探究基于Solidworks的齿轮三维造型

张平

摘 要：Solidworks本身不具备设计齿轮模块的功能，在这种情况下，为了更好地实现齿轮造型绘制，设计者最常用的方法是严格按照图纸精确绘制渐开线，但由于草图功能的单一化，设计者绘制渐开线、建立线齿轮三维模型并不是一项简单的工作。

关键词：齿轮渐开线；Solidworks；三维造型；CAM

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.117

随着时代的进步和科学技术的快速发展，Solidworks在齿轮中的应用越来越广泛。Solidworks是建立在Windows基础上的三维实体造型软件，随着时间的不断推移，已经成为三维设计软件的主流之一，这主要是因为Solidworks具有强大的曲面造型、参数化特征造型以及装配处理（大型）功能。以往大量实践结果表明，在应用CAD（或者CAM）技术制造齿轮产品的过程中，三维实体模型的齿轮模型的设计已成为各大企业需要攻克的一个技术难题。如果齿轮造型精度达不到要求，不仅会在很大程度上影响有限元分析，也会对齿轮产品的CAM精度制作产生一定的影响。

大量实验研究表明，SolidWorks具有非常强大的建模功能，不仅能对零部件进行实体建模，也能快速进行草图变化的基本轮廓绘制，还能够对动态约束进行自动检查，通过拉伸、抽壳、旋转等方法进行操作，从而达到快速设计产品的目的，在极大地提高工作效率的同时，也在一定程度上降低了人力和财力的支出。具体而言，Solidworks是通过带线放样、扫描、填充操作，生成形状更复杂的曲面结构，通过这种方式可以直接进行表面修剪、延伸和倒角等操作。同时，上述功能都可以根据实际需要通过上下或者左右拖动手柄很快地实现，同时配以动态的形状变化预览。另外，由于屏幕左侧能够显示特征树，因此可以对设计的全过程进行科学、有效的监控，适时修改形状，从而使操作真正实现智能化，更加符合人性化的特点。

1 设计齿轮三维造型的基本原理

通过观察发现，在齿轮三维模型中，最核心的部分是按照客户的要求绘制的轮齿和齿轮渐开线。但SolidWorks不具备直接命令渐开线画图的程序，这就要求设计者需采用其他程序设计、旋转齿形参数的变化。

. （1）

式（1）中：X，Y为渐开线上任一点的直角坐标系；Rb为渐开线基圆半径；φ为渐开线发生线在基圆上的滚动角度。

φ的最大值为：

. （2）

式（2）中：Ra为渐开线齿定点向径。

在此必须指出的是，渐开线发生线在基圆上的滚动角度的取值范围为φ≤φmax。通过渐开线方程可以在渐开线计算具体的坐标，这样才可以得到相应的线性直线命令。然后通过直线的形式连接点，以这种方式可以得到近似渐伸线。当在求得的渐开线上取得的坐标点满足需求时，设计人员可以在第一时间准确地绘制渐开线齿廓曲线。

当图形绘制结束后，反射镜上呈现出基圆齿轮（是左，还是右，需根据具体情况判定）的砂浆线齿廓，然后根据齿数z圆形阵列的数量绘制另一侧上面的齿廓曲线。需要注意的是，在确定位置的过程中必须先确定OP轴线的位置，再确定OP轴与X轴之间的夹角、AC的弧长S，那么就可以根据已知的参数计算基圆厚度：

. （3）

. （4）

式（3）（4）中：z为齿数；α为压力角。

2 具体的设计实例分析

以某一齿轮模型为例，该齿轮模型齿轮数为50，模型数为3，通过对该模型进行整体的设计，按照以下步骤就可以得到具体的操作过程。

2.1 生成渐开线数据文件

依据上述介绍，按照程序运行步骤输入文件名Z3-50.TXT，齿轮数选择50，模型数输入3.

2.2 绘制齿轮

绘制齿轮主要分为两部分：①基体的产生。一般情况下，在“前瞻性基准”Solidworks中，将原点作为中心点绘制原图，并借助绘图功能得到圆柱体，此时，设置的圆柱体的高度为20. ②形成轮齿。具体而言，当点击“插入”选项时，会出现“曲线”选项，双击鼠标找到“通过XYZ点曲线”选项，点击“浏览”，找到渐开线文件；接着单击“确定”选项，则渐开线将出现在屏幕上，最后进行齿轮曲线的自动绘制。通常情况下，设计者需要在此基础上先画草图，然后通过实体函数曲线转化，注意曲线与中心线需保持对称，并保证齿顶圆直径为156；再根据实体转换功能将圆柱体转换成草图曲线，这时使用裁切功能将绘出曲线的多余部分去掉，从而形成轮齿轮廓线。

3 结束语

综上所述，随着科技的不断发展，运用Solidworks实现齿轮三维造型的方法已经越来越普遍。以往大量实践结果表明，通过这种方式设计者可以实现人工绘制齿廓曲线，使仿真设计与实际更为贴近。通过AutoCAD生成齿轮渐开线，从而实现齿轮三维指导方法，这样不仅可以生成标准的圆柱形齿轮，更可以通过Solidworks扫描、放样生成圆柱斜齿轮。由此可见，本文研究的建模方法不仅具有较强的通用性，且成本较低，无需购买专业、昂贵的插件，还能够实现双曲线齿轮绘制，性价比很高。

参考文献

[1]荣瑞芳，赵先忠.基于Solidworks的齿轮三维造型[J].制造技术与机床，2014（3）.

[2]杜芿，徐京满.Solidworks环境下的齿轮参数化三维造型[J].煤矿机械，2012（8）.

[3]林超.正交变传动比面齿轮的设计及三维造型[J].湖南大学学报，2014（3）.

〔编辑：刘晓芳〕