专利名称：一种面齿轮轮齿参数化建模方法
技术领域：
本发明涉及一种轮齿参数化建模的方法。
背景技术：
面齿轮传动是一种新型齿轮传动，具有结构紧凑、单级传动比高、重合度大、扭矩分流精度高等许多独特的优点，适用于空间任意角度换向传动等场合，尤其对于高速重载情况，因此具有非常广阔的市场与发展前景。然而，面齿轮的齿面不是常见的渐开线或其它常见的齿面，其几何形状很复杂，尤其是斜齿面齿轮，其齿面方程无法用显性方程来表示， 使用CAD/CAE等商业软件很难实现面齿轮轮齿的参数化建模。因此，目前关于面齿轮轮齿建模方法的报道很少。近年来，在国家自然科学基金与航空科学基金的资助下，南京航空航天大学、西北工业大学等高校逐步展开了对面齿轮的静力、动力、接触应力等强度分析，插齿、滚齿、磨齿等加工方法的研究。其中与轮齿建模有关的报道主要有2006年，付自平在硕士学位论文 《正交面齿轮的插齿加工仿真和磨齿原理研究》第三章中基于VB与AutoCAD的二次开发， 建立插齿刀与齿坯实体，然后模拟面齿轮插齿的加工过程，从而生成面齿轮的三维模型。该方法需要占用较大的内存，对硬件有一定的要求，加工过程占用机时长，需要观察来估计最小内径与最大外径等齿宽限制，插出的齿面粗糙，导入CAE软件有时会出现求解失败。2006 年，白云飞在硕士学位论文《斜齿圆柱齿轮和面齿轮啮合传动的几何和静力学仿真》第五章中采用逆向法，通过Matlab求解齿面方程组得到离散坐标点，将坐标点输出到可以导入到 UG的文件格式，在UG内通过点云插值生成片体，再经过片体剪切、缝补等操作得到齿面片体，最后用齿面片体切分实体获得轮齿实体。该方法曲面造型过程繁琐，需经过反复尝试， 才能获得齿面片体，点云插值生成齿面降低了齿面精度。2008年，曾晓春在硕士学位论文 《斜齿面齿轮传动啮合分析及滚齿加工方法研究》第四章中采用逆向法，将在MATLAB中通过数值方法所求出的数据点按一定的顺序存入到记录文件，使用proe的内嵌开发语言编辑这些数据，并将其导入到PR0/E环境，自动生成一序列样条曲线，通过曲线组等曲面造型获得齿面片体。相对点云，该方法更容易实现，齿面精度也有所提高，但是由于PROE拟合样条曲线并不经过所有的坐标点，误差累加使齿面精度仍然不是很高，而且导入到PROE或CAE 软件时需要转化数据或文件格式，不容易实现参数化建模。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面齿轮轮齿参数化建模方法，能够提高面齿轮轮齿建模质量，实现了面齿轮轮齿设计与建模的参数化、智能化。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤1、面齿轮的齿面数值计算1. 1)采集面齿轮的基本参数，包括面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数、最小齿宽。根据齿轮啮合原理中的根切界限点定理，求解非线性方程组得到面齿轮最小内径。根据空间两两相交的三个齿面相交于一点现象，求解非线性方程组得面齿轮齿面的最大外径。若求解的最小内径大于最大外径，则结果不收敛，需要重新采集基本参数进行计算。若求解的最大外径小于最小内径和最小齿宽之和，则需要重新采集最小齿轮或者基本参数进行计算。1. 2)当求得最小内径与最大外径为非正整数时，将面齿轮的最小内径向较大正整数圆整，使圆整后最小内径比圆整前大0. 01 1. 5mm ；将面齿轮最大外径向较小正整数圆整，使圆整后最大外径大于圆整后最小内径和最小齿宽之和。