基于CREO的参数化齿轮设计与运动仿真

曾 媛

（江西应用科技学院，江西 南昌 330000）

CREO软件是目前国内外应用最多的三维CAD/CAM工程软件之一，与其他的CAD/CAM软件相比，其最大的特点与优势就是全参数化[1]。在设计过程中，可以充分利用CREO软件的参数化功能，无需重复进行齿轮的建模，设置好相关的齿轮参数，一旦齿轮参数发生改变，模型也能随之变化，高效率地完成一个设计过程[2]。还能虚拟仿真齿轮传动，验证齿轮设计的正确性，使得齿轮设计更加直观。

1 齿轮模型的参数化设计

1.1 建模参数与关系式的建立

参数化的设计，即基本结构相同但是规格不相同的模型可以通过尺寸驱动生成新的模型。为了能够使三维模型进行尺寸驱动，需要设置所需的参数，并赋初始值及命名，然后添加合理的参数驱动关系。在CREO软件“零件”模块中，将表1所示的相关齿轮参数赋值，“类型”为实数型，其中部分（HF、HA、DA、DB、DF、 D）参数需要通过关系计算，所以无需指定固定的数值。

表1 添加参数并赋值

绘制4个圆，并对其变量名称依次命名为DA（齿顶圆直径）、DB（基圆直径）、D（分度圆直径）以及DF（齿根圆直径）。并把表1所示的部分（HF、HA、DA、DB、DF、 D）参数在CREO软件中添加相对应的关系式。得到如图1所示的基圆、齿根圆、分度圆、齿顶圆。（直径单位均为mm）

图1 渐开线曲线的生成

1.2 渐开线的生成

在CREO软件中，通过首先选择新建“基准曲线”，选择“从方程”建立，输入如下所示的渐开线曲线方程，即可自动生成一条基于设计变量的渐开线曲线，另外一条渐开线只需要通过镜像操作即可得到，如图1所示。

1.3 齿轮实体建模

基于上述操作，在CREO软件中，采用“拉伸”命令创建完第一个齿之后，利用阵列命令创建整个齿轮，为了实现参数化，需将阵列的尺寸增量关系设置为“360/Z”。得到如图2所示齿轮实体。

图2 齿轮实体

1.4 创建齿轮修饰

基于上述操作，在CREO软件中同样采用“拉伸”命令创建凹槽修饰，选择任意一边的齿轮平面为草绘平面，进行拉伸“去除材料”，为了实现齿轮修饰的参数化，需对相关变量添加关系式，如表2所示。

表2 齿轮修饰相关参数

1.5 齿轮的参数化模型

在CREO软件中，基于以上操作，最终可得到如图3所示的完整参数化齿轮即大齿轮模型。创建参数化齿轮之后，通过修改表1所示的相关参数，本文只修改齿宽B与齿数Z，分别修改为32与20，且删除凹槽与小孔，只保留轴孔，最终得到小齿轮模型如图4所示。

图3 大齿轮模型

图4 小齿轮模型

1.6 齿轮传动装配模型

在添加模型之前，需要创建基准轴，选取ASM-TOP与ASM-RIGHT平面相交线建立基准轴A1。添加小齿轮模型，选用销钉连接，定义小齿轮轴线与基准轴A1对齐，小齿轮FRONT平面与ASM-FRONT重合；新建平面DTM1与ASMRIGHT平面，相距大小齿轮的中心距离100/2+40/2=70 mm，以DTM1与TOP平面相交线建立基准轴A2作为大齿轮的装配轴，用同样的方式将大齿轮模型添加到组建模型中，此时齿轮传动的装配模型完成，如图5所示。

图5 齿轮装配模型

2 齿轮机构运动仿真

2.1 创建运动仿真

装配好零件后，在“应用程序”中选择“机构”，定义“齿轮副”。大小齿轮的节圆直径设置为分度圆直径，即设置40 mm与100 mm；选取小齿轮定义为“伺服电动机”，且设置小齿轮的运动速度为50°/s。设定完成之后，可以开始运动仿真，在仿真过程中如若发生干涉现象，则机构就会停止运动，可以达到齿轮机构干涉检测的目的[3-5]。

2.2 仿真结果

进入“机构”选择“分析定义”类型时选择“动力学”，这样可以生成一个结果集。进行“测量”，在大小齿轮齿顶圆处分别新建一个基准点（即测量点）。测量这两个点速度相对于时间的变化规律，测量结果曲线如图6所示。

分析测量结果可知，大齿轮的线速度为υ1＝18.10 mm/s，小齿轮的线速度为υ2＝19.14 mm/s。根据角速度ω＝v/r，其中r代表的是齿顶圆半径。可得小齿轮的角速度ω1＝v1/r1＝0.87 rad/s，大齿轮的角速度ω2＝v2/r2＝0.348 rad/s，由此可知大小齿轮的传动比=ω2/ω1＝2.5，与本文设置的参数理论传动比=大齿轮齿数Z1/小齿轮齿数Z2=50/20=2.5相等，说明齿轮建模正确。

3 总结

本文通过CREO软件对齿轮进行了参数化设计以及运动仿真。利用CREO软件进行齿轮的设计，与传统设计方法相比，具有快捷性、通用性与精确性等。本文的设计方法可为初学者设计齿轮提供相关参考以及为复杂的齿轮设计奠定相关基础。