基于Pro/E链轮参数化设计

【摘要】本文在链轮设计原理及主要尺寸计算公式的基础上，介绍了在Pro/Engineer中进行链轮三维建模时，如何通过建立模型参数和尺寸驱动关系构建链轮参数化模型，并通过参数控制创建不同参数的链轮三维模型的方法。
【关键词】链轮,参数化设计,Pro/Engineer,三维模型
    Pro/Engineer软件以使用方便、参数化特征明显的三维造型而著称，但由于其是通用设计软件，没有对特定的产品设计提供专用的开发模块，因而不能有效利用以前的设计资源。若企业想要发挥Pro/Engineer软件的作用、提高工作效率，必须根据企业产品的特征和形状对Pro/Engineer软件进行二次开发，加入产品设计专用模块。
    在各种传动机构中，链传动以其平均传动比准确、传动效率高、适合在油污和潮湿等恶劣环境条件下工作等优点而著称。其中，链轮是其主要的传动部件，为了提高链传动的研究和设计水平，利用Pro/Engineer软件建立链轮的参数化造型，在设计新链轮时，直接输入齿轮的各项参数即可自动生成新齿轮。
一、链轮齿廓曲线分析及主要参数介绍
    滚子链轮的齿形虽然已经标准化，但仅规定了滚子链轮齿槽的齿面圆弧半径、齿沟圆弧半径和齿沟角的最大值和最小值，各种链轮的实际端面齿形均应在最大和最小齿槽形状之间，这样处理使链轮齿廓曲线设计有很大的灵活性。齿形应保证链节能平稳自如地进入和退出啮合，并便于加工。符合上述要求的端面齿形曲线有多种，最常用的是“三圆弧一直线”齿形。本文所研究的链轮齿形造型就是根据“三圆弧一直线”原则建立的。如图1所示的端面齿形由3段圆弧（aa、ab、cd）和一段直线（bc）组成。这种“三圆弧一直线”的齿形基本上符合上述齿槽形状的范围，且具有较好的啮合性能，便于加工。链轮轴面齿形两侧呈圆弧状（见图2），以便于链节进入和退出啮合。

图1

图2

    链轮上被链条节距等分的圆称为分度圆，其直径用d表示（见图1）。若已知节距p和齿数z时，链轮主要尺寸的计算公式为：
分度圆直径（pitch diameter）:

d=p/(sin(180^o/z))
齿顶圆直径（outside diameter）:
da_max=d+1.25p-d1
da_min=d+（1-1.6/z）p-d1
齿根圆直径
df=d-d1（d1为滚子直径）
分度圆弦齿高ha
ha_max=（0.625+0.8/z）p-d1
ha_max=0.5（p-d1）
二、三维造型
  1.新建零件文件
  具体步骤为：
（1）新建零件文件“Chain_Gear”。
（2）取消选中“使用缺省模版”复选项，使用“mmns_part_solid”选项。
  2.添加链轮参数和关系式
具体步骤为：
（1）打开“参数”对话框，添加齿轮参数。
（2）打开“关系”对话框，添加链轮关系式，并通过这些关系和已知参数确定未知参数的数值。
（3）编辑“程序（Program）”建模程序。
编辑“程序”，使链轮模型更新时自动提示输入链轮的主要参数，并输入链轮的关系式，建立链轮和参数之间的关系。
  3.建立坐标系
  选取FRONT、RIGHT、TOP面作为参照，在定向中选取TOP面作为Z轴、FRONT面作为Y轴。
  4.分别建立链轮的齿根圆、分度圆和齿顶圆
（1）单击“草绘工具”，在TOP面上绘制3个圆，如图3所示。
（2）点击“信息”下拉菜单选择“切换尺寸”，以符号显示尺寸。

