基于CATIA 的滚刀加工蜗轮建模及仿真＊

王 敏，苏振驰，万长东

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州215104）

蜗杆传动由于具有结构紧凑、传动比高、传动平稳等优点，得到了广泛的应用[1]。目前蜗轮蜗杆建模一般有两种方法：①通过Creo 或Solidworks 等软件的齿轮工具箱自动生成，此方法生成的模型在装配时会发生未啮合现象；②利用KiSSsoft 等齿轮生成器生成，建模精度高，操作简便，直接输入参数即可生成模型[2]。但局限性强，后期对模型的操作不便。但是，实际的蜗轮蜗杆产品通常有一些独特的技术特征，此时用这些工具设计有困难[3]。因此，本文利用CATIA软件对矿用阀门执行器减速箱二级蜗轮蜗杆进行精确建模，能有效提高设计效率，并用于各类有限元仿真分析。

1 几何建模

某矿用阀门执行器减速箱二级蜗轮蜗杆原始数据来源于企业，如表1 所示。

1.1 建立蜗轮蜗杆参数

根据表1 中的数据和设计规范，计算出蜗轮蜗杆各个尺寸数据，如表2 所示，并将表2 数据输入CATIA 中。

表1 原始数据表

1.2 建立蜗杆几何模型

蜗杆的建模主要利用CATIA 的螺旋扫描功能。首先绘制蜗杆在其轴向剖面内的齿廓，圆柱蜗杆的种类不同，其轴向剖面的齿廓也不同。然后画出蜗杆螺旋线，蜗杆头数与螺旋线的个数相同，螺旋线半径与蜗杆齿根圆半径相同，蜗杆螺旋线的起点需与轴向剖面的齿廓相交。蜗杆齿面扫描完成后，可继续根据实际参数添加倒角、键槽等特征，蜗杆模型如图1 所示。

表2 基础数据表[4]

1.3 建立蜗轮几何模型

蜗轮的建模主要利用CATIA 强大的DMU 仿真模块，将蜗杆作为滚刀，模拟出滚刀切削蜗轮的过程，提取运动过程中的运动包络数据，处理生成运动的包络线，如图2 所示。根据这些包络线构造蜗轮的齿面，可得到与蜗杆完全啮合的蜗轮，如图3 所示。

1.4 装配与运动仿真

进入“装配设计”模块，导入蜗轮蜗杆模型文件进行装配，根据装配关系进行约束，然后选择“碰撞”命令，检查蜗轮蜗杆之间有无发生干涉，结果显示没有发生干涉。再用测量工具检测啮合面之间的间隙，啮合部位最大总间隙值为0.017 mm，满足装配要求。将生成的蜗杆和蜗轮导入CATIA装配模块里进行装配，得到蜗杆副如图4 所示。进入“DMU运动机构”模块，创建连接副，进行运动仿真，没有检测到运动干涉。

图1 蜗杆模型

图2 蜗杆运动包络线

图3 蜗轮

图4 蜗杆副

2 ANSYS 有限元仿真分析

2.1 有限元模型建立

建立蜗轮蜗杆装配体，导入ANSYS Workbench 的“静力学分析（Static Structural）”模块中进行处理。材料属性如表3 所示。按照表3 在前处理中输入材料属性。

表3 材料属性

给蜗杆一端施加5°转角，蜗轮施加32.68 N·m 逆阻力矩。采用四面体实体单元对蜗轮蜗杆进行有限元网格划分，总单元数为937 282。

2.2 计算结果分析

2.2.1 结构弯曲强度计算结果

啮合时刻蜗杆的应力分布情况如图5 所示，最大应力为104.415 MPa。啮合时刻蜗轮的应力分布情况如图6 所示，最大应力为208.83 MPa。

图5 蜗杆应力分布

图6 蜗轮应力分布

2.2.2 结构接触强度计算结果

蜗轮蜗杆的接触应力分布如图7 所示，最大接触应力为241.36 MPa。

图7 蜗轮蜗杆接触应力

经分析，蜗轮最大应力值为208.83 MPa，蜗杆最大应力值为104.415 MPa，均产生在齿根过渡圆角处，均没有超过其材料屈服强度，在安全范围内，满足强度要求。

综上所述，基于CATIA 的滚刀加工蜗轮建立的模型可用于有限元仿真分析，且结果表明所选参数下的蜗轮蜗杆最大应力满足材料强度要求，可用于实验参考，减少时间及试验费用，获得更接近实际的分析数据。

3 结语

本文介绍利用CATIA 软件对某矿用阀门执行器减速箱中二级蜗轮蜗杆进行精确建模，并在ANSYS Workbench 中进行静力学分析，获得蜗轮蜗杆在极限工况下的应力应变云图，验证其可行性。

通过本文所述的建模方法创建的模型有以下几个优点：①模型可被反复编辑修改，零件特征数据不会丢失，而齿轮生成器生成的齿轮不具备此优势。②CATIA 参数化建模方法较为灵活、方便，适用性强。将CATIA 与ANSYS Workbench进行连接后，不需要接口转换，设定参数值范围，可直接在ANSYS Workbench 中对模型进行装配或作一些特征修改，减少前处理时间以及零碎时间，提高效率。