基于CATIA的零件的参数化设计

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图3.9 绘制轴承内外圈草图

3.草图绕y轴旋转，得到轴承基本框架。如图3.10所示：

图3.10 旋转草图

4.轴承内外圈倒圆角操作。

5.以上面草图为参照，绘制滚子草图，如图3.11所示。旋转后得到一个滚子，如图3.12所示。

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图3.11 绘制滚子草图

图3.12 旋转滚子草图

6.阵列滚子，完成圆锥滚子轴承实体建模，如图3.13所示：

图3.13 阵列滚子

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按照以上方法，依次完成调心球轴承，圆柱滚子轴承的实体建模。如图3.14所示：

图3.14（a） 调心球滚子轴承 图 3.14（b） 圆柱滚子轴承

3.3轴承库的建立

下面仅以圆锥滚子轴承为例，说明轴承库的建立过程

1.打开已经建好的圆锥滚子轴承零件，然后点击“设计表”——“用当前的参数值创建设计表”——“确定”，在弹出的对话框中选择“重命名的参数”，然后插入要插入的参数(d,D,T,B,C),再将表格保存至相应位置，注意是英文名[14]。如图3.15所示：

图3.15 设计表中插入参数

2.打开EXCEL,编辑刚才保存的表格，查机械设计手册，输入相应参数。左上角那列输入零件号 “PartNumber”。注意要标明单位[15]。编辑结果如表3.1所示：

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表3.1 圆锥滚子轴承参数表

3.重新点击“设计表”——“从预先存在的文件中创建设计表”，在弹出的对话框中选择刚才编辑的表格。出现“想要自动关联参数”，选择“是”。继续选择“关联”，将“零件名/定义”与“PartNumber”关联。检查各参数是否与表格列的数据关联，最后保存。如图3.16所示：

图3.16 将模型参数和设计表中参数相关联

4.新建CatalogDocument文件,点击“章节”——“对象”——“定义”，改名滚动轴承。继续点击“添加零部件系列”按钮，选择保存的圆锥滚子轴承零件。至此建库成功。如图3.17所示：

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图3.17 添加轴承至库

建库结果如图3.18所示：

图3.18 圆锥滚子轴承建库结果图

同理建立深沟球轴承，圆柱滚子轴承，调心球轴承的零件库，如图3.19所示：

图3.19 常见轴承建库结果图

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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

ee

Parametric design of parts based on CATIA

Author: 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

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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

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致谢 .......................................................... 28 参考文献 ...................................................... 29

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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]。

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3.1.3滚动轴承的代号

1．基本代号

基本代号用来表明轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型，一般最多为五位数，分述如下：

1）轴承内径用基本代号右起第一、二位数字表示。对常用内径d=20～480mm的轴承内径一般为5的倍数，这两位数字表示轴承内径尺寸被5除得的商数，如04表示d＝20mm；12表示 d＝60mm等等。对于内径为10mm、12mm、15mm和17mm的轴承，内径代号依次为00、01、02和03。对于内径小于10mm和大于500mm 轴承，内径表示方法另有规定，可参看 GB／T272—93[11]。

2）轴承的直径系列（即结构相同、内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化系列）用基本代号右起第三位数字表示。例如，对于向心轴承和向心推力轴承，0、1表示特轻系列；2表示轻系列；3表示中系列；4表示重系列。推力轴承除了用1表示特轻系列之外，其余与向心轴承的表示一致。

3）轴承的宽度系列（即结构、内径和直径系列都相同的轴承宽度方面的变化系列）用基本代号右起第四位数字表示。直径系列的对比列为0系列（正常系列）时，对多数轴承在代号中可不标出宽度系列代号O，但对于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承，宽度系列代号0应标出。

