基于CATIA的零件的参数化设计作者：ee（ee）指导老师：ee【摘要】：介绍了在CATIA环境下渐开线圆柱齿轮的参数化设计、运动仿真以及常见滚动轴承零件库的建立方法。

着重描述了渐开线圆柱齿轮齿廓的绘制、深沟球轴承、圆锥滚子轴承的建模过程。

设计人员通过改变有关参数或从库中直接调用零件，就可达到设计要求，缩短设计周期、减少重复工作、提高设计效率。

【关键词】：CATIA; 参数化设计；渐开线；圆柱齿轮；轴承；零件库Parametric design of parts based on CATIAAuthor: ee(ee)Tutor: ee[Abstract]:In this paper, a method to complete the parametric design, simulation of involute cylindrical gear and establish the common rolling bearing parts library by CATIA is introduced. The drawing of tooth profile of involute cylindrical gear and the process of modeling of deep groove ball bearings, tapered roller bearing is emphatically described. By changing related parameters or call directly from the parts library, it can achieve the requirements of design, shorten the design cycle, reduce duplication of work and improve the efficiency of design.[Key word]: CATIA; parametric design; involute; cylindrical gear; bearing; parts library目录引言 (1)1.CATIA软件简介 (2)2.齿轮参数化设计 (3)2.1齿轮建模综述 (3)2.1.1齿轮建模分析 (3)2.1.2渐开线方程的推导 (3)2.2齿轮参数化建模 (5)2.2.1建立齿轮基本参数 (5)2.2.2 渐开线方程的生成 (6)2.2.3 直齿轮实体建模 (7)2.2.4 斜齿轮实体建模 (11)2.3齿轮装配和运动仿真 (13)2.3.1 齿轮装配 (13)2.3.2 运动仿真 (14)3. 滚动轴承建库 (16)3.1滚动轴承概述 (16)3.1.1滚动轴承组成 (16)3.1.2滚动轴承分类 (16)3.1.3滚动轴承的代号 (17)3.1.4滚动轴承类型的选择 (18)3.2轴承参数化建模 (19)3.2.1深沟球轴承 (19)3.2.2 圆锥滚子轴承 (21)3.3轴承库的建立 (24)4. 总结 (27)致谢 (28)参考文献 (29)引言渐开线圆柱齿轮是现代机械中最常见的一种传动机构, 广泛应用于机床传动装置、各种减速器以及车辆的变速箱等, 是最具代表性的一种齿轮。

圆柱直齿轮用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，容易产生冲击，振动和噪音。

圆柱斜齿轮除可用于平行中传动，还可用于交叉轴传动（螺旋齿轮机构），其特点是重合系数大，传动平稳，齿轮强度高，适于重负载。

齿轮设计的基本参数有：齿数,模数,压力角,齿顶高系数,顶隙系数，螺旋角。

轴承是机械工业和民用器具使用广泛、要求严格的配套基础件。

品种多样复杂，性能要求严格，是一种精密标准机械部件。

而其中滚动轴承是标准化、系列化程度最高的一种。

一般来讲，滚动轴承由内圈，外圈，滚动体，保持架四部分组成。

由于齿轮和轴承的标准化、系列化，我们就可以通过参数化建模，零件建库来提高设计效率，缩短设计周期。

CATIA软件不仅提供了大量常用的参数化特征体，而且用户可以根据产品特点和开发需要，建立自己的参数化特征库。

本文以渐开线圆柱齿轮，深沟球轴承，圆锥滚子轴承为例，探讨利用CATIA的知识顾问模块，建立产品的参数化知识库，实现产品参数造型设计、建库的方法[1]。

1.CATIA软件简介CATIA（ Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。

作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

它是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。

模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。

广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造业中。

CATIA 核心技术：CATIA先进的混合建模技术，CATIA所有模块具有全相关性，并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短，CATIA覆盖了产品开发的整个过程。

CATIA独特的曲面设计模块：1.Generic Shape Design, GSD，创成式造型。

2.Free Style Surface, FSS, 自由风格造型。

3.Automotive Class A,汽车A级曲面。

4.FreeStyle Sketch Tracer，FST，自由风格草图绘制。

5.Digitized Shape Editor，DSE，数字曲面编辑器。

6.Quick Surface Reconstruction, 快速曲面重构。

7.Shape Sculpter, 小三角片体外形编辑。

8.Automotive BIW Fastening，汽车白车身紧固。

9.Image & Shape。

10.Healing Assistant，曲面缝补工具。

CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。

围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。

在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。

CATIA V5版本具有特点： 1.重新构造的新一代体系结构。

2.支持不同应用层次的可扩充性。

3.与NT和UNIX硬件平台的独立性。

4.专用知识的捕捉和重复使用。

5.给现存客户平稳升级[2]。

目前常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和Solidworks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。

