基于SolidWorks的齒輪油泵的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真

董麗琴（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071000）

?

基于SolidWorks的齒輪油泵的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真

董麗琴
（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071000）

摘 要：本文以齒輪油泵為例，利用SolidWorks軟件進(jìn)行零件三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，重點(diǎn)介紹齒輪的建模及裝配方法，為同類產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)提供有效參考，并為在校學(xué)生深入學(xué)習(xí)solidworks軟件提供必要幫助。

關(guān)鍵詞：solidworks軟件；齒輪建模；虛擬裝配；運(yùn)動(dòng)仿真

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維CAD 技術(shù)得到普及。SolidWorks作為主流機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大簡(jiǎn)便易學(xué)。本文通過(guò)solidworks軟件對(duì)齒輪油泵各組成零部件的實(shí)體造型、虛擬裝配、拆裝動(dòng)畫(huà)、運(yùn)動(dòng)仿真的描述，真實(shí)地展示了齒輪油泵的實(shí)際裝配和工作過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從而降低成本，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。本文中所有實(shí)例均采用solidworks2012版完成。

1 齒輪油泵三維實(shí)體建模

齒輪油泵是各種機(jī)械潤(rùn)滑和液壓系統(tǒng)的輸油裝置。是機(jī)械設(shè)計(jì)中基本部件。由泵體、泵蓋、主動(dòng)軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)軸、從動(dòng)齒輪、墊片、緊蓋螺釘、填料、壓蓋、壓蓋螺母、定位銷等十幾個(gè)零件組成。

對(duì)初學(xué)者或?qū)olidWorks軟件不太熟悉的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，齒輪建模比較困難，下面介紹幾種方便實(shí)用的建模方法。

1.1 方法1——利用GearTrax中文版齒輪插件

GearTrax是一個(gè)SolidWorks常用插件，為機(jī)械工程師提供了一種簡(jiǎn)單方便用于精確齒輪及齒輪副的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具，可設(shè)計(jì)的圓柱齒輪、圓錐齒輪、齒形帶輪、蝸輪蝸桿、花鍵、帶輪等，方便快捷，且模型精確程度較高。

在GearTrax操作界面中按齒輪參數(shù)要求輸入齒輪模數(shù)，齒數(shù)、齒面厚度、斜齒輪需輸入螺旋角及左右旋向，點(diǎn)擊完成按鈕，使用時(shí)最好提前打開(kāi)solidworks軟件并設(shè)置使用英文菜單，齒輪輪齒將在SolidWorks軟件中自動(dòng)完成，再自行建造齒輪輪轂、輪輻、鍵槽或銷孔等結(jié)構(gòu)即可完成齒輪建模。

1.2 方法2——利用參數(shù)方程控制齒輪建模

（1）點(diǎn)擊主菜單“工具/方程式”，根據(jù)齒輪參數(shù)關(guān)系輸入齒輪基本參數(shù)及分度圓、齒頂圓、齒根圓、基圓等方程式。（2）建造回轉(zhuǎn)體齒輪齒坯。（3）根據(jù)齒輪輪廓曲線性質(zhì)，用圓弧近似代替漸漸開(kāi)線齒廓的齒槽，拉伸切除，完成一個(gè)齒槽。（4）圓周陣列完成所有齒槽切除。

這種方法要求熟悉齒輪基本公式及軟件的參數(shù)方程控制方法，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，且建模齒輪精確度不高，為以后的干涉檢查等有限元分析帶來(lái)麻煩。但此方法具有一般性，可完成一些不能直接完成的曲線，值得學(xué)習(xí)的一種方法。

廣西民族音樂(lè)博物館是在廣西藝術(shù)學(xué)院“廣西民族民間藝術(shù)藏品館”的基礎(chǔ)上擴(kuò)展建成，于2015年開(kāi)始立項(xiàng)建設(shè)，共斥資2300萬(wàn)。博物館建筑面積近2600平方米，布展區(qū)域達(dá)1400平方米，收藏音樂(lè)展品約1200余件（套），涵蓋樂(lè)器實(shí)物、傳統(tǒng)歌本、樂(lè)譜、手稿、音像資料等多個(gè)內(nèi)容，并通過(guò)多媒體影像、圖文解說(shuō)等形式再現(xiàn)八桂傳統(tǒng)音樂(lè)的精彩風(fēng)貌，主要功能為展示、傳承廣西傳統(tǒng)音樂(lè)并進(jìn)行音樂(lè)展演與研究活動(dòng)。