直径系列代号和宽度系列代号统称为尺寸系列代号。

4）轴承类型代号用基本代号右起第五位数字表示（对圆柱滚子轴承和滚针轴承等类型代号为字母）。 2．后置代号

轴承的后置代号是用字母和数字等表示轴承的结构、公差及材料的特殊要求等等。后置代号的内容很多，下面介绍几个常用的代号。

1）内部结构代号是表示同一类型轴承的不同内部结构，用字母紧跟着基本代号表示。如：接触角为15°、25°和40°的角接触球轴承分别用C、AC和B表示内部结构的不同。

2）轴承的公差等级分为2级、4级、5级、6级、6X级和0级，共6个级别，依次由高级到低级，其代号分别为／PZ、／P4、／P5、／P6、／P6X和／PO。公差等级中， 6X级仅适用于圆锥滚子轴承； 0级为普通级，在轴承代号中不标出。

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3）常用的轴承径向游隙系列分为1组、2组、0组、3组、4组和5组，共6个组别，径向游隙依次由小到大。0组游隙是常用的游隙组别，在轴承代号中不标出，其余的游隙组别在轴承代号中分别用／CI、／CZ、／C3、／C4、／CS表示。

3．前置代号

轴承的前置代号用于表示轴承的分部件，用字母表示。如用 L表示可分离轴承的可分离套圈；K表示轴承的滚动体与保持架组件等等。

3.1.4滚动轴承类型的选择

选择滚动轴承类型时，应考虑轴承的工作载荷（大小、性质、方向）转速及其它使

用要求。

1.转速较高、载荷较小、要求旋转精度高时宜选用球轴承；转速较低、载荷较大或有冲击荷时则选用滚子轴承。

2.轴承上同时受径向和轴向联合载荷,一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；若径向载荷较大、轴向载荷小，可选用深沟球轴承；而当轴向载荷较大、径向载荷小时，可采用推力角接触球轴承、四点接触球轴承或选用推力球轴承和深沟球轴承的组合结构。

3.各类轴承使用时内、外圈间的倾斜角应控制在允许角偏斜值之内，否则会增大轴承的附加载荷而降低寿命。

4.刚度要求较大的轴系，宜选用双列球轴承、滚子轴承或四点接触球轴承，载荷特大或有较大冲击力时可在同一支点上采用双列或多列滚子轴承。轴承系统的刚度高可提高轴的旋转精度、减少振动噪声[12]。

