基于SolidWorks的齒輪減速器三維建模與仿真分析

李　鵬

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，山西　太原　030009)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和信息化進(jìn)程的推進(jìn)，越來(lái)越多的企業(yè)應(yīng)用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。SolidWorks軟件以其強(qiáng)大的功能，繁多的組件，加上其易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新的特點(diǎn)，成為了當(dāng)下主流的三維CAD解決方案。

減速器在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間起到降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩的作用，其應(yīng)用場(chǎng)合廣泛。傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)公式以及設(shè)計(jì)系數(shù)的方法，其生產(chǎn)周期長(zhǎng)，過(guò)大的安全系數(shù)造成生產(chǎn)成本偏高。而傳統(tǒng)的方法只能在產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)之后才能進(jìn)行裝配實(shí)驗(yàn)，使得生產(chǎn)周期進(jìn)一步加長(zhǎng)。應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配以及仿真，可以對(duì)減速器進(jìn)行干涉檢查以及結(jié)構(gòu)分析，并針對(duì)設(shè)計(jì)中的不足及時(shí)修正，提高了設(shè)計(jì)效率。

1　減速器的三維建模

1.1　減速箱箱體建模

減速箱箱體分為箱體與箱蓋兩部分，采用先主體后局部、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的過(guò)程建模。利用拉伸命令繪制出箱體和箱蓋的主體外形，應(yīng)用抽殼以及拉伸切除命令繪制出內(nèi)部腔體以及軸孔；利用加強(qiáng)筋命令繪制筋，并帶有拔模角度；使用異型孔向?qū)ЮL制基體上的螺紋孔，選擇裝飾性螺紋線顯示，繪制過(guò)程中應(yīng)用鏡像以及圓周陣列命令提高繪圖效率。至此基本將箱體、箱蓋建模完成，分別如圖1、圖2所示。

1.2　齒輪以及齒輪軸的建模

SolidWorks中齒輪的建?？梢圆捎闷鋬?nèi)部插件Toolbox繪制，該方法雖然簡(jiǎn)單便捷但是其并不是漸開(kāi)線齒輪，雖然可用于運(yùn)動(dòng)仿真但是不可用于力學(xué)分析。本文采用插件GearTrax快速進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)，只需輸入齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角以及相關(guān)參數(shù)，插件即可自動(dòng)生成精確的漸開(kāi)線齒輪。生成模型后再通過(guò)拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)切除命令即可得到減速箱齒輪以及齒輪軸，如圖3、圖4所示。

1.3　標(biāo)準(zhǔn)件的建模

Toolbox是SolidWorks中的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，包含了各種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件，減速箱中的標(biāo)準(zhǔn)件如螺栓、螺母、墊片以及定位銷的繪制均可在裝配體中直接調(diào)取，所有標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)都可以選擇，將選擇好的標(biāo)準(zhǔn)件導(dǎo)入裝配體中即可。

圖1　箱體建模

2　減速器的虛擬裝配

虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)有助于對(duì)未生產(chǎn)出的產(chǎn)品實(shí)施分析以及優(yōu)化其性能。在SolidWorks的裝配體設(shè)計(jì)中，提供了自下而上、自上而下或兩種方法結(jié)合的裝配方法。本文采用自上而下的設(shè)計(jì)方法對(duì)減速器所有零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各零件的三維模型按照裝配順序逐個(gè)插入到裝配環(huán)境中，此方法符合一般工程習(xí)慣，易于掌握。

減速器的裝配過(guò)程如下：首先新建裝配體，將減速箱箱體插入其中并固定，然后依次插入減速箱內(nèi)零件，包括齒輪軸、齒輪、端蓋、套筒、小蓋等，之后依次對(duì)相配合的零件添加約束配合，采用共面、同軸、齒輪配合、螺紋配合等命令將所有零件配合固定。減速器中的標(biāo)準(zhǔn)件直接從Toolbox中調(diào)用，采用裝飾性螺紋線對(duì)螺紋進(jìn)行描述，降低占用內(nèi)存。裝配體中相鄰的不同零件采用不同顏色以區(qū)分，也可對(duì)部分零件采用半透明或全透明處理，以觀察減速器內(nèi)部。圖5為減速箱的裝配體。

