基于MATLAB與CATIA的漸開線斜齒輪精確快速建模方法研究

葛德，徐飛，林勇

（無錫商業(yè)職業(yè)技術學院機電技術學院，江蘇無錫 214153）

0 引言

齒輪傳動是近代機器中最常見的一種機械傳動，是傳遞機器動力和運動的一種主要形式。斜齒輪因其在傳動中傳動平穩(wěn)、噪聲小、承載能力高等特點而被廣泛使用。CAD環(huán)節(jié)則是整個CAX流程的基礎，對于形狀復雜的斜齒輪精確快速建模及后續(xù)方案修改，通過三維設計軟件平臺變量與參數(shù)的混合建?？奢p松實現(xiàn)，大幅縮短產(chǎn)品設計周期。本文在對斜齒輪深入研究基礎上，指出一種現(xiàn)有建模方法上的錯誤思路，并提出一種基于MATLAB和CATIA多平臺環(huán)境下的斜齒輪快速精確建模方法。

1 漸開線齒輪的形成原理

1.1 齒輪漸開線的形成原理

如圖1所示，當一條直線MN沿半徑為rb的圓周作純滾動時，其直線上任意一點M的軌跡PM就是該圓的漸開線。在直角坐標系下，動點M軌跡方程為：

圖1 漸開線生成原理

式中：θ為漸開線發(fā)生線的滾動角，θ=θk+αk；θk為漸開線展角；αk為漸開線壓力角。

1.2 斜齒輪齒面的形成原理

圖2所示為斜齒齒輪形成原理圖，由圖可知，當發(fā)生面BB″T′t沿半徑為rb的基圓柱作純滾動時，發(fā)生面上直線BB′所展出的漸開面BB″A′A為直齒輪齒廓曲面。斜齒輪齒廓曲面的形成與直齒輪類似，只是發(fā)生面上的直線與軸線不再平行，而是與基圓柱軸線成一角度βb，即斜直線BB″的運動所展出的曲面BB″A″A為斜齒輪的齒廓曲面。漸開曲面BB″A″A與基圓柱的交線AA″是一條螺旋線，螺旋角為βb，故斜齒輪的齒廓曲面為漸開螺旋面。

圖2 斜齒齒輪面形成原理

2 基于CATIA建模分析

2.1 建模方法分析

國內(nèi)部分學者基于CATIA進行漸開線斜齒輪參數(shù)化建模時，一般是以直齒輪齒廓為基礎，按照螺旋角β進行三維拉伸，在CATIA中建立基本參數(shù)連接相關公式繪制若干點對應坐標[1-3]。其中在β的定義過程中有兩種思路：一是以建立螺旋線參數(shù)方程生成螺旋曲線為路徑，進而完成斜齒輪實體建模；二是以按照螺旋角β定義通過投影獲得所需螺旋角，生成實體建模。在此過程中主要存在以下幾點問題：

1）在CATIA中，由于漸開線是以樣條曲線聯(lián)接參數(shù)方程生成若干關鍵控制點所形成，點數(shù)數(shù)量有限且繪制不精確，樣條曲線與理論廓線差距較大，齒廓精度無法保證，最終影響數(shù)值模擬分析。這也是困擾廣大科研工作者的一大核心問題。

2）輪齒齒廓漸開線展角θk沒有固定值，通常選取θk>>[θa]（輪齒齒廓展角），以避免在更改齒輪參數(shù)時，因漸開線長度不夠而出現(xiàn)錯誤。在θk取值一定的情況下，所繪制漸開線精度與控制點數(shù)成正相關，精度越高所需點數(shù)越多，生成數(shù)據(jù)也就越龐大。

3）在進行實體成形時，有相關技術人員采用的參考β以投影方法，將一平面上的與齒輪軸線夾角成β斜線投影到分度圓圓柱面，這并非按照斜齒輪螺旋角β的定義——展開（純滾動）進行，最終齒輪的螺旋角β′≠β，而應通過建立以螺旋線參數(shù)方程生成螺旋曲線做為螺旋角β。

基于上述問題分析，在CATIA進行斜齒輪參數(shù)化建模時，輪齒齒廓會產(chǎn)生多元偏差，在進行有限元仿真分析時，會產(chǎn)生較大誤差。

2.2 改進方案

利用MATLAB GUI進行漸開線齒廓的繪制并生成可控關鍵點，通過宏運算將可控關鍵點導入CATIA，進而在CATIA中完成三維實體建模。該方案有如下優(yōu)勢：

1）漸開線繪制的高效性。通過程序編譯自動生成漸開線關鍵點及相應坐標，利用宏運算將點云數(shù)據(jù)批量導入CATIA環(huán)境中，免去在CATIA中手動輸入并編輯點的工作，同時保證了漸開線的精度。

2）輪齒齒廓最大展角θk具有自適應性。在生成漸開線的程序中通過設置方程約束，確定了θk邊界條件，生成的漸開線即為有效漸開線，且輪齒齒廓展角θa會隨齒輪參數(shù)更改而自行更新，實現(xiàn)了漸開線的精確自動繪制，生成的數(shù)據(jù)簡潔有效。