5.为便于安装拆卸和调整间隙常选用内、外圈可分离的分离型轴承（如圆锥滚子轴承、四点接触球轴承）。

6.选轴承时应注意经济性。球轴承比滚子轴承便宜。同型号尺寸公差等级为P0、P6、P5、P4、P2、的滚动轴承价格比约为1∶1.5∶2∶7∶10。

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3.2轴承参数化建模

3.2.1深沟球轴承

1.新建零件，并建立参数（轴承内外圈直径d、D,轴承宽度B，滚珠半径r）。如图3.2所示：

图3.2 定义轴承基本参数

2.yz平面建立轴承内外圈草图，相关尺寸查阅机械设计手册，用参数及公式定义[13]。如图3.3所示：

图3.3 建立轴承内外圈草图

3.将草图绕y轴旋转，得到轴承基本框架。如图3.4所示：

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图3.4 旋转草图

4.以上面草图为参照，绘制滚珠草图，如图3.5。旋转后得到一个滚珠，如图3.6。

图3.5 绘制滚珠草图

图3.6 旋转滚珠草图

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5.阵列滚珠，完成深沟球轴承实体建模。如图3.7：

图3.7 阵列滚珠

3.2.2 圆锥滚子轴承

1.新建零件，并定义相关参数（d,D,T,B,C，a等），如图3.8所示：

图3.8 建立轴承基本参数

2.yz平面建立轴承内外圈草图，相关尺寸查阅机械设计手册，用参数及公式定义尺寸。如图3.9所示：

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2.2.3 直齿轮实体建模

点击 开始 —— 形状 —— 创成式外形设计。

1.在xy平面上插入7个点。其位置由xd(t)和yd(t)规则函数来定义。点击“插入点”，在H输入栏中单击鼠标右键，选择编辑公式。在“字典”栏中选择“参数”，然后在“参数成员”栏中选择“Law”，双击“关系\\x”,然后再在“字典”栏中选择“规则”，在“参数成员”栏中选择“Law. Evaluate(实数)：实数”，输入0，表示当t取0时对应的x取值。同理在V输入栏中设置“关系\\y.Evaluate(0)，此时完成点1的建立。类似地，分别取t=0.1,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4，完成另外6个点的创建[7]。如图2.5所示：

图2.5 建立渐开线上的点

2.做一条包含上面7个渐开线点的样条曲线。

3.朝齿轮的中心外插样条曲线（由经验公式，外伸长度=2*m），如图2.6所示：

图2.6 外插样条曲线

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4.定义接触点:(渐开线曲线与分度圆的相交点)。由于此点的极坐标角度等于压力角，可让变量参数t=a/180deg，来创建它。

5.定义接触面：（齿轮轴线和接触点来确定）

6.定义单个齿的中值平面和初始平面。将接触面分别绕齿轮轴线旋转90deg/z,-90deg/z便可以得到。三面的关系如图2.7（a）示，中值面建立如图2.7（b） 所示：

图2.7（a） 三面几何关系示意图 图2.7（b） 中值面的建立

7. 画齿根圆：首先在初始平面上确定齿根圆的初始点9（V=0,H=-df/2）,然后用“中心与点”定义齿根圆。(中心点坐标为0，0, 0 ) 如图2.8所示：

图2.8 画齿根圆

8. 插入齿根圆与外插样条线之间的圆角（rr=0.38*m），多余的曲线应被切除，如

图2.9所示：

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图2.9 倒圆角

9.画齿顶圆：（用中心和半径）中心为原点，半径为齿顶圆半径ra=da/2，如图2.10：

图2.10 画齿顶圆

10.将第8步修建的曲线沿中值面对称，得到齿轮齿廓的另一边。 11.修剪圆角、对称与齿顶圆得到单个齿的轮廓，如图2.11所示：

图2.11 单个齿廓

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12.将所得单个齿廓阵列（圆周图样，实例为齿轮齿数），即可得整个齿轮齿廓，如图2.12所示：

图2.12 阵列单个齿轮齿廓

13.接合阵列与单个齿廓，如图2.13所示：

图2.13 接合齿廓

14.建立直齿轮实体模型：点击“开始”——机械设计——零部件设计，再点击“填充器”按钮(长度为齿轮壁厚),完成实体建模，如图2.14所示。改变相关参数（m,z, b,a），就可得到不同的齿轮模型。

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图2.14 拉伸成实体模型

2.2.4 斜齿轮实体建模

根据斜齿轮的性质：若将斜齿轮分度圆柱面展开则螺旋线成为一条斜直线，它和轴线夹角即为分度圆上的螺旋角β。故绘制时可以，先在轴线的水平面上绘制一条斜直线，使其与轴线夹角为螺旋角β（调用f(x)）。然后，将此直线投影至分度圆柱面上就可得到螺旋线[8]。

1.从直齿轮实体建模第14步开始：画分度圆（用中心和半径），如图2.15：

图2.15 画分度圆

2.曲面拉伸分度圆，如图2.16所示：

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图2.16 曲面拉伸分度圆

3.yz平面画斜直线：长度为b/cos(β),与z轴夹角为β，一端与原点相合。如图2.17所示：

图2.17 画斜直线

4.将斜直线投影至分度圆拉伸曲面上（按钮“插入”—“线框”—“投影”），如图2.18所示：

图2.18 投影斜直线

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5.建立斜齿轮实体模型：点击“开始”——“机械设计”——“零部件设计”——“肋”，完成实体建模，如图2.19所示。改变相关参数（m,z, β,b,a），就可得到不同的齿轮模型。