在完成減速器的整體裝配之后，需要進(jìn)行干涉檢查，因?yàn)闇p速器的三維立體模型裝配之后其內(nèi)部零件很有可能會(huì)發(fā)生碰撞、接觸的相互作用。SolidWorks軟件提供了干涉檢查這一工具，可以對(duì)裝配體所有零件進(jìn)行檢測(cè)。干涉檢查時(shí)，螺紋連接部分一般會(huì)出現(xiàn)干涉，這是由于在裝配時(shí)內(nèi)螺紋與外螺紋沒(méi)有真正旋合配合，這一類的干涉可以忽略。齒輪與齒輪軸也有可能發(fā)生干涉，這是由于嚙合位置沒(méi)有對(duì)齊，如發(fā)現(xiàn)這類干涉需要重新對(duì)齒輪與齒輪軸的配合進(jìn)行修正，調(diào)整嚙合位置。

圖2　箱蓋建模

圖3齒輪軸建模圖4齒輪建模

在干涉檢查之后利用SolidWorks內(nèi)部的爆炸視圖，依次拆卸減速器內(nèi)的各零件，通過(guò)給定三重軸將零件拖動(dòng)到合適的位置，待所有零件都拆卸完成之后形成爆炸視圖(見(jiàn)圖6)，爆炸視圖與解除爆炸視圖，即減速器的拆裝過(guò)程動(dòng)畫(huà)。

圖5減速箱裝配體圖6減速箱爆炸圖

3　減速器的運(yùn)動(dòng)仿真

減速器的工作原理主要是：齒輪軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪副帶動(dòng)齒輪，齒輪再通過(guò)鍵連接將運(yùn)動(dòng)傳遞給輸出軸。應(yīng)用SolidWorks軟件建立整體三維模型，應(yīng)用3D技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及其運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬可以很好地再現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀況。仿真的具體過(guò)程需要應(yīng)用SolidWorks motion插件對(duì)模型的齒輪軸添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，即給定馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)速。馬達(dá)添加好之后，對(duì)輸出軸位置添加負(fù)載，最后點(diǎn)擊“計(jì)算模擬”按鈕，即可實(shí)現(xiàn)減速器的運(yùn)動(dòng)仿真，最后模擬過(guò)程可以保存成Avi格式方便隨時(shí)播放。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)者可以對(duì)設(shè)備的工作性能以及工作狀態(tài)進(jìn)行了解，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)最終可得到優(yōu)化結(jié)果。

4　齒輪應(yīng)力分析

零件建模完成后還可以利用SolidWorks插件simulation進(jìn)行應(yīng)力分析，下面以減速器齒輪為例對(duì)其進(jìn)行有限元分析。首先對(duì)齒輪材料進(jìn)行設(shè)定，本文選擇其材料為合金鋼(屈服強(qiáng)度為620 MPa)。然后添加夾具過(guò)程將鍵槽部分作為固定幾何體(見(jiàn)圖7)。由于齒輪嚙合為線接觸，故通過(guò)曲線分割線命令在分度圓位置繪制1 mm的矩形面，并對(duì)其施加2 600 N外力，具體如圖8所示。最后通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格劃分后點(diǎn)擊運(yùn)行算例，可得到如圖9、圖10所示的齒輪應(yīng)力云圖和安全系數(shù)分布圖。從圖9、圖10可看出，其最大應(yīng)力為159.8 MPa，最小安全系數(shù)為3.88，安全系數(shù)較大說(shuō)明選擇合金鋼材料造成成本浪費(fèi)，可通過(guò)修改齒輪材料或者齒輪齒寬達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，使其符合經(jīng)濟(jì)性要求。

圖7齒輪添加夾具位置圖8齒輪添加外力放大圖

圖9齒輪應(yīng)力云圖圖10齒輪安全系數(shù)分布圖

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模以及運(yùn)動(dòng)仿真，有利于擺脫產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)于實(shí)體樣機(jī)以及實(shí)體裝配的依賴，降低了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)利用SolidWorks軟件對(duì)減速器進(jìn)行三維建模，使得減速器的設(shè)計(jì)直觀、合理且高效率。通過(guò)對(duì)減速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以對(duì)減速器進(jìn)行直觀的檢測(cè)，看零件之間是否存在碰撞與干涉現(xiàn)象，并能對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。對(duì)零件進(jìn)行simulation有限元分析還可對(duì)零件應(yīng)力進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)修改零件尺寸、材料從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

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