直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真

曹國亮 許晶晶 朱海兵 劉 玲

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，徐州 221132）

齒輪傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛。輪齒齒廓的形狀為漸開線曲線，結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜。本文以JY-80 型運(yùn)輸絞車的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的第三級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)為研究對(duì)象，在Creo 5.0 軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)直齒圓柱齒輪的參數(shù)化建模和齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)仿真[1]。

1 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 建模參數(shù)和關(guān)系式

基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要通過尺寸驅(qū)動(dòng)對(duì)基本結(jié)構(gòu)相同但型號(hào)或尺寸不同的模型生成新的模型。在Creo 5.0軟件中，每生成一個(gè)模型都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)宏文件，以記錄該模型的生成過程。因此，通過修改宏文件中的變量可以生成不同的三維模型[2]。在Creo 5.0 軟件的“零件”模塊中，將齒輪模數(shù)m=7、齒數(shù)z=24 以及齒輪寬度a=90mm 等參數(shù)設(shè)置為變量并賦值。通過編寫齒根圓直徑d0、分度圓直徑d1以及齒頂圓直徑d2的關(guān)系式，可以繪制齒輪的齒根圓、分度圓和齒頂圓，如圖1 所示。

圖1 漸開線曲線的生成

1.2 生成漸開線齒廓曲線

在Creo 5.0 軟件中，先通過“插入基準(zhǔn)曲線”功能選擇“從方程”模式，輸入漸開線曲線方程，可自動(dòng)生成一條基于設(shè)計(jì)變量m、z 和a 的漸開線曲線[2]。

式中，R 為齒輪半徑；θ 為旋轉(zhuǎn)角度；T 為周期時(shí)間。

1.3 直齒圓柱齒輪的參數(shù)化模型

在Creo 5.0 軟件中，基于以上操作，運(yùn)用“拉伸”命令創(chuàng)建第一個(gè)輪齒后，利用“陣列”命令創(chuàng)建完整齒輪[3]，如圖2 所示。創(chuàng)建直齒圓柱齒輪的參數(shù)化模型后，通過修改齒數(shù)和齒寬等參數(shù)可得過橋齒輪和大齒圈的模型，分別如圖3 和圖4 所示。

圖2 小齒輪模型

圖3 過橋齒輪模型

圖4 大齒圈模型

1.4 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的裝配模型

在Creo 5.0 軟件的“裝配”模塊中，首先選取FRONT和RIGHT 兩個(gè)基準(zhǔn)平面的相交線建立基準(zhǔn)軸1；其次，根據(jù)齒輪傳動(dòng)的中心距分別建立兩條與基準(zhǔn)軸1 平行的基準(zhǔn)軸，且中心距分別為230mm 和900mm；最后，選取“元件”選項(xiàng)卡中的“組裝”按鈕，以FRONT 平面為基準(zhǔn)平面，在3 條基準(zhǔn)軸上分別裝配小齒輪、過橋齒輪和大齒圈。齒輪傳動(dòng)的裝配模型[4]，如圖5 所示。

圖5 齒輪傳動(dòng)的裝配模型和運(yùn)動(dòng)仿真

2 直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 直齒圓柱齒輪的運(yùn)動(dòng)仿真

打開直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)的裝配文件，在“機(jī)構(gòu)”中定義齒輪副連接。齒輪副連接可以定義兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸之間的速度關(guān)系，以模擬一對(duì)齒輪之間的嚙合關(guān)系和傳動(dòng)關(guān)系。在“齒輪副定義”對(duì)話框中，“運(yùn)動(dòng)軸”選取小齒輪的中心軸，“節(jié)圓”直徑設(shè)置為160mm。同理，完成過橋齒輪和大齒圈的齒輪副連接設(shè)置。此外，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，需要為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)定義伺服電動(dòng)機(jī)[5]。選取小齒輪軸線處的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的連接軸，設(shè)置小齒輪軸線上的加速度，完成運(yùn)動(dòng)定義，即先單擊“機(jī)構(gòu)分析”工具按鈕將“類型”設(shè)置為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”，再單擊“運(yùn)行”按鈕，使齒輪傳動(dòng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5 所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

第一步，依次單擊“機(jī)構(gòu)”→“分析”→“測量”工具按鈕，彈出“測量結(jié)果”對(duì)話框。第二步，單擊“創(chuàng)建新測量”工具按鈕，系統(tǒng)彈出“測量定義”對(duì)話框，在“類型”下拉列表中選擇“速度”選項(xiàng)。第三步，單擊“測量定義”對(duì)話框中“點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)軸”的選取箭頭，選取齒輪。第四步，點(diǎn)擊小齒頂?shù)囊粋€(gè)頂點(diǎn)，在“測量結(jié)果”對(duì)話框的“測量”選項(xiàng)列表中選中“measure1”，并在“結(jié)果集”列表中選中“Analaysis Definition 1”選項(xiàng)。第五步，單擊“測量結(jié)果”對(duì)話框中的“繪制圖形”按鈕，顯示測量結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 小齒輪的速度線圖

3 結(jié)語

本文在Creo 5.0 軟件的參數(shù)化建模環(huán)境中完成了直齒圓柱齒輪的參數(shù)化三維模型，并對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。該方法保證了齒輪建模的精確性，驗(yàn)證了連續(xù)傳動(dòng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了同類型齒輪的快速設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度，且為后續(xù)復(fù)雜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的建模和仿真打下了良好基礎(chǔ)。