具栏内单击

按钮，或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”，系统弹出“基准平面”对话框；在绘图区单击选取“GEAR_AXIS”轴作为参照，按住Ctrl键，继续单击基准点“PNT0”作为参照，如图3-5所示；

图3-5创建平面DTM4

继续在工具栏内单击

按钮，或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”，在绘图区单击选取刚刚创建的“DTM1”面作为参考平面，按住Ctrl键选取“A_1”轴作为参考。

在偏距文本框内输入旋转角度为“360/（4*z）”，系统提示是否要添加特征关系，单击“是”；

③在“基准平面”对话框内单击【确定】，完成基准平面的创建；将关系式添加到“关系”对话框。

在绘图区右键单击刚刚创建的基准平面“HF_DTM”，在弹出的快捷菜单上单击“编辑”。

④在主菜单上单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框。

此时系统显示“DTM4”面和“HF_DTM”面间的夹角尺寸代号。

单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：

D6=360/（4*Z）

在“关系”对话框内单击【确定】完成添加关系式；

⑤在绘图区单击渐开线特征，然后在工具栏内单击

按钮，或者依次在主菜单上单击“编辑”→“镜像”。

系统弹出“镜像”特征定义操控面板，在绘图区单击选取刚刚创建的“HF_DTM”平面作为镜像平面，在“镜像”特征定义操控面板内单击

按钮，完成渐开线的镜像。

完成后的曲线如图3-6所示:

图3-6渐开线镜像

此处省略NNNNNNNNNNNNNN字，由于图纸不能上传，如需全套设计和图纸资料请联系扣扣九七一九二零八零零！

（11）程序设计，在程设计中键入

MNUMBER

"请输入齿轮的模数=="

ZNUMBER

"请输入齿轮的齿数=="

ALPHANUMBER

"请输入齿轮的压力角度=="

BNUMBER

"请输入齿轮的宽度=="

HAXNUMBER

"请输入齿轮的齿顶高系数=="

CXNUMBER

"请输入齿轮的齿底隙系数=="

XNUMBER

"请输入齿轮的变位系数=="

（12）隐藏曲线、基准、基准点，着色等，最后如图3-9所示

图3-9直齿圆柱齿轮

第四章斜齿圆柱齿轮

4.1斜齿圆柱齿轮主要参数

螺旋角β

法面模数mn

齿数z

齿宽b

法面压力角an

法面齿顶高系数han

法面顶隙系数ca

分度圆直径d

基圆直径db

齿顶圆直径da

齿根圆直径df

4.2斜齿圆柱齿轮造型

斜齿轮的创建方法跟直齿轮的方法差不多，只是多几步螺旋角的步骤：

（1）曲线的创建

①在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”→“完成”，系统弹出“复制特征”菜单管理器。

在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”→“完成”，系统弹出“选取特征”菜单管理器，在绘图区单击选取上一步创建的截面特征，在“选取特征”菜单管理器上单击“完成”，系统弹出“移动特征”菜单管理器。

②菜单管理器。

③系统提示输入偏移距离，输入偏移距离为b,系统提示是否添加关系式，单击“是”，在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”，在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”，在随后弹出的“组元素”对话框中单击【确定】，在“特征”菜单管理器中单击“确定”，完成特征的复制。

④将关系式添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚的复制特征，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框。

此时系统显示两个截面的尺寸代号。

单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：

D8=b。

⑤旋转复制上一步复制的截面，在主菜单上依次单击“编辑”→“特征操作”，系统弹出“特征”菜单管理器。

⑥在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”→“完成”，系统弹出“复制特征”菜单管理器。

在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”→“完成”，系统弹出“选取特征”菜单管理器，在绘图区单击选取上一步创建的复制截面特征，在“选取特征”菜单管理器上单击“完成”，系统弹出“移动特征”菜单管理器。