1.3 利用CAXA電子圖板齒輪曲線

CAXA電子圖板中有漸開(kāi)線齒輪輪廓曲線，輸入直齒圓柱齒輪模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)等基本參數(shù)，即可生成直齒齒輪端面輪廓曲線，保存成CAD類型文件，SolidWorks軟件與CAD軟件有很好的數(shù)據(jù)交換性能，插入dwg圖形文件，通過(guò)拉伸或掃描可生成直齒或斜齒齒輪輪廓，然后再對(duì)齒輪輪轂、輪輻結(jié)構(gòu)，完成齒輪造型，這種方法簡(jiǎn)便易行，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求不要，而且齒輪精度也比較高，是一種不錯(cuò)的方法。

2 齒輪油泵虛擬裝配

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，單個(gè)零件的造型沒(méi)有實(shí)際意義，必須將零件裝配成完整機(jī)器或部件以表達(dá)工作原理、各零件之間的配合關(guān)系,也是以后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢查以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器工作動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。裝配在機(jī)械設(shè)計(jì)中有非常重要的意義。

SolidWorks軟件裝配是將已經(jīng)建模完成的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加共面、同軸、平行等各零件間的相互配合關(guān)系，使各零件保持準(zhǔn)確的工作位置。一般來(lái)說(shuō)固定零件需要完全定位，而運(yùn)動(dòng)零件需要部分定位而保留相應(yīng)方向移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等相應(yīng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。SolidWorks系統(tǒng)默認(rèn)首個(gè)插入零件是固定的,作為其它后續(xù)零件裝配的基礎(chǔ)和參考。所以裝配時(shí)首個(gè)零件選擇很重要，一般選擇產(chǎn)品的支架、底座等基礎(chǔ)件。

齒輪油泵具體裝配過(guò)程如下：新建裝配體文件，選擇泵體作為首個(gè)插入零件。然后逐一插入齒輪軸，齒輪、銷、密封件、泵蓋、螺釘?shù)攘慵?。在裝配過(guò)程中齒輪的裝配是難點(diǎn)，這里重點(diǎn)介紹一下齒輪的裝配以保證齒輪輪齒的正確嚙合。（1）油泵總裝前最好將主/從動(dòng)齒輪、主/從動(dòng)齒輪軸及銷分別裝配成主動(dòng)/從動(dòng)齒輪軸裝配體，以便于整體裝配；（2）分別插入主動(dòng)、從動(dòng)齒輪軸裝配體，分別保持與泵體的兩軸孔同軸，以保證兩齒輪中心距正確，選擇軸向位置準(zhǔn)確；（3）齒輪造型時(shí)，無(wú)論采用哪種齒輪造型方法都要選擇齒輪輪廓草圖中分別繪制由中心到齒輪齒頂中點(diǎn)及中心到齒根中點(diǎn)的中心線，并繪制齒輪分度圓。裝配時(shí)選擇分別屬于兩齒輪的上述兩線重合，即嚙合時(shí)保證一齒輪的齒廓插入另一齒輪的齒槽，使齒輪保持正確的初始嚙合位置；如圖1所示。（4）壓縮該重合配合，選擇插入/配合/機(jī)械配合/齒輪，選擇齒輪分度圓弧，系統(tǒng)自動(dòng)出現(xiàn)兩齒輪傳動(dòng)比率，回車(chē)確定完成機(jī)械配合。如圖1所示。

完成后的齒輪機(jī)械配合初始位置準(zhǔn)確，保證齒輪正確嚙合及動(dòng)畫(huà)仿真的及后續(xù)干涉檢查準(zhǔn)確性。

3 齒輪油泵運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)制作

為了能夠展示產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案及運(yùn)動(dòng)效果,需要制作裝配體仿真動(dòng)畫(huà)。

SolidWorks軟件能夠通過(guò)模擬實(shí)現(xiàn)機(jī)械的各種仿真運(yùn)動(dòng)。添加模擬馬達(dá)、彈簧或引力在裝配體的原動(dòng)件上，通過(guò)各零件的裝配關(guān)系使從動(dòng)件隨之運(yùn)動(dòng)起來(lái)，觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)裝配體的運(yùn)動(dòng)仿真。

下面以齒輪油泵主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為例介紹裝配體工作原理及仿真動(dòng)畫(huà)的制作方法。

齒輪油泵主動(dòng)軸通過(guò)鍵或銷連接齒輪帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)從動(dòng)齒輪動(dòng)，從而引起齒輪兩側(cè)體積變化產(chǎn)生壓力差，體積增大一側(cè)壓力降低，從進(jìn)油口吸油進(jìn)入泵腔內(nèi)。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽中的油不斷沿運(yùn)動(dòng)方向被輪齒帶出油口一側(cè)，高壓油從出油口送到輸油系統(tǒng)中。

