基于SolidWorks的齿轮减速器三维建模与仿真分析

李　鹏

(山西工程职业技术学院 基础部，山西　太原　030009)

0　引言

随着科学技术的进步和信息化进程的推进，越来越多的企业应用三维机械设计软件对产品进行辅助设计。计算机辅助设计的应用提高了产品的设计效率。SolidWorks软件以其强大的功能，繁多的组件，加上其易学易用和技术创新的特点，成为了当下主流的三维CAD解决方案。

减速器在原动机和工作机之间起到降低转速、增加转矩的作用，其应用场合广泛。传统的减速器设计采用经验公式以及设计系数的方法，其生产周期长，过大的安全系数造成生产成本偏高。而传统的方法只能在产品生产出来之后才能进行装配实验，使得生产周期进一步加长。应用SolidWorks软件对减速器进行设计、装配以及仿真，可以对减速器进行干涉检查以及结构分析，并针对设计中的不足及时修正，提高了设计效率。

1　减速器的三维建模

1.1　减速箱箱体建模

减速箱箱体分为箱体与箱盖两部分，采用先主体后局部、先简单后复杂的过程建模。利用拉伸命令绘制出箱体和箱盖的主体外形，应用抽壳以及拉伸切除命令绘制出内部腔体以及轴孔；利用加强筋命令绘制筋，并带有拔模角度；使用异型孔向导绘制基体上的螺纹孔，选择装饰性螺纹线显示，绘制过程中应用镜像以及圆周阵列命令提高绘图效率。至此基本将箱体、箱盖建模完成，分别如图1、图2所示。

1.2　齿轮以及齿轮轴的建模

SolidWorks中齿轮的建模可以采用其内部插件Toolbox绘制，该方法虽然简单便捷但是其并不是渐开线齿轮，虽然可用于运动仿真但是不可用于力学分析。本文采用插件GearTrax快速进行齿轮设计，只需输入齿轮的模数、齿数、压力角以及相关参数，插件即可自动生成精确的渐开线齿轮。生成模型后再通过拉伸、拉伸切除、旋转、旋转切除命令即可得到减速箱齿轮以及齿轮轴，如图3、图4所示。

1.3　标准件的建模

Toolbox是SolidWorks中的标准件库，包含了各种标准的标准件，减速箱中的标准件如螺栓、螺母、垫片以及定位销的绘制均可在装配体中直接调取，所有标准件参数都可以选择，将选择好的标准件导入装配体中即可。

图1　箱体建模

2　减速器的虚拟装配

虚拟装配的实现有助于对未生产出的产品实施分析以及优化其性能。在SolidWorks的装配体设计中，提供了自下而上、自上而下或两种方法结合的装配方法。本文采用自上而下的设计方法对减速器所有零件进行设计，将各零件的三维模型按照装配顺序逐个插入到装配环境中，此方法符合一般工程习惯，易于掌握。

减速器的装配过程如下：首先新建装配体，将减速箱箱体插入其中并固定，然后依次插入减速箱内零件，包括齿轮轴、齿轮、端盖、套筒、小盖等，之后依次对相配合的零件添加约束配合，采用共面、同轴、齿轮配合、螺纹配合等命令将所有零件配合固定。减速器中的标准件直接从Toolbox中调用，采用装饰性螺纹线对螺纹进行描述，降低占用内存。装配体中相邻的不同零件采用不同颜色以区分，也可对部分零件采用半透明或全透明处理，以观察减速器内部。图5为减速箱的装配体。

在完成减速器的整体装配之后，需要进行干涉检查，因为减速器的三维立体模型装配之后其内部零件很有可能会发生碰撞、接触的相互作用。SolidWorks软件提供了干涉检查这一工具，可以对装配体所有零件进行检测。干涉检查时，螺纹连接部分一般会出现干涉，这是由于在装配时内螺纹与外螺纹没有真正旋合配合，这一类的干涉可以忽略。齿轮与齿轮轴也有可能发生干涉，这是由于啮合位置没有对齐，如发现这类干涉需要重新对齿轮与齿轮轴的配合进行修正，调整啮合位置。

图2　箱盖建模

图3齿轮轴建模图4齿轮建模

在干涉检查之后利用SolidWorks内部的爆炸视图，依次拆卸减速器内的各零件，通过给定三重轴将零件拖动到合适的位置，待所有零件都拆卸完成之后形成爆炸视图(见图6)，爆炸视图与解除爆炸视图，即减速器的拆装过程动画。

图5减速箱装配体图6减速箱爆炸图

3　减速器的运动仿真

减速器的工作原理主要是：齿轮轴旋转，通过齿轮副带动齿轮，齿轮再通过键连接将运动传递给输出轴。应用SolidWorks软件建立整体三维模型，应用3D技术对所设计的产品及其运行过程实现动态模拟可以很好地再现设备的运行状况。仿真的具体过程需要应用SolidWorks motion插件对模型的齿轮轴添加旋转马达，即给定马达的旋转方向以及转速。马达添加好之后，对输出轴位置添加负载，最后点击“计算模拟”按钮，即可实现减速器的运动仿真，最后模拟过程可以保存成Avi格式方便随时播放。通过运动仿真，设计者可以对设备的工作性能以及工作状态进行了解，通过参数化设计最终可得到优化结果。

4　齿轮应力分析

零件建模完成后还可以利用SolidWorks插件simulation进行应力分析，下面以减速器齿轮为例对其进行有限元分析。首先对齿轮材料进行设定，本文选择其材料为合金钢(屈服强度为620 MPa)。然后添加夹具过程将键槽部分作为固定几何体(见图7)。由于齿轮啮合为线接触，故通过曲线分割线命令在分度圆位置绘制1 mm的矩形面，并对其施加2 600 N外力，具体如图8所示。最后通过调整网格划分后点击运行算例，可得到如图9、图10所示的齿轮应力云图和安全系数分布图。从图9、图10可看出，其最大应力为159.8 MPa，最小安全系数为3.88，安全系数较大说明选择合金钢材料造成成本浪费，可通过修改齿轮材料或者齿轮齿宽达到优化设计的目的，使其符合经济性要求。

图7齿轮添加夹具位置图8齿轮添加外力放大图

图9齿轮应力云图图10齿轮安全系数分布图

5　结论

通过对产品进行三维建模以及运动仿真，有利于摆脱产品设计中对于实体样机以及实体装配的依赖，降低了设计开发成本，缩短了产品开发周期。通过利用SolidWorks软件对减速器进行三维建模，使得减速器的设计直观、合理且高效率。通过对减速器进行运动仿真，可以对减速器进行直观的检测，看零件之间是否存在碰撞与干涉现象，并能对其进行调整。对零件进行simulation有限元分析还可对零件应力进行检验，通过修改零件尺寸、材料从而达到优化设计的目的。

参考文献：

[1]詹迪维.SolidWorks快速入门教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

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[4]卜秋祥，徐爱莉.基于Simulation的斜齿圆柱齿轮齿根应力分析 [J].石油矿场机械，2011，40(2)：55-58.