直齿圆柱齿轮传动的参数化设计及仿真

2021-03-23曹国亮许晶晶朱海兵

现代制造技术与装备 2021年2期

关键词：直齿圆柱齿轮小齿轮

曹国亮许晶晶朱海兵刘玲

（江苏师范大学科文学院，徐州 221132）

齿轮传动在机械传动中应用广泛。轮齿齿廓的形状为渐开线曲线，结构形状比较复杂。本文以JY-80 型运输绞车的齿轮传动系统的第三级直齿圆柱齿轮传动为研究对象，在Creo 5.0 软件中实现对直齿圆柱齿轮的参数化建模和齿轮传动的运动仿真[1]。

1 直齿圆柱齿轮传动的参数化设计

1.1 建模参数和关系式

基于特征的参数化设计，主要通过尺寸驱动对基本结构相同但型号或尺寸不同的模型生成新的模型。在Creo 5.0软件中，每生成一个模型都会产生一个宏文件，以记录该模型的生成过程。因此，通过修改宏文件中的变量可以生成不同的三维模型[2]。在Creo 5.0 软件的“零件”模块中，将齿轮模数m=7、齿数z=24 以及齿轮宽度a=90mm 等参数设置为变量并赋值。通过编写齿根圆直径d0、分度圆直径d1以及齿顶圆直径d2的关系式，可以绘制齿轮的齿根圆、分度圆和齿顶圆，如图1 所示。

图1 渐开线曲线的生成

1.2 生成渐开线齿廓曲线

在Creo 5.0 软件中，先通过“插入基准曲线”功能选择“从方程”模式，输入渐开线曲线方程，可自动生成一条基于设计变量m、z 和a 的渐开线曲线[2]。

式中，R 为齿轮半径；θ 为旋转角度；T 为周期时间。

1.3 直齿圆柱齿轮的参数化模型

在Creo 5.0 软件中，基于以上操作，运用“拉伸”命令创建第一个轮齿后，利用“阵列”命令创建完整齿轮[3]，如图2 所示。创建直齿圆柱齿轮的参数化模型后，通过修改齿数和齿宽等参数可得过桥齿轮和大齿圈的模型，分别如图3 和图4 所示。

图2 小齿轮模型

图3 过桥齿轮模型

图4 大齿圈模型

1.4 直齿圆柱齿轮传动的装配模型

在Creo 5.0 软件的“装配”模块中，首先选取FRONT和RIGHT 两个基准平面的相交线建立基准轴1；其次，根据齿轮传动的中心距分别建立两条与基准轴1 平行的基准轴，且中心距分别为230mm 和900mm；最后，选取“元件”选项卡中的“组装”按钮，以FRONT 平面为基准平面，在3 条基准轴上分别装配小齿轮、过桥齿轮和大齿圈。齿轮传动的装配模型[4]，如图5 所示。

图5 齿轮传动的装配模型和运动仿真

2 直齿圆柱齿轮机构的运动仿真

2.1 直齿圆柱齿轮的运动仿真

打开直齿圆柱齿轮机构的装配文件，在“机构”中定义齿轮副连接。齿轮副连接可以定义两个旋转轴之间的速度关系，以模拟一对齿轮之间的啮合关系和传动关系。在“齿轮副定义”对话框中，“运动轴”选取小齿轮的中心轴，“节圆”直径设置为160mm。同理，完成过桥齿轮和大齿圈的齿轮副连接设置。此外，为了实现机构的运动，需要为齿轮传动系统定义伺服电动机[5]。选取小齿轮轴线处的旋转标识作为电动机驱动的连接轴，设置小齿轮轴线上的加速度，完成运动定义，即先单击“机构分析”工具按钮将“类型”设置为“运动学”，再单击“运行”按钮，使齿轮传动开始转动，如图5 所示。

2.2 仿真结果分析

第一步，依次单击“机构”→“分析”→“测量”工具按钮，弹出“测量结果”对话框。第二步，单击“创建新测量”工具按钮，系统弹出“测量定义”对话框，在“类型”下拉列表中选择“速度”选项。第三步，单击“测量定义”对话框中“点或运动轴”的选取箭头，选取齿轮。第四步，点击小齿顶的一个顶点，在“测量结果”对话框的“测量”选项列表中选中“measure1”，并在“结果集”列表中选中“Analaysis Definition 1”选项。第五步，单击“测量结果”对话框中的“绘制图形”按钮，显示测量结果，如图6 所示。