基于Pro/E支持的齿轮参数化设计平台*

曹忠亮，郭建华

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

基于Pro/E支持的齿轮参数化设计平台*

曹忠亮，郭建华

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

以实现齿轮的计算机辅助设计计算与三维模型参数化建模的自动化为研究对象，以参数化设计思想为依据，采用Visual Basic、Visual Studio 2005与Pro/ENGINEER自带的Pro/TOOLKIT工具箱相结合的方法，通过创建用户参数输入对话框，实现直齿圆柱齿轮的设计计算、参数校核以及参数化建模。采用该方法对Pro/ENGINEER进行二次开发可以大大挺高齿轮的设计效率和设计精度，进而缩短产品的研发周期，提高生产效率。

Pro/E；二次开发；参数化设计

0 引言

产品的三维设计离不开CAD/CAM系统的支持，Pro/ENGINEER具有技术成熟，功能强大等特点，在参数化设计和工程制造业中被人所重视并得到了广泛的应用［1-3］。Pro/ENGINEER强大的三维几何造型功能，使我们能够创造出各种复杂的几何模型。但作为通用软件Pro/ENGINEER也具有局限性。例如，结构相同，区别在于尺寸的零件在机械产品的开发过程中经常会用到。如何利用已有的资源，花费较少的时间完成产品的设计是用户关心的问题。对Pro/ENGINEER进行二次开发是一项可行的方案，一方面可以避免重复的劳动，提高效率。另一方面，可以基于该软件进行三维实体模型更深层次的分析［4］。

本文中渐开线圆柱齿轮的计算机辅助设计系统主要是为了将传统的齿轮传动设计的相关技术参数变化融入于三维参数化建模于一体的集成设计平台，这不仅这对传统的齿轮设计参数的发展趋势有推动作用，对设计人员都具有重要的指导意义和实用价值。传统的渐开线圆柱齿轮的设计过程需要设计人员经过大量反复的计算和校核，在设计过程不仅繁琐，而且其中设计工作量非常复杂，并且计算量也较大，同时设计人员在渐开线圆柱齿轮设计过程中不仅要对传动比方案进行确定，还要对齿轮本身的相关材料选择，加工方式以及加工精度等级等等都要进行一一设计和选择确定。所以，本文使用渐开线圆柱齿轮的计算机辅助设集成方案，既能保证设计人员的人机交互一体化的设计要求，又要充分体现自动化设计的要求。本计算机辅助设系统可以将设计人员的相关工作经验与设计要求结合到整个设计过程中，能够设计出符合特定要求的渐开线圆柱齿轮。这样即能够很好地实现了设计过程高度自动化，同时也避免了手工设计过程出现的一些问题和错误。本计算机辅助设系统的开发与设计应用，不仅能够大大地提高设计工作效率，而且把一些设计过程中相对复杂的和低效的流程进行简化和除去，从而提高产品的生产效率。

1 参数化建模的总体设计

本系统的预期目的是通过计算机来完成齿轮传动设计的计算过程，同时通过对Pro/ENGINEER软件的二次开发创建一个齿轮模型参数化建模的辅助插件，完成齿轮模型再生。为了完成这样的功能，并且在规定的时间内完成设计任务，本系统开发两个应用程序：齿轮的计算应用程序，这个程序独立于Pro/ENGINEER软件，在windows平台上独立运行完成齿轮传动的计算过程；齿轮的建模应用程序，这个程序依赖于Pro/ENGINEER软件，采用同步模式下的DLL进程，通过程序的注册、运行完成齿轮模型的建模［5-6］。这样既可以达到齿轮传动的精确计算，又可以完成齿轮模型的快速建模，避免设计人员的重复劳动。齿轮总体设计方案如图1所示，齿轮参数化总体设计流程如图2所示。

