SolidWorks 2008年度征文：基于SolidWorks的减速器三维建模与分析

    1 引言
   
    近年来，随着机械制造业的蓬勃发展，大量CAD/CAM/CAE/CAPP软件不断涌现。市场都软件的要求也越来越高，SolidWorks是一款非常优秀的三维设计软件，由于其它的界面友好，易学易用，在我国越来越受到广大用户尤其是新用户的青睐，已在机械、电子、建筑等行业得以到广泛应用。本文将以减速器为例，介绍SolidWorks在三维建模和分析的过程和方法。
   
    以下是减速器的整体效果图：
    

    图1 减速器整体装配效果图

    
    2 各零部件的三维建模
   
    减速器在机械传动过程中主要起传递运动和扭矩的作用，是整个机器中一个非常重要的装置。本文将选取最为常见的一级圆柱齿轮减速器进行研究，如图1所示。该减速器的主要零件有箱体、箱盖、齿轮、轴、端盖、反光镜、油封、挡油环、调整环以及螺栓、垫片、销、键等标准件。
   

   图2 箱体和箱盖

    
    在对整个减速器建模时，箱体和箱盖的设计是最为复杂的。以下是笔者在对此类零件进行三维建模的过程，总的原则是按先主要后次要，先简单后复杂，先拉伸后切除的原则。首先分析零件的特点，寻找出零件中最为重要且比较形状规则易成形的实体部分作为切入口。如图2箱体中的上下底面和中间部分的长方体、箱盖中的下底面，此部分直接使用拉伸命令便可实现。
   
    