使用CAXA、UG快速精确为齿轮建模和仿真分析

　　本文探讨了使用CAXA、UG快速精确为齿轮建模和仿真分析的相关内容。

　　介绍了常用于齿轮三雏建模的方法和它们各自的优缺点，以设计某一型号减速器的直齿圆柱齿轮为例，介绍了利用CAXA、UG软件对齿轮进行快速精确建模设计的过程，并根据实际设计需求，用软件对所设计齿轮进行了仿真分析。过程表明，这2种软件结合对齿轮进行设计建模快捷、有效，为其他类似产品研发设计提供了有效的依据。

　　齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠寿命长和传动平稳等显著特点，是机械传动中最主要的一类传动，应用很广泛，最常用的传动齿轮是渐开线齿轮。

　　由于齿廓曲线是渐开线，在设计齿轮进行三维建模时，齿廓曲线需要满足渐开线方程，直接用渐开线方程建模比较麻烦，费工费时，精度也有限，且建模的精度将会影响到后续的有限元分析、仿真结果以及齿轮的制造精度等。工程中常用的齿轮建模方法主要采用二次开发来实现其建模或利用三维建模软件本身提供的强大建模功能完成对齿轮的建模，其中，二次开发的方法投入大，周期长，通用性差，而利用CAD软件可以在较短的时间内实现形状复杂零件的三维建模，并进行相应的后续仿真分析等。UG是被广泛使用的CAD软件，它具有强大的三维建模功能，并能对所建模型进行后续的受力分析、运动仿真及进行数控加工等。而CAXA 电子图板是带有种类齐全的参量国标图库的高效、方便、智能化的国产二维绘图CAD软件。因此在设计齿轮时，常可以把2个软件结合起来使用，实现建模的快速准确，提高产品的研发设计效率，下面以实例来介绍这种方法。

　　1 创建齿轮的三维实体模型

　　1.1 建立齿轮端面齿廓曲线

　　如为某型号减速器设计圆柱直齿齿轮，齿廓曲线是渐开线。齿轮设计参数要求如下：模数m=4mm，齿数Z=21，压力角α=2O°，齿宽b=54mm。建立齿轮端面齿廓曲线时可以利用UG 中本身具有基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化设计的功能来设计。但需要首先利用UG的“表达式(Expression)”模块把渐开线方程表示出来，再用“曲线(Curve)”模块生成一个单齿1侧的渐开线曲线，通过齿轮的齿顶圆、齿根圆等参数修剪出一个轮齿1侧的齿廓曲线;再画出该单轮齿的中心线，利用“镜像”命令可以做出对应侧的齿廓曲线，即做出了单个轮齿的齿廓曲线;再用“变换”、“多重复制”等命令即可画出所有齿的轮廓曲线，即齿轮端面齿廓曲线。但这个建造过程比较繁琐，容易出错，精度低，速度慢。可以利用CAXA电子图板软件本身具有的参量国标图库的特点直接用其画齿轮命令，只要输入齿轮的相应参数，即可直接绘制出相应齿轮的端面齿廓曲线，再把生成的端面齿廓曲线保存成*.dwg、*.dxf或*.igs格式，导人到UG 中。用CAXA电子图板参数化参量国标图库画的齿轮端面齿廓曲线生成过程及结果示意图如图1、图2所示。

　　由图示过程可以看出，利用CAxA电子图板参数化建立齿轮端面齿廓曲线，方便、快捷、精确度高。

　　1.2 完成齿轮的实体模型

　　用UG建齿轮的实体模型时，直接把CAXA电子图板生成的二维齿轮端面齿廓曲线文件导入，用“拉伸”命令对齿轮端面齿廓曲线直接拉伸到轮齿的宽度b=54 mm 即可得轮齿的精确模型，再用“拉伸去除”等相关命令完成键槽等相关几何尺寸，即完成齿轮的精确实体模型的建造，过程如图3所示。

　　2 齿轮的仿真分析

　　应用UG 自身带的“高级仿真”模块对所设计的齿轮进行仿真分析。首先，定义齿轮的材料，该例中根据齿轮的实际取材及材料的性能参数定义材料。材料为45钢，密度为7.8g/cm3，弹性模量E取21OGPa，切变模量G取为8l GPa，泊松比取为0.25，热膨胀系数取18.48×10-6/℃，强度极限取650MPa，屈服极限取360 MPa。根据齿轮实际工况条件，加约束，加载荷，选择定义的材料，分单元网格，然后进行仿真分析。仿真分析的结果可以以图示或报告的形式给出，根据结果可以分析轮齿在载荷作用下变形量的大小及应力应变的大小，看是否满足设计的要求。若不满足要求，则可以通过更改其材料或其它相应的尺寸参数等，重新进行设计分析，直到满足设计要求为止。

　　3 结语

　　利用CAXA 电子图板具有参量国标齿轮图库精确快捷绘制齿轮端面齿廓曲线的功能和UG三维软件强大的建模及设计分析功能，实现了齿轮的快速精确建模及设计分析，提高了产品的研发效率，为类似产品的研发设计提供了有效的方法。