图2.19 肋定义完成斜齿轮实体建模

2.3齿轮装配和运动仿真

2.3.1 齿轮装配

1.新建“product”，点击 开始——机械设计——装配件设计，调入要装配的零件。

施加合适的位置约束,完成两个齿轮的安装，并通过碰撞停止命令适当的调整使两个齿轮相互啮合。装配结果如图2.20所示。

图2.20 装配结果

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2.点击 开始——数字模型——DMU kinematics ,用“旋转接合”命令分别定义齿轮1、齿轮2与齿轮盖的连接。

3.点击 插入——固定零部件 ，固定齿轮盖。

2.3.2 运动仿真

1. 在已经装配好的两个齿轮间，选择刚才建立的两个旋转副，添加“齿轮接合”命令,在Rotation direction 中设定好齿轮的传动方向, 再施加一个角度驱动后, 系统就可以进行机构运动仿真，如图2.21所示。在仿真过程中可以添加干涉分析和距离分析, 可以将分析设定为停止, 这样在发生干涉时设计者可以查看干涉的具体情况[9]。

图2.21 齿轮接合定义大小齿轮

2．然后点击“使用命令进行模拟”，两个齿轮就能运动起来了。如图2.22所示：

图2.22 模拟运动

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视频录制，如图2.23所示：

图2.23 视频录制

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3. 滚动轴承建库

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。

3.1滚动轴承概述

3.1.1滚动轴承组成

滚动轴承基本结构由内圈，外圈，滚动体，保持架四部分组成。内圈用来与轴颈装配，外圈用来与轴承座孔装配。常见的滚动体有：球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子、滚针等。轴承内、外圈上的滚道，有限制滚动体沿轴向位移的作用。保持架的主要作用是均匀地隔开滚动体。保持架有冲压和实体两种。冲压保持架一般用低碳钢板冲压而成，实体保持架通常用铜合金或铝合金等制造[10]。

滚动轴承的内圈、外圈、滚动体，一般是用高炭铬轴承钢或渗碳轴承钢制造的，热处理后的硬度一般不低于60HRC。通常轴承的工作温度不高于120℃。

3.1.2滚动轴承分类

滚动轴承按承受外载荷的不同可分为：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。 滚动轴承按照结构可分为：调心球轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、推力圆柱滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等。如图3.1所示：

图3.1 常见轴承结构图

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4. 总结

通过这几个月的学习，我已经掌握了CATIA软件的一些基本命令，基本操作，能够独自完成零件的参数化建模及零件建库工作。毕设期间，虽然也遇到了很多困难,但在老师的帮助指导下终于克服，我深刻地体会到做什么事情都不是一蹴而就的，还是应该认真地坚持下去。

本次毕设，我完成了渐开线圆柱直齿轮、渐开线圆柱斜齿轮、圆锥滚子轴承、深沟球滚子轴承等常见零件的参数化设计以及轴承零件库的建立。CATIA强大的曲面建模功能，知识驱动功能给设计工作带来很大的方便。可以看到，参数化设计大大提高了模型的生成和修改速度，其优越性、效率性显著， 在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。

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致谢

在本次论文设计过程中，ee老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我学习的楷模。 其次感谢我的同学与朋友对我的关心与帮助。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。

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参考文献

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[5]李益民等.机械制造工艺设计简明手册.机械工业出版社.2005.7

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[7]詹熙达,王焕田,刘静.CATIA V5 快速入门教程[M].北京:机械工业出版社,2008.

[8]徐洪友.CATIA V5环境下标准渐开线斜齿圆柱齿轮参数化设计[J].客车技术. 2008年第6期. [9] 彭春雷,基于CATIA的渐开线圆柱齿轮建模及运动仿真.中国高新技术企业，2010年第9期. [10]濮良贵,纪名刚.机械设计.北京高等教育出版社.2006.5

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