通過(guò)添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)給主動(dòng)齒輪的方法模擬運(yùn)動(dòng)。具體方法：?jiǎn)螕粞b配體文件主界面下側(cè)運(yùn)動(dòng)算例1，單擊馬達(dá)圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出“馬達(dá)”對(duì)話框, 馬達(dá)類型選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)（R），馬達(dá)位置選擇主動(dòng)齒輪，選定旋轉(zhuǎn)方向，相對(duì)此項(xiàng)而移動(dòng)的零部件選擇從動(dòng)齒輪，運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)選擇等速，設(shè)定轉(zhuǎn)速大小，單擊確定, 馬達(dá)添加完成。

選擇播放或從頭播放按鈕即可看到齒輪周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)情況，完成動(dòng)畫(huà)制作，單擊保存動(dòng)畫(huà)按鈕即可將動(dòng)畫(huà)保存為AVI或其他類型文件。用普通的播放軟件就能看制作的動(dòng)畫(huà)。

其他類型的動(dòng)畫(huà)模擬方法基本類似, 比如液壓活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以添加線性馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)者都可以參照以上方法制作完成。

4 拆卸與安裝仿真動(dòng)畫(huà)的制作

產(chǎn)品的仿真拆卸與安裝可以讓用戶了解產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及零件之間的裝配及連接關(guān)系。SolidWorks 軟件可以使用戶在軟件的虛擬環(huán)境下體驗(yàn)真實(shí)的拆卸和安裝過(guò)程。通過(guò)生成裝配體的爆炸視圖可以實(shí)現(xiàn)裝配體裝拆的動(dòng)態(tài)仿真。

SolidWorks 軟件建立爆炸視圖具體方法如下:單擊主菜單“插入/爆炸視圖”, 打開(kāi)“爆炸”屬性管理器。在裝配體上單擊要爆炸的零件, 此時(shí)被選中的零件高亮顯示, 同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)設(shè)置移動(dòng)方向的坐標(biāo)系, 單擊坐標(biāo)上的箭頭, 確定爆炸方向，直接拖至理想位置，或者在“爆炸”屬性管理器中的“設(shè)定”面板中輸入爆炸距離, 單擊“應(yīng)用” 按鈕, 預(yù)覽爆炸效果, 調(diào)整滿意后單擊“完成”。重復(fù)上述步驟, 合理靈活地選擇每個(gè)零件的爆炸順序、爆炸方向和爆炸距離，逐一按拆卸順序生成每個(gè)零件的爆炸操作，這樣可能使拆裝動(dòng)畫(huà)效果更逼真。

完成爆炸視圖后, 右鍵單擊設(shè)計(jì)管理樹(shù)中裝配體名稱, 在彈出的菜單中單擊“動(dòng)畫(huà)解除爆炸”,“動(dòng)畫(huà)控制器 ”運(yùn)動(dòng)管理器，選擇正常模式可以觀察的安裝動(dòng)畫(huà)，循環(huán)模式或以周而復(fù)始觀察安裝動(dòng)畫(huà)，選擇往復(fù)模式那么安裝與拆卸動(dòng)畫(huà)將會(huì)交替進(jìn)行。如圖2所示。

點(diǎn)擊“保存動(dòng)畫(huà)”按鈕，彈出“保存動(dòng)畫(huà)到文件”對(duì)話框,選擇文件類型及路徑，將拆裝動(dòng)畫(huà)保存為AVI或其它文件類型，可以使觀看者用普通的播放軟件觀看動(dòng)畫(huà)效果，方便觀察者學(xué)習(xí)和交流。

5 結(jié)束語(yǔ)

以SolidWorks作為設(shè)計(jì)平臺(tái), 可以進(jìn)行零件實(shí)體建模和虛擬裝配,制作裝拆過(guò)程的仿真動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行裝配體干涉檢查，完成檢查設(shè)計(jì)功能和性能等一系列任務(wù)。越來(lái)越多的工程師使用SolidWorks，大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程,減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤, 提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量,使產(chǎn)品快速高效的投向市場(chǎng)，值得在校生和設(shè)計(jì)師進(jìn)一步研究和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王騫.基于SolidWorks的齒輪參數(shù)化實(shí)體模型設(shè)計(jì)[M].武昌工學(xué)院,2012(05).

[2]李曉玲.基于SolidWorks 的機(jī)械產(chǎn)品仿真動(dòng)畫(huà)[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2011(05).

作者簡(jiǎn)介:董麗琴（1970-）,女, 河北保定人,副教授, 研究方向：機(jī)械制圖與CAD教學(xué)與研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.241