⑦在“移动特征”菜单管理器上单击“旋转”，系统弹出“选取方向”菜单管理器。

⑧在“选取方向”菜单管理器中单击选取“曲线/边/轴”，然后在绘图区单击选取齿根圆的中心轴作为参照，如图所示。

系统弹出“方向”菜单管理器，单击“反向”→“正向”；系统提示输入旋转角度，输入旋转角度为“D7=ASIN（2*B*TAN（BETA）/D）”,系统提示是否添加关系式，单击“是”，在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”，在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”，在随后弹出的“组元素”对话框中单击【确定】，在“特征”菜单管理器中单击“确定”，完成特征的复制。

⑨旋转角度尺寸添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚旋转复制的截面，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”。

⑩在主菜单上单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框。

此时系统显示旋转角度的尺寸代号。

单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：

D11=ASIN（2*B*TAN（BETA）/D）。

（2）创建第一个轮齿特征

①在主菜单上依次单击“插入”→“扫描混合”，系统弹出“扫描混合”特征定义操控面板。

②在“扫描混合”特征定义操控面板内单击“参照”菜单，系统弹出“参照”对话框，如图4-1所示：

图4-1“参照”对话框

③在“参照”对话框的“剖面控制”文本框内单击选取“垂直于轨迹”，在“水平/垂直控制”文本框内输入“垂直于曲面”。

④在绘图区单击选取分度圆上的投影曲线作为扫描混合的扫引线，两齿廓曲线为参照曲线，得一个齿如图图4-2所示：

图4-2形齿拉伸

（3）其余的步骤就跟直齿的一样的，省略不述。

（4）其程序设计代码如下所示：

MNNUMBER

"请输入齿轮的法向模数=="

ZNUMBER

"请输入齿轮的齿数=="

ALPHANUMBER

"请输入齿轮的压力角度=="

BETANUMBER

"请输入齿轮的螺旋角=="

BNUMBER

"请输入齿轮的宽度=="

HAXNUMBER

"请输入齿轮的齿顶高系数=="

CXNUMBER

"请输入齿轮的齿底隙系数=="

XNUMBER

"请输入齿轮的变位系数=="

（5）隐藏曲线、基准、基准点，着色等，最后如图4-3所示：

图4-3斜齿圆柱齿轮

第五章圆锥齿轮

5.1圆锥齿轮主要参数

模数m

齿数z

压力角alpha

分锥角δ

分度圆直径d

基圆直径db

齿顶圆直径da

齿根圆直径df

顶隙c

齿宽b

5.2圆锥齿轮造型

参数化设计锥齿轮的过程中应用了大量的参数与关系式。

5.2.1锥齿轮建模分析

（1）输入关系式、绘制创建锥齿轮所需的基本曲线

（2）创建渐开线

（3）创建齿根圆锥

（4）创建第一个轮齿

（5）阵列轮齿

5.2.2圆锥齿轮建模过程

前面的基准等步骤工作就不累述了。

（1）输入基本参数和关系式

在“参数”对话框内单击

按钮，可以看到“参数”对话框增加了一行，依次输入新参数的名称、值、和说明等。

需要输入的参数如表5-1所示：

表5-1创建齿轮参数

名称

值

说明

名称

值

说明

模数

DELTA

___

分锥角

齿数

DELTA_A

___

顶锥角

Z_ASM

大齿轮齿数

DELTA_B

___

基锥角

ALPHA

压力角

DELTA_F

___

根锥角

齿宽

___

齿基高

HAX

齿顶高系数

___

锥距

0.25

顶隙系数

THETA_A

___

齿顶角

___

齿顶高

THETA_B

___

齿基角

___

齿根高

THETA_F

___

齿根角

___

全齿高

___

齿顶宽

___

分度圆直径

___

齿基宽

___

基圆直径

___

齿根宽

___

齿顶圆直径

变位系数

___

齿根圆直径

①在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框；

②在“关系”对话框内输入齿轮的基本关系式。

由这些关系式，系统便会自动生成。

（2）创建基本曲线

创建基准平面。

在工具栏内单击

按钮，或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”。

系统弹出“基准平面”对话框，创建基准平面“DTM4”；在“基准平面”对话框的偏移项内输入偏移距离为“d/（2*tan（delta））”，单击【确定】完成。

将偏移距离添加到“关系”对话框，在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，在弹出的“关系”对话框内添加关系式，如图5-1所示；