依据基本参数与圆整后的最小内径、最大外径，根据齿面啮合原理，求解啮合方程获得一侧齿面离散点坐标。2、处理齿面离散点坐标数据，使之能够直接读入到ANSYS环境，其具体过程为2. 1)在默认笛卡尔坐标系下，将齿面离散点坐标绕Y轴旋转角度2 π /Ν2得到另一侧齿面离散点坐标。其中Ν2为面齿轮齿数。2. 2)获取两侧齿面离散点坐标Z轴的最小值，沿Z轴移动齿面离散点，使齿面离散点坐标Z轴最小值为0。2. 3)获取两侧齿面离散点中的第NH、(1+NW)*NH、NW*NH、2*NW*NH点(轮齿齿底面上的四个端点)的X、Y坐标，通过夹角公式计算得到轮齿齿线与X轴的夹角sita。其中，NW为齿宽方向点数，NH为齿高方向点数。2. 4)将两侧齿面离散点绕Y轴逆时针旋转夹角sita，使直齿轮齿实体关于X轴对称、Y柱坐标系下斜齿轮齿的X坐标相等。2. 5)创建chengXU02. dat文件，并以生成关键点的形式将两侧齿面离散点按照编号输出到文件中。其中点的编号规律为(i_l)*NH+j，i为第i列，j表示第j行。2. 6)创建CMcanshu. dat文件，将面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数、NH、NW、圆整后最小内径、最大外径依次输出到数据文件之中。3、参数化建立轮齿实体模型通过命令流，自低而上，创建点、线、面、体，从而参数化建立面齿轮轮齿的实体模型，其具体过程为3. 1)在默认笛卡尔坐标系下，将CMcanshu. dat与chengxu02. dat文件导入到ANSYS环境，生成齿面关键点点云，点的编号依次为1 2*NW*NH。3.2)在齿面上沿齿高方向，拟合关键点生成齿侧面上一系列样条曲线，则点云中的所有关键点均在样条曲线上，样条曲线的编号依次为1 2*NW。3.3)连接样条曲线的上端点，生成齿顶面上的一系列直线，直线的编号依次为2*NW+1 3#W。3. 4)分别选择编号1 NW、NW+1 2*NW的所有样条曲线，进行蒙皮，生成轮齿的周向侧面Al、A2。3. 5)选择编号2*NW+1 3*NW的所有直线，进行蒙皮，生成轮齿的齿顶面A3。3. 6)选择编号为3*NW+2、3*NW+4的曲线，进行蒙皮，生成轮齿的齿底面A4。3. 7)选择编号为l、NW+l、2*NW+l、3*NW+6的四条封闭曲线，进行蒙皮，生成轮齿的内径侧面A5。3. 8)选择编号为NW、2*NW*、3*NW、3*NW+5四条封闭曲线，进行蒙皮，生成轮齿的外径侧面A6。3. 9)选择所有面Al A6，通过封闭曲面生成单齿的实体模型VI。3. 10)采集所生成轮齿的轮缘厚度limy_h。3. 11)将默认笛卡尔坐标系转换成Y柱坐标系，获取单齿底面的四个顶点的坐标， 其中X表示半径；Y表示角度；Z表示轴向高度。3. 12)旋转单齿实体，使其齿顶面A3向上，内径侧面A5向左，外径侧面A6向右。 如附图7所示，沿面齿轮周向将轮缘分成三段，逆时针旋转分别定义为低端面轮缘、中间轮缘、高端面轮缘，其中中间轮缘与轮齿有共同面A4，低端面轮缘与高端面轮缘有相等的旋转角。3. 13)根据坐标点公式，生成低端面轮缘顶面的的两个外侧端点，沿径向的编号为 2*NW*NH+l、2*NW*NH+2 ；生成高端面轮缘顶面的两个外侧端点，沿径向编号为2*NW*NH+3、 2*NW*NH+4;生成低端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为 2*NW*NH+5、2*NW*NH+6与2*NW*NH+9、2*NW*NH+10 ；生成高端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为2*NW*NH+7、2*NW*NH+8与2*NW*NH+11、2*NW*NH+12。