图3

（3）单击“工具”下拉菜单选择“关系”，打开关系式窗口，加入如下关系：
D1=dedentum_dia（齿根圆直径）
D2=pitch_dia（分度圆直径）
D3=addendum_dia（齿顶圆直径）
（4）单击“确定”结束输入。
（5）单击“更新”?坂“当前值”，系统将按照关系式计算这三条曲线。
   5.创建参数化渐开线曲线
（1）单击“草绘工具”，选择“草绘平面”为TOP面，草绘参照为FRONT面。
（2）进入草绘界面后，选择pitch_dia（分度圆直径）曲线及addendum_dia（齿顶圆直径）作为参照。
（3）作一条辅助线过分度圆与FRONT面的交点，以此为中心作半径为5.16（尺寸代号SD9）的圆；辅助线与FRONT面之间所形成夹角的度数标注为51.84（尺寸代号SD10）；作一圆，标其与FRONT面的纵向距离为13.03（尺寸代号SD11），与半径为5.16的圆的圆心的横向距离（靠左）为2.17（尺寸代号SD12），标此圆半径为7.40（尺寸代号SD13）；作圆与之前两圆相切，半径为13.28（尺寸代号SD14）。
（4）单击“工具”下拉菜单选择“关系”，打开关系式窗口，加入如下关系:
SD9=R1（齿沟圆弧半径）
SD10=ALFHA（二分之一齿沟角）
SD11=W（齿宽）
SD12=V（两段圆弧圆心之间的横向距离）
SD13=R3（第三段圆弧的半径）
SD14=R2（第二段圆弧的半径）
（5）对草绘曲线进行剪切处理，修剪保留“三圆弧一直线”。
（6）完成后渐开线如图4所示：

图4

  6.创建链轮主体
（1）单击“旋转”选择FRONT面作为草绘平面，参照平面为TOP面。
（2）进入草绘界面，选择RIGHT面、TOP面和齿顶圆与TOP面的交点为参照。
（3）点击“两点中心线”，选择TOP面为中心线依附面，再次点击“两点中心线”，选择RIGHT面为中心线依附面。
（4）从RIGHT面作一直线，相对TOP面标注直径尺寸为8.7（尺寸代号SD16），作一圆与此直线相切，圆心横坐标距齿顶圆与TOP面的交点7.9（尺寸代号SD17），标注此圆半径为16.9（尺寸代号SD18），过此交点作一垂直线与圆弧相交，点击“动态修剪切面图元”，修剪保留轮廓。点击“选取项目”，选择修剪好的图元，点击“镜像”，选取依附于TOP面的中心线为镜像中心线。
（5）单击“工具”下拉菜单选择“关系”，打开关系式窗口，加入如下关系:
SD16=B（链轮机体厚度）
SD17=H（齿高）
SD18=R4（轴向齿廓半径）
完成草绘，退出草绘界面，点击“确定”完成[旋转]特征。
  7.创建第一个齿隙
（1）点击“拉伸”，在快捷菜单中选择“去处材料”，选择TOP面作为草绘平面，参照平面为FRONT面
（2）进入草绘界面，选取渐开线曲线及轮体轮廓线作为参照。
（3）点击“两点中心线”，选择FRONT面为中心线依附面。
（4）点击“通过边创建图元”，选取渐开线曲线及与之相交的轮体轮廓线，通过“动态修剪切面图元”修剪去除不必要的图元，点击“镜像”，选取依附于FRONT面的中心线为镜像中心线。
（5）完成草绘，退出草绘界面，深度选择“拉伸至与所有平面相交”，点击“确定”完成“拉伸”特征。
  8.阵列齿隙
（1）点击“复制”上述齿隙特征，点击“选择性粘贴”，选择“对副本应用移动/旋转变换”，在快捷菜单中选取旋转，选择中心轴作为转轴，输入18.9（尺寸代号D198）作为转角角度。完成后如图5所示。完成后打开“关系”及“程序”，加入如下关系式，以建立阵列特征数与齿数之间的联系。D198=360/（P2+1）

图5

（2）阵列上述特征。在快捷菜单中选择“尺寸”以创建阵列，选择尺寸SD198，数目为18。如图6所示：

图6

三、参数化应用
    将上面创建的链轮模型作为通用模型，每次创建新的链轮时只要将上面建立的模型打开，点击“再生”命令，在弹出的菜单管理器中点击“输入”，按照PRO/Engineer系统信息栏的提示输入相应的链轮的各项参数，即可生成新的链轮模型。同时，还可以根据实际情况增加次要参数设置，建立企业内部的常用件模型库，从而使建模更加方便、省时。
    在PRO/Engineer系统中以链轮为例，通过建立模型参数和尺寸驱动关系创建链轮参数化模型，并通过参数控制，方便快捷地创建不同参数的链轮三维模型。这种链轮参数化模型构建方法，解决了常规链轮三维模型创建中不能精确表达渐开线及同类链轮需要多次重建的问题，体现了参数化设计的优越性。实践证明，该方法实用有效，对各种链轮及常用标准件参数化通用模型库的建立具有重要意义。

   【作者简介】汤达伟，任职于上海烟草机械有限责任公司技术开发部，主要从事烟机设计工作，负责YB25型软盒包装机组的改进、研发、施工配合等工作，曾负责开发商标纸底部分离装置项目，并参与设计开发了旋转料斗装置项目。