图5-1参数关系图

基准步骤省略，祥见模型。

（3）草绘截面如图5-2:

图5-2草绘截图

（4）将尺寸代号添加到“关系”对话框中，在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框，添加如图5-3所示的关系式；

图5-3尺寸关系

（5）草绘曲线大端基本圆并添加关系式。

将大端齿轮基本圆的关系式添加到“关系”对话框中，在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，在弹出的“关系”对话框内添加关系式，如图5-4所示；

图5-4大端齿轮基本圆的关系

（6）创建小端齿轮基本圆，草绘曲线并添加关系式。

将小端齿轮基本圆的关系式添加到“关系”对话框中，在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，在弹出的“关系”对话框内添加关系式，如图5-5所示；

图5-5小端齿轮基本圆的关系

（7）创建渐开线

创建渐开线。

依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“曲线”，或者在工具栏上单击

按钮，系统弹出“曲线选项”菜单管理器；

（8）在“曲线选项”菜单管理器上依次单击“从方程”→“完成”，

在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程，如下：

r=D11/2

theta=t*60

x=r*cos（theta）+r*sin（theta）*theta*pi/180

y=r*sin（theta）-r*cos（theta）*theta*pi/180

z=0

（9）保存数据，退出记事本，单击如图所示“曲线：

从方程”对话框中的【确定】，完成后的曲线如图5-6所示；

图5-6齿轮大端上渐开线

（10）创建齿轮小端上的渐开线。

方法同大端，详见模型。

图5-7齿轮小端上渐开线

（11）镜像渐开线，创建第一个轮齿，阵列轮齿都跟直齿、斜齿一样，

完成后的齿轮如图5-8所示。

图5-8圆锥齿轮

（12）其主要参数代码如下：

HA=（HAX+X）*M

HF=（HAX+CX-X）*M

H=（2*HAX+CX）*M

DELTA=ATAN（Z/Z_ASM）

D=M*Z

DB=D*COS（ALPHA）

DA=D+2*HA*COS（DELTA）

DF=D-2*HF*COS（DELTA）

HB=（D-DB）/（2*COS（DELTA））

RX=D/（2*SIN（DELTA））

THETA_A=ATAN（HA/RX）

THETA_B=ATAN（HB/RX）

THETA_F=ATAN（HF/RX）

DELTA_A=DELTA+THETA_A

DELTA_B=DELTA-THETA_B

DELTA_F=DELTA-THETA_F

BA=B/COS（THETA_A）

BB=B/COS（THETA_B）

BF=B/COS（THETA_F）

D0=D/（2*TAN（DELTA））

D1=D/2

D2=DA/2

D3=DB/2

D4=DF/2

D5=B

D6=90

D9=D/COS（DELTA）

D10=DA/COS（DELTA）

D11=DB/COS（DELTA）

D12=DF/COS（DELTA）

D14=（D-2*B*SIN（DELTA））/COS（DELTA）

D15=（DA-2*BA*SIN（DELTA_A））/COS（DELTA）

D16=（DB-2*BB*SIN（DELTA_B））/COS（DELTA）

D17=（DF-2*BF*SIN（DELTA_F））/COS（DELTA）

D19=360*COS（DELTA）/（4*Z）+180*TAN（ALPHA）/PI-ALPHA

D20=360*COS（DELTA）/（4*Z）+180*TAN（ALPHA）/PI-ALPHA

D21=360*COS（DELTA）/（4*Z）

D25=0.8*H

D26=H

IFHAX<1

D37=0.31*M

D49=0.31*M

ENDIF

IFHAX>=1

D37=0.2*M

D49=0.2*M

ENDIF

D51=360/Z

D75=360/Z

P76=Z-1

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