图1 参数化平台的总体方案

图2 齿轮参数化总体设计流程

2 齿轮设计的计算

2.1 几何参数计算

一般，设计齿轮传动时。已知的条件是：传动比i；预订寿命h；传递的功率P（kW）、转矩T（N·m）；转速（r/min）；原动机及工作机的载荷特性；结构要求及外形尺寸限制等等。开始设计齿轮时，往往都不知道齿轮的尺寸和参数，无法准确定出某些系数的数值，因而不能进行精确的设计。所以，第一步通常都是先选择某些参数，按简化计算方法初步确定出主要尺寸然后再进行精确的校核计算。

齿轮传递的转矩T计算公式如下：

按接触疲劳强度初步确定中心距a，公式如下：

式中φa-齿宽系数；

σHP-许用接触应力；

2.2 齿轮强度计算

2.2.1 齿轮接触疲劳强度校核

当一对轮齿啮合时，小齿轮单对啮合的最低点产生的接触应力为最大，与小齿轮啮合的大齿轮，对应的啮合点是达齿轮单对啮合的最高点，位于大齿轮的齿顶面上［7］。同一齿面往往齿根面先发生点蚀，然后才扩展到齿顶面，亦即齿顶面比齿根面具有较高的接触疲劳强度。

接触强度校核公式：

式中F-分度圆上的圆周力；

σHlim-接触疲劳强度极限；

2.2.2 齿根弯曲疲劳强度的校核

通常齿轮在啮合传动过程中，齿根处所受弯矩最大的，所以齿根处的弯曲疲劳强度也最弱。但当啮合重叠系数大于1时，齿轮啮合过程中会出现单啮合区和双啮合区，从而导致啮合刚度发生突变。对于双啮合区，其弯矩力臂虽大，但作用下并非最大，故弯矩也不是最大的。经分析可知，齿根最大弯矩位于单啮合区轮齿啮合点最高处。

但实际计算过程中，对于精度在7级以下的齿轮传动来说，通常由于制造误差较大，啮合过程中齿顶处的轮齿分担较多的载荷，往往按载荷全部作用于齿顶来计算齿根弯曲强度，但对于精度在6级以上的高精度齿轮传动，由于对双啮合区弯矩疲劳强度进行精确计算较为困难，所以将载荷作用于单啮合区的最高点处的弯曲强度作为齿根弯曲强度。

弯曲强度校核公式：

式中YFa-齿形系数；

YSa-应力校正系数；

KFN-弯曲疲劳寿命系数；

3 齿轮渐开线的几何分析

3.1 精确建立齿轮数学方程

齿轮的轮廓曲线如图3所示，包括轮齿部分和齿根过渡部分，图为一个齿的轮廓曲线。aa段代表齿廓的包络线，ab段代表过渡曲线，bc段代表齿根底部的圆弧曲线［8］。

图3 齿轮的轮廓曲线

其中r为基圆半径，θ为展成角度。

基于Pro/e三维软件建模，建立变量关系式。通过点A（x1，y1）求解渐开线上点c（x，y）直角坐标轨迹，即为渐开线直角坐标方程，然后插入三维软件系统变量t，可得变量关系式如下：

图4 渐开线的几何分析

以上为定义在x-y平面上的渐开线方程，可通过修改x，y，z的坐标关系来确定在其它面上的渐开线方程。

3.2 绘制基本草图

在主菜单上依次单击“工具”→“关系”，系统弹出“关系”对话框，如图5所示，在“关系”对话框内输入齿轮的分度圆直径关系、基圆直径关系、齿根圆直径关系和齿顶圆直径关系。输入的关系式如下：

图5 关系对话框

图6 完成后的基本圆曲线

重新进入草绘环境，在“草绘”对话框内单击确认按钮。绘制齿轮的其他基本圆，在“关系”对话框中依次添加关系。完成后的基本圆曲线如图6所示，完成后的渐开线如图7所示，完成后的二维草图如图8所示，单齿生成后的示意如图9所示，完成后的齿轮三维图如图10所示。

