基于SolidWorks的自锁机构模型建立与仿真研究

张豪（江海职业技术学院，江苏 扬州225101）

0 引言

自锁是如果作用于物体的主动力的合力的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力的合力的作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。自锁常常应用于一些机构中，比如螺旋千斤顶机构，采用螺纹来自锁；斜面压榨机采用斜面的角度和摩擦力来自锁；圆锥销用锥度来自锁等。传统的机械设计时，需要根据摩擦因数和计算角度来设计自锁机构，参照计算结果来设计其机构，并制造出模型机构样机来试验是否符合设计要求，若样机不符合设计要求，则需要重新计算和修改参数，整个设计过程费事、费力，效率低下。采用SolidWorks软件来辅助设计这些机构，SolidWorks软件是法国达索公司旗下美国子公司开发的基于Windows平台的三维设计CAD软件，具有操作简便、易于上手等优点，是一款基于特征和参数化的三维设计软件。它除了具备三维设计软件的零件设计、装配设计和工程图、钣金设计、焊件设计等基本功能外，还提供了运动仿真分析（Motion模块）和有限元分析（Simulation模块）等插件，可基于仿真分析功能对设计产品进行优化，以有效缩减产品设计周期。

本文以典型的自锁机构——斜面压榨机为例，对其进行机构模型的建立，在SolidWorks软件上进行建模设计和装配，运用SolidWorks Motion模块对其进行运动仿真分析，同时根据不同的情况对模拟样机进行修改，试验出不同的参数，为设计提供了更为全面的参照，验证出自锁机构的参数设计是否满足设计要求，提升设计的效率。

1 斜面压榨机自锁机构模型建立

斜面压榨机机构由4个部分构成，工作原理为：放置好压榨物4后，通过对楔形块2施加压力后，楔形块向左运动，推动压榨杆3，压榨杆3产生更大的推力作用于压榨物4，完成压榨过程。对压榨物4进行压榨时，作用于楔形块2上的驱动力P要撤去，这时压榨物4产生反作用力仍然在，需要压榨机机构具有自锁功能。斜面压榨机机构模型见图1。

图1 斜面压榨机机构简图1.机架 2.楔形块 3.压榨杆4.压榨物

图2 机架三维建模图

2 机构的建模和装配

2.1 机构的建模

根据斜面压榨机机构简图分析，在SolidWorks软件中对其机构模型进行三维建模，机构由4个部分组成，压榨物主要体现在产生反作用力上，对压榨杆加载上一个力即可，无需建模，其它3个零件分别建模，并对3个零件定义其参数值：机架1尺寸要求为与压榨杆的配合，其它尺寸无关紧要；楔形块2的α=30°，长度为200 mm，宽度为100 mm；压榨杆3为80 mm×80 mm的方杆，长度为200 mm，零件的三维建模见图2~图4。

2.2 机构的装配

图3 楔形块三维建模图

图4 压榨杆三维建模图

产品的装配，就是依据产品设计前所需达到的产品功能效果，经过总结提炼，用相关专业的技术指标或技术要求来衡量各个零部件按照一定要求的组装关系是否达到了预期的产品功能效果，并最终达到该效果的过程。进行零件装配时，首先需要合理选取第1个装配零件，一般把机架作为第1个装配零件。第2个装配零件为压榨杆，约束关系为压榨杆与机架的方孔同轴。第3个装配零件为楔形块，约束关系为两个重合，分别是楔形块的斜面与压榨杆的斜面重合和楔形块的底面和机架平台上表面重合。机构的装配体见图5。

3 仿真

仿真通过SolidWorks软件自带的插件Motion来完成。SolidWorks软件Motion模块具备对机构进行运动仿真的功能，它可以通过“动画向导”设置得到三维仿真动画视频，另外可以运用加载“马达”、“弹簧”、“接触”、“引力”等驱动方式，并通过计算运算算例得到仿真机构的“速度”、“加速度”、“运动轨迹”、“位移”、“作用力”等结果，最终进行分析解释。设定压榨杆和楔形块、楔形块和机架之间接触面的静摩擦因数为0.4，动摩擦因数为0.3。自锁时，压榨物对压榨杆的反作用力为整个模型仿真的驱动力，在压榨杆上添加一个恒力。根据上述数值的设定，在Motion模块中添加相应的参数。分析模型，自锁要求楔形块和压榨杆未产生位移，在对压榨杆加载上反作用力后，楔形块和压榨杆之间的位置保持固定不动。

图5 斜面压榨机装配体图

图6 楔形块X轴方向位移

图7 楔形块Y轴方向位移

图8 楔形块Z轴方向位移

对压榨杆加载上200 N力后，将仿真时间设定为5 s，并进行计算，进行仿真求解。在“结果和图解”中，求解楔形块在X、Y、Z三根轴上的位移，求解结果见图6~图8。

4 结论

分析求解的结果，楔形块在X、Y、Z三个方向上位移几乎未发生变化，微小的位移变化主要由于求解时精度造成的，这就说明了楔形块并没有运动，符合自锁要求。再改变压榨杆上加载的力，改变成1000 N，进行求解，求解的结果与图6~图8对比仍然一致。说明加载力的大小对这个自锁模型无任何影响，该模型是否自锁主要是满足楔形块的斜角小于2arctan0.4，斜角30°小于43.6°，通过模型建模和计算验证了模型满足自锁条件，该压榨机有自锁特性。

传统机构设计过程，验证机构设计是否符合要求，工程技术人员一般采用解析法，计算工作量繁琐还不够直观，效率比较低下。计算机辅助设计软件的介入，在产品设计过程进行模型的建立和运动仿真，把机构直观地展现出来，给工程技术人员提供了理论依据，方便工程技术人员在设计中发现设计错误的地方，同时进行模型参数的修改，优化了设计方案，提升了设计的效率。