3. 14)按照点编号依次连接各点，生成轮缘顶面上的直线、轮毂侧面上的直线，轮缘底面上的直线，线的编号依次为3*NW+7 3*NW+30。3. 15)通过轮缘顶面与底面上的关键点，按面齿轮周向逆时针旋转依次生成三段轮缘实体低端面轮缘V2、中间轮缘V3、高端面轮缘V4，从而获得参数化实体模型。4、参数化建立轮齿有限元模型通过命令流，实现了参数化等分关键线，实现轮齿的有限元模型参数化，其具体过程为4. 1)定义齿顶齿厚的等分数为dfsl、高/低端面轮缘厚度的等分数为dfs2、齿高等分数为dfs3、齿宽等分数为dfs4、轮缘高度等分数为dfs5。4. 2)采集材料属性的密度、弹性模量、泊松比、有限元单元类型、定义变量dfsl dfs5的赋值。4. 3)选择编号为3*NW、3*NW+5、3*NW+6的曲线，对面齿轮轮的齿厚进行等分，等分数为dfsl。4. 4)选择编号为3*NW+8、3*NW+9、3*NW+11、3*NW+12的曲线，对高端面轮缘和低端面轮缘的厚度进行等分，等分数为dfS2。4. 5)选择编号为NW、NW+1、2*NW的曲线，对沿着轮齿的齿高的样条曲线进行等分， 等分数为dfs3。4. 6)选择编号为3*NW+l、3*NW+2、3*NW+4的曲线，对轮齿齿宽与轮缘宽度进行等分，等分数为dfs4。4. 7)选择编号为3*NW+13、3*NW+14、3*NW+17、3*NW+18的曲线，对三段轮缘的高度进行等分，等分数为dfs5。4. 8)选择所有实体进行映射网格划分，从而获得参数化有限元模型。本发明的有益效果是本发明通过Matlab与APDL混合编程，集面齿轮齿宽设计、 齿面仿真、实体建模、有限元建模等功能于一体，实现了面齿轮轮齿的设计与建模的参数化、智能化，有限元模型质量高，降低了设计人员的工作量，提高了工作效率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1.本发明提出的技术方案流程图；图2.本发明提出的数据处理前的齿面离散点图；图3.本发明提出的数据处理后的齿面离散点图；图4.本发明提出的齿面拟合曲线图；图5.本发明提出的面齿轮齿面图；图6.本发明提出的面齿轮单齿实体图；图7.本发明提出的面齿轮轮齿三段轮缘模型图；图8.本发明提出的面齿轮轮齿实体模型图；图9.本发明提出的面齿轮轮齿有限元模型图。
具体实施例方式1、面齿轮的齿面数值计算表1正交面齿轮设计参数1. 1)如表1所示，采集基本参数。根据齿轮啮合原理中的根切界限点定理，求解非线性方程组得面齿轮最小内径为128. 4458mm ；根据空间两两相交的三个齿面相交于一点的现象，求解非线性方程组得面齿轮齿面的最大外径为151.6871mm。最大外径-最小内径 > 18mm，求解结果收敛，符合齿宽提出的要求。1. 2)圆整后面齿轮的齿宽必要满足最小内径彡1四讓，最大外径彡151mm，最大外径-最小内径> 18mm。此案例中取最小内径与最大外径分别为130mm、150mm。根据面齿轮齿面啮合方程，求解非线性方程组得齿面点坐标。其结果如图1所示。2、数据处理处理齿面点坐标数据，使之能够直接读入到ANSYS环境，其具体过程为2. 1)如图2所示，在默认笛卡尔坐标系下，将齿面离散点坐标绕Y轴旋转2 π /89 得到另一侧齿面离散点坐标。