图7完成后的渐开线

图8二维草图

图9单个齿的生成三维图

图10完成轮齿的创建

4 开发系统

本系统的计算程序界面应用Visual Basic 6.0编程工具进行编写，界面简洁清晰，易于设计人员使用。操作界面如图11所示。

图11 齿轮参数化设计人机对话界面

从应用的角度看，参数化设计的目的是实现某一产品的系列化设计，本文以Visual Basic为编程工具，对渐开线直齿圆柱齿轮进行了计算机辅助设计计算，通过友好的人机交互界面形式实现5 结束语

了齿轮的参数化设计，用户只需输入相应的原始设计数据，系统变可以自动的完成设计参数计算、数据选取、强度校核、结果显示等整个过程。同时，本文利用以C++语言为编程语言通过人际交互输入齿轮的相关参数实现齿轮模型的再生，得到需要的齿轮。通过两者的有效结合，从而有效的缩短设计周期，提高设计精度，实现参数化设计的自动化，有较大的实用价值。

（1）本文对基于Pro/ENGINEER二次开发平台的渐开线直齿圆柱齿轮造型的关键技术进行了研究。根据渐开线直齿圆柱齿轮的结构特征，综合运用Pro/ ENGINEER自带的Pro/TOOLKIT、Open MenuScript、Visual Basic 6.0等二次开发工具，开发了基于Pro/ENGINEER的渐开线直齿圆柱齿轮三维参数化设计平台。

（2）实现了与Pro/ENGINEER的无缝集成，极大地方便了用户操作，更加人性化操作，减少了设计时间，提高了设计效率，为后续的渐开线直齿圆柱齿轮数控加工打下良好基础。

［1］胡义刚.渐开线齿轮三维参数化设计方法与实现［J］.上海工程技术大学学报，2004，18（1）：42-46.

［2］林艳，原思聪，季文祥，等.基于Pro/E的直齿圆柱齿轮参数化建模与运动仿真分析［J］.机床与液压，2010，38（19）：112-115.

［3］丁坤，潘亚嘉，张宪文，等.基于UG的双圆弧齿轮参数化建模［J］.机械传动，2011，35（1）：46-48.

［4］周建新，吴健.基于Pro/E的直齿齿轮参数化设计［J］.机械研究与应用，2009，36（10）：35-38.

［5］万苏文，王贵成，舒希勇.渐开线圆柱齿轮Pro/E参数化建型系统设计［J］.煤矿机械，2006，12（5）：85-89.

［6］谭琼，曾晓松.一种齿轮渐开线齿廓精确求解及其参数化建模方法［J］.机床与液压.2009，37（9）：243-245.

［7］张学刚，谢永春.渐开线圆柱齿轮全参数化精确建模研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013，（9）：46-49.

［8］张训福，黄康，陈奇.渐开线齿轮齿根过渡曲线方程的建立及三维精确建模［J］.组合机床与自动化加工技术，2008（2）：1-4.

（编辑 赵蓉）

Design Supports Parameterized of Involute Gears Based on Pro/E

CAO Zhong-liang，GUO Jian-hua
（School of Mechatronics Engineering，Qiqihar University，Qiqihar Heilongjiang 161006，China）

In order to realize the automation of computer aided design and calculation of gear parametric modeling and 3D model as the research object，which takes the idea of parameterized design as the basis，Visualmethod of Basic，Visual Studio 2005 and Pro/ENGINEER own Pro/TOOLKIT toolbox are combined，through the creation of user input parameters dialog box，the realization of the calculation，parameter calibration and parametric modeling design straight tooth cylindrical gear.The design efficiency and design precision two development can greatly very high gear on Pro/ENGINEER by thismethod，so as to shorten the product development cycle to improve productivity.

Pro/E；re-development；parametric design

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）08-0141-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.036

2014-10-31；

2014-12-02

国家自然科学基金项目（51175273）；齐齐哈尔市科技局项目（GYGG-201316）；齐齐哈尔大学教学教研项目（2014076）

曹忠亮（1983-），男，黑龙江齐齐哈尔人，齐齐哈尔大学讲师，博士研究生，研究方向为CAD/CAM技术研究，（E-mail）caoliang-8302 @163.com。