李　鵬

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

0　引言

隨著科學技術(shù)的進步和信息化進程的推進，越來越多的企業(yè)應(yīng)用三維機械設(shè)計軟件對產(chǎn)品進行輔助設(shè)計。計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率。SolidWorks軟件以其強大的功能，繁多的組件，加上其易學易用和技術(shù)創(chuàng)新的特點，成為了當下主流的三維CAD解決方案。

減速器在原動機和工作機之間起到降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩的作用，其應(yīng)用場合廣泛。傳統(tǒng)的減速器設(shè)計采用經(jīng)驗公式以及設(shè)計系數(shù)的方法，其生產(chǎn)周期長，過大的安全系數(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)出來之后才能進行裝配實驗，使得生產(chǎn)周期進一步加長。應(yīng)用SolidWorks軟件對減速器進行設(shè)計、裝配以及仿真，可以對減速器進行干涉檢查以及結(jié)構(gòu)分析，并針對設(shè)計中的不足及時修正，提高了設(shè)計效率。

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、先簡單后復(fù)雜的過程建模。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，該方法雖然簡單便捷但是其并不是漸開線齒輪，雖然可用于運動仿真但是不可用于力學分析。本文采用插件GearTrax快速進行齒輪設(shè)計，只需輸入齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角以及相關(guān)參數(shù)，插件即可自動生成精確的漸開線齒輪。生成模型后再通過拉伸、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　標準件的建模

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

圖1　箱體建模

2　減速器的虛擬裝配

虛擬裝配的實現(xiàn)有助于對未生產(chǎn)出的產(chǎn)品實施分析以及優(yōu)化其性能。在SolidWorks的裝配體設(shè)計中，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)計方法對減速器所有零件進行設(shè)計，將各零件的三維模型按照裝配順序逐個插入到裝配環(huán)境中，此方法符合一般工程習慣，易于掌握。

減速器的裝配過程如下：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。減速器中的標準件直接從Toolbox中調(diào)用，采用裝飾性螺紋線對螺紋進行描述，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，需要進行干涉檢查，因為減速器的三維立體模型裝配之后其內(nèi)部零件很有可能會發(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，可以對裝配體所有零件進行檢測。干涉檢查時，螺紋連接部分一般會出現(xiàn)干涉，這是由于在裝配時內(nèi)螺紋與外螺紋沒有真正旋合配合，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有對齊，如發(fā)現(xiàn)這類干涉需要重新對齒輪與齒輪軸的配合進行修正，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，通過給定三重軸將零件拖動到合適的位置，待所有零件都拆卸完成之后形成爆炸視圖(見圖6)，爆炸視圖與解除爆炸視圖，即減速器的拆裝過程動畫。

圖5減速箱裝配體圖6減速箱爆炸圖

3　減速器的運動仿真

減速器的工作原理主要是：齒輪軸旋轉(zhuǎn)，通過齒輪副帶動齒輪，齒輪再通過鍵連接將運動傳遞給輸出軸。應(yīng)用SolidWorks軟件建立整體三維模型，應(yīng)用3D技術(shù)對所設(shè)計的產(chǎn)品及其運行過程實現(xiàn)動態(tài)模擬可以很好地再現(xiàn)設(shè)備的運行狀況。仿真的具體過程需要應(yīng)用SolidWorks motion插件對模型的齒輪軸添加旋轉(zhuǎn)馬達，即給定馬達的旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)速。馬達添加好之后，對輸出軸位置添加負載，最后點擊“計算模擬”按鈕，即可實現(xiàn)減速器的運動仿真，最后模擬過程可以保存成Avi格式方便隨時播放。通過運動仿真，設(shè)計者可以對設(shè)備的工作性能以及工作狀態(tài)進行了解，通過參數(shù)化設(shè)計最終可得到優(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進行應(yīng)力分析，下面以減速器齒輪為例對其進行有限元分析。首先對齒輪材料進行設(shè)定，本文選擇其材料為合金鋼(屈服強度為620 MPa)。然后添加夾具過程將鍵槽部分作為固定幾何體(見圖7)。由于齒輪嚙合為線接觸，故通過曲線分割線命令在分度圓位置繪制1 mm的矩形面，并對其施加2 600 N外力，具體如圖8所示。最后通過調(diào)整網(wǎng)格劃分后點擊運行算例，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)較大說明選擇合金鋼材料造成成本浪費，可通過修改齒輪材料或者齒輪齒寬達到優(yōu)化設(shè)計的目的，使其符合經(jīng)濟性要求。

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

通過對產(chǎn)品進行三維建模以及運動仿真，有利于擺脫產(chǎn)品設(shè)計中對于實體樣機以及實體裝配的依賴，降低了設(shè)計開發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。通過利用SolidWorks軟件對減速器進行三維建模，使得減速器的設(shè)計直觀、合理且高效率。通過對減速器進行運動仿真，可以對減速器進行直觀的檢測，看零件之間是否存在碰撞與干涉現(xiàn)象，并能對其進行調(diào)整。對零件進行simulation有限元分析還可對零件應(yīng)力進行檢驗，通過修改零件尺寸、材料從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

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