2. 2)获取齿面离散点坐标Z轴的最小值，沿Z轴移动两侧齿面离散点，使齿面离散点Z轴最小值为0。2. 3)获取齿面离散点中的第10、110、100、200点(轮齿齿底面上的四个端点)的X、Y坐标，通过夹角公式计算得到轮齿齿线与X轴的夹角Sita。2. 4)将两侧齿面离散点绕Y轴逆时针旋转夹角sita，使直齿轮齿实体关于X轴对称，Y柱坐标系下斜齿轮齿的X坐标相等。2. 5)创建chengXU02. dat文件，并以生成关键点的形式将两侧齿面离散点按照编号输出到文件中。其中点的编号规律为(i-l)*10+j，i为第i列，j表示第j行。2. 6)创建CMcanshu. dat文件，将面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数、NH、NW、圆整后最小内径与最大外径依次输出到数据文件之中。3、参数化建立轮齿实体模型通过命令流，自低而上，创建点、线、面、体，从而参数化建立面齿轮实体模型，其具体过程为3. 1)如图3所示，在默认笛卡尔坐标系下，将CMcanshu. dat与chengxu02. dat文件导入到ANSYS环境，生成齿面关键点点云，点的编号依次为1 200。3. 2)如图4所示，在齿面上沿齿高方向，拟合关键点生成齿侧面上一系列样条曲线，则点云中的所有关键点均在样条曲线上，样条曲线的编依次为1 20。3. 3)连接样条曲线的上端点，生成齿顶面上的一系列直线，线的编号依次为21 30。3. 4)如图5所示，分别选择编号1 10、11 20的所有的样条曲线，进行蒙皮，生成轮齿的周向侧面Al、A2。3. 5)选择编号21 30的所有的直线，进行蒙皮，生成轮齿的齿顶面A3。3.6)选择编号为32、34两条曲线，进行蒙皮，生成轮齿的齿底面A4。3.7)选择编号为1、11、21、36曲线，进行蒙皮，生成生成轮齿的内径侧面A5。3.8)选择编号为10、20、30、35四条封闭曲线，进行蒙皮，生成生成轮齿的外径侧面A6。3. 9)如图6所示，选择所有面Al A6，通过封闭曲面生成单齿的实体模型VI。3. 10)如表1所示，采集轮齿的轮缘厚度luny_h。3. 11)将笛卡尔坐标系转换成Y柱坐标系，获取单齿底面的四个顶点的坐标，其中X表示半径；Y表示角度；Z表示轴向高度。3. 12)如附图7所示，旋转单齿实体，使其齿顶面A3向上，内径侧面A5向左，外径侧面A6向右。沿面齿轮周向将轮缘分成三段，逆时针旋转分别定义为低端面轮缘、中间轮缘、高端面轮缘，其中中间轮缘与轮齿有共同面A4，低端面轮缘与高端面轮缘有相等的旋转角。3. 13)根据坐标点公式，生成低端面轮缘顶面的的两个外侧端点，沿径向的编号为201,202 ；生成高端面轮缘顶面的两个外侧端点，沿径向编号为203、204 ；生成低端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为205、206与209、210 ；生成高端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为207、208与211、212。
3. 14)按照点编号依次连接，生成轮缘顶面上的直线、轮毂侧面上的直线，轮缘底面上的直线，线的编号介于37 60。3. 15)如图8所示，通过轮缘顶面与底面上的关键点，按面齿轮周向逆时针旋转依次生成三段轮缘实体低端面轮缘V2、中间轮缘V3、高端面轮缘V4，从而获得参数化实体模型。4、参数化建立轮齿有限元模型通过命令流，实现了参数化等分关键线，实现轮齿的有限元模型参数化，其具体过程为4. 1)定义齿顶齿厚的等分数为dfsl、高/低端面轮缘厚度的等分数为dfs2、齿高等分数为dfs3、齿宽等分数为dfs4、轮缘高度等分数为dfs5。4. 2)如表2所示，采集材料属性的密度、弹性模量、泊松比、有限元单元类型。如表 3所示，采集定义变量dfsl dfs5的数值。表2材料属性与有限元单元类型