3）螺旋角β具有較高的可靠性。進行肋特征的參考β按照螺旋角的定義，通過展開特征獲得，并非通過投影獲得（具體內(nèi)容見下文），這就保證了齒輪螺旋角β的正確性。

3 漸開線斜齒輪參數(shù)化建模實例

現(xiàn)以某新型汽車變速箱行星齒輪為例，基于MATLAB進行交互界面程序開發(fā)，在CATIA環(huán)境下進行斜齒輪的參數(shù)化建模，相關參數(shù)指標如表1所示。

表1 某新型汽車變速箱行星輪部分參數(shù)

3.1 漸開線展角θk邊界條件

由圖1及漸開線方程可知，漸開線在向徑為rk處的展角θk為

由圖3可知，在標準漸開線齒廓當中，齒頂圓與漸開線有且僅有一交點k，OK為標準齒輪齒廓漸開線最大向徑rk，由幾何關系知：

圖3 齒輪齒廓漸開線曲線

式中：α為標準漸開線齒輪壓力角，取定值20°；z為標準漸開線齒輪齒數(shù)；[θa]max為最大齒廓展角。

式（3）表明：漸開線標準齒廓展角θa大小僅與齒數(shù)z有關，與模數(shù)m無關，因此標準齒輪齒廓漸開線展角θk的邊界條件為[0,θa]。

3.2 基于MATLAB GUI及CATIA聯(lián)合建模過程

本文利用MATLAB 開發(fā)漸開線曲線設計平臺，通過輸入相關參數(shù)，生成漸開線曲線圖形，最后導出點云數(shù)據(jù)。所開發(fā)的軟件界面如圖4所示。

圖4 標準齒輪漸開線曲線參數(shù)化設計平臺界面

程序主窗口包含方程顯示區(qū)、參變量輸入?yún)^(qū)、圖像顯示區(qū)、命令區(qū)。預設參變量缺省值為0，通過更改控制取樣點數(shù)可以達到控制漸開線精度的目的。以行星齒輪為例，通過輸入表1中相關參數(shù)，生成的曲線為二維曲線，在保存點云數(shù)據(jù)時，軟件會自動填補曲線第三維坐標為0。將保存的三維點云坐標通過宏運算將點云數(shù)據(jù)批量導入CATIA環(huán)境中，生成漸開線曲線如圖5所示，圖中所示取樣點數(shù)為100。在CATIA環(huán)境下生成一個帶參標準漸開線齒輪的端面幾何圖形，如圖6所示。

圖5 基于MATLAB GUI與CATIA GSD環(huán)境下實現(xiàn)漸開線繪制

圖6 全齒端面幾何圖形

3.3 螺旋角β的分析與繪制

通常在CATIA中進行三維特征創(chuàng)建時，所采用的螺旋角β為投影方法得到，而應用此方法所得到的螺旋角β已不是斜齒輪所用的螺旋角β，即采用投影法繪制的圖形是錯誤的。

在一般情形下，已知基圓半徑rb，漸開線上K點處坐標（Kx，Ky）（Kx≠0），建立一般情況下的直角坐標系如圖7（假設圖示點均位于第一象限）所示。

圖7 漸開線通用坐標系

設M、B、A 三點坐標分別為（Mx，My）、（Bx，By）、（Ax，Ay），則有：

如圖8所示，已知rb=10 mm，K點坐標為(4,11)，按照式（4）～式（6），得M、B、A三點坐標分別為M（3.417 436,9.397 934）、B（7.803 677,6.253 208）、A（2.830 540,9.591 037），通過驗證，上述推理完全正確，即論證了投影與展開的區(qū)別。圖9為采用展開方法建立的齒輪數(shù)模。

圖8 投影與展開驗證

圖9 漸開線斜齒輪三維數(shù)模圖

3.4 螺旋角β的驗證

為對所建立的斜齒輪模型準確性進行驗證，按照螺旋線的定義，將生成的三維實體隨機取樣，用于驗證斜齒輪螺旋角β的正確性。如圖10所示，各取樣點處的螺旋角度均為β，所建數(shù)模符合要求。圖11為隨機更改齒輪相關參數(shù)（z=30、β=8°）獲得的齒輪數(shù)模，數(shù)模隨參數(shù)變化而自動更新，表明建模思路方法是切實可行的。

圖10 行星輪某齒各取樣點下螺旋角β值

圖11 更改齒輪參數(shù)后數(shù)模及螺旋角β

4 結語

1）分析了在利用CATIA進行斜齒輪數(shù)字化建模時，易出現(xiàn)的幾點缺陷及產(chǎn)生原因，并提出相對應解決方案。

2）分析并得出了漸開線齒輪漸開線展角與齒輪基本參數(shù)之間函數(shù)的關系，并基于上述成果實現(xiàn)了基于MATLAB的可用于生成標準直齒輪漸開線曲線的可執(zhí)行程序開發(fā)，提高了漸開線繪制精度和效率。

3）分析了CATIA曲面建模中，投影與展開命令的原理，得出各點坐標推導關系，指出并糾正了一種斜齒輪螺旋角β的繪制思路方法。

4）實現(xiàn)了基于MATLAB與CATIA的漸開線標準斜（直）齒輪參數(shù)化建模方法，為齒輪傳動系統(tǒng)的快速三維實體建模及后續(xù)相關仿真分析奠定基礎。