Pro/Engineer是参数化设计的鼻祖，参数化设计的实现最先就是由Pro/Engineer实现，目前主要应用于消费电子、小家电和日用品、发动机设计等行业；UG和CATIA在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两个软件占据绝对的市场份额[3]。

2.齿轮参数化设计齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。

它依靠轮齿齿廓直接接触来传递任意两轴之间的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点。

但同时制造安装精度要求高，成本较高。

对于定传动比传动的齿轮来说，目前最常用的齿廓曲线是渐开线，其次是摆线和变态摆线。

本文主要阐述说明渐开线圆柱直齿轮和渐开线圆柱斜齿轮的参数化建模方法[4]。

2.1齿轮建模综述2.1.1齿轮建模分析首先，对于压力角a=20°，齿顶高系数ha*=1的标准渐开线直齿圆柱齿轮来说，具有最小齿数的限制，齿轮齿数z的最小取值为17。

又由于标准渐开线直齿圆柱齿轮是斜齿轮的特例，当斜齿轮螺旋角β为零即是直齿轮。

其次，对于齿根圆半径大于基圆半径和齿根圆半径小于基圆半径的两种情况（齿根圆半径等于基圆半径实际是不可能发生的），齿廓的曲线是不同的。

当齿根圆半径rf<基圆半径rb，齿根圆与齿廓渐开线有一段过渡曲线，而当齿根圆半径rf >基圆半径rb 时，齿廓曲线完全是渐开线，所以实现参数化齿轮建模时要考虑这两种情况。

对于标准渐开线直齿圆柱齿轮，计算可得当z<42时（即是rf<rb的情况），齿根圆与齿廓渐开线有一段过渡线；而z>=42，齿廓曲线完全是渐开线。

为了提高渐开线圆柱齿轮零件的建模效率，这里采用统一的建模方法，即一个零件包罗上述的两种情况。

当齿根圆半径rf<基圆半径rb时（齿根圆半径rf>基圆半径rb时，延伸与不延伸都一样，），在CATIA V5软件创成式外形设计中通过曲线外插延伸的指令功能，将渐开线向齿根圆方向延伸（延伸长度为0.2*m），然后与齿根圆进行圆角操作（圆角半径为0.38*m），再通过中值面镜像，就可得到一个齿廓的形状。

最后，圆周阵列出整个齿轮齿廓，进入零部件设计界面，使用填充器命令完成建模[5]。

2.1.2渐开线方程的推导由机械原理可知，渐开线的形状仅取决于基圆（即齿轮的渐开线形状仅取决于模数m、齿数z以及压力角a），基圆内无渐开线，发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的圆弧长度，渐开线上任一点的法线恒与基圆相切等性质。

如图2.1所示，其中XOY构成标准直角坐标系，O为坐标原点，半径为rb的圆为基圆，即渐开线的发生圆，直线KN为渐开线的发生线，圆弧AKB即是渐开线。

OK为渐开线K点的矢径，垂直于矢径OK的直线KV为速度矢量,连接KO。

渐开线过K点的法线KN 交基圆于N点，由渐开线的性质可知，KN相切于基圆。

过N点向X轴作垂线交X轴于Q 点，过K点向直线NQ作垂线，垂足为P。

∠KOA称为展角，记为θ（即角b），∠NOA称为滚动角，记为Φ（即角c），KV与KN的夹角称为压力角，记为a。

由几何关系可以看出∠NOK=a[6]。

图2.1 渐开线形成结构示意图在极坐标系中，渐开线方程可写为：rk=rb/cos(a),θ=Φ-a=tan(a)-a。

x y）,则得在直角坐标系下，∠KNP=∠NOA=Φ(弧度)。

记点K的坐标为（ ,k kx=OQ+PK=ON*cos(Φ)+NK*sin(Φ)k= ON*cos(Φ)+AN*sin(Φ) //( AN表示圆弧AN的长)=rb*cos(Φ)+rb*Φ*sin(Φ)，y=NQ-NP=ON*sin(Φ)-NK*cos(Φ)k= ON*sin(Φ)-AN*cos(Φ)=rb*sin(Φ)-rb*Φ*cos(Φ)。