权利要求
1. 一种面齿轮轮齿参数化建模方法，其特征在于包括下述步骤.1)面齿轮的齿面数值计算，其具体过程为.1.1)采集面齿轮的基本参数，包括面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数和最小齿宽；根据齿轮啮合原理中的根切界限点定理，求解非线性方程组得到面齿轮最小内径；根据空间两两相交的三个齿面相交于一点现象，求解非线性方程组得面齿轮齿面的最大外径；若求解的最小内径大于最大外径，则结果不收敛，需要重新采集基本参数进行计算；若求解的最大外径小于最小内径和最小齿宽之和，则需要重新采集最小齿轮或者基本参数进行计算；.1.2)当求得最小内径与最大外径为非正整数时，将面齿轮的最小内径向较大正整数圆整，使圆整后最小内径比圆整前大0. 01 1. 5mm ；将面齿轮最大外径向较小正整数圆整，使圆整后最大外径大于圆整后最小内径和最小齿宽之和；依据基本参数与圆整后的最小内径、最大外径，根据齿面啮合原理，求解啮合方程获得一侧齿面离散点坐标； .2)处理齿面离散点坐标数据，使之能够直接读入到ANSYS环境，其具体过程为.2.1)在默认笛卡尔坐标系下，将齿面离散点坐标绕Y轴旋转角度2 π /Ν2得到另一侧齿面离散点坐标，其中Ν2为面齿轮齿数；.2. 2)获取两侧齿面离散点坐标Z轴的最小值，沿Z轴移动齿面离散点，使齿面离散点坐标Z轴最小值为0 ；.2. 3)获取两侧齿面离散点中的第NH、(1+NW)*NH、NW*NH、2*NW*NH点的X、Y坐标，通过夹角公式计算得到轮齿齿线与X轴的夹角sita，其中，NW为齿宽方向点数，NH为齿高方向点数；.2. 4)将两侧齿面离散点绕Y轴逆时针旋转夹角sita，使直齿轮齿实体关于X轴对称、Y柱坐标系下斜齿轮齿的X坐标相等；.2. 5)创建chengXU02. dat文件，并以生成关键点的形式将两侧齿面离散点按照编号输出到文件中；其中点的编号规律为(i_l)*NH+j，i为第i列，j表示第j行；.2.6)创建CMcanshu. dat文件，将面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数、NH、NW、圆整后最小内径、最大外径依次输出到数据文件之中； .3)参数化建立轮齿实体模型，其具体过程为.3.1)在默认笛卡尔坐标系下，将CMcanshu. dat与chengxu02. dat文件导入到ANSYS环境，生成齿面关键点点云，点的编号依次为1 2*NW*NH ；.3. 2)在齿面上沿齿高方向，拟合关键点生成齿侧面上一系列样条曲线，则点云中的所有关键点均在样条曲线上，样条曲线的编号依次为1 2*NW ；.3. 3)连接样条曲线的上端点，生成齿顶面上的一系列直线，直线的编号依次为.2*NW+1 ；.3. 4)分别选择编号1 NW、NW+1 2*NW的所有样条曲线，进行蒙皮，生成轮齿的周向侧面A1、A2 ；.3. 5)选择编号2*NW+1 3*NW的所有直线，进行蒙皮，生成轮齿的齿顶面A3 ；.3. 6)选择编号为3*NW+2、3*NW+4的曲线，进行蒙皮，生成轮齿的齿底面A4 ；.3. 7)选择编号为l、NW+l、2*NW+l、3*NW+6的四条封闭曲线，进行蒙皮，生成轮齿的内径侧面A5 ；.3. 8)选择编号为NW、2*NW*、3*NW、3*NW+5四条封闭曲线，进行蒙皮，生成轮齿的外径侧面A6 ；.3. 9)选择所有面Al A6，通过封闭曲面生成单齿的实体模型Vl ；.3. 10)采集所生成轮齿的轮缘厚度luny_h ；.3. 11)将默认笛卡尔坐标系转换成Y柱坐标系，获取单齿底面的四个顶点的坐标，其中X表示半径；Y表示角度；Z表示轴向高度；.3. 12)旋转单齿实体，使其齿顶面A3向上，内径侧面A5向左，外径侧面A6向右，沿面齿轮周向将轮缘分成三段，逆时针旋转分别定义为低端面轮缘、中间轮缘、高端面轮缘，其中中间轮缘与轮齿有共同面A4，低端面轮缘与高端面轮缘有相等的旋转角；.3. 13)根据坐标点公式，生成低端面轮缘顶面的的两个外侧端点，沿径向的编号为.2*NW*NH+l、2*NW*NH+2 ；生成高端面轮缘顶面的两个外侧端点，沿径向编号为2*NW*NH+3、.2*NW*NH+4;生成低端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为.2*NW*NH+5、2*NW*NH+6与2*NW*NH+9、2*NW*NH+10 ；生成高端面轮缘底面的四个端点，外侧与内侧端点的沿径向编号分别为2*NW*NH+7、2*NW*NH+8与2*NW*NH+11、2*NW*NH+12 ；.3. 14)按照点编号依次连接各点，生成轮缘顶面上的直线、轮毂侧面上的直线，轮缘底面上的直线，线的编号依次为3*NW+7 3*NW+30 ；.3.15)通过轮缘顶面与底面上的关键点，按面齿轮周向逆时针旋转依次生成三段轮缘实体低端面轮缘V2、中间轮缘V3、高端面轮缘V4，从而获得参数化实体模型；.4)参数化建立轮齿有限元模型，其具体过程为.4.1)定义齿顶齿厚的等分数为dfsl、高/低端面轮缘厚度的等分数为dfs2、齿高等分数为dfs3、齿宽等分数为dfs4、轮缘高度等分数为dfs5 ；.4. 2)采集材料属性的密度、弹性模量、泊松比、有限元单元类型、定义变量dfsl dfs5的赋值；.4. 3)选择编号为3*NW、3*NW+5、3*NW+6的曲线，对面齿轮轮的齿厚进行等分，等分数为dfsl ；.4. 4)选择编号为3*NW+8、3*NW+9、3*NW+11、3*NW+12的曲线，对高端面轮缘和低端面轮缘的厚度进行等分，等分数为dfs2 ；.4. 5)选择编号为NW、NW+1、2*NW的曲线，对沿着轮齿的齿高的样条曲线进行等分，等分数为dfs3 ；.4. 6)选择编号为3*NW+l、3*NW+2、3*NW+4的曲线，对轮齿齿宽与轮缘宽度进行等分，等分数为dfs4 ；.4. 7)选择编号为3*NW+13、3*NW+14、3*NW+17、3*NW+18的曲线，对三段轮缘的高度进行等分，等分数为dfs5;.4. 8)选择所有实体进行映射网格划分，从而获得参数化有限元模型。
全文摘要
本发明公开了一种面齿轮轮齿参数化建模方法，首先进行面齿轮的齿面数值计算，然后处理齿面离散点坐标数据，使之能够直接读入到ANSYS环境，在参数化建立轮齿实体模型之后，参数化建立轮齿有限元模型，从而获得参数化有限元模型。本发明通过Matlab与APDL混合编程，集面齿轮齿宽设计、齿面仿真、实体建模、有限元建模等功能于一体，实现了面齿轮轮齿的设计与建模的参数化、智能化，有限元模型质量高，降低了设计人员的工作量，提高了工作效率。
文档编号G06F17/50GK102567596SQ20121005425
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者侯圣文, 赵宁, 郭辉 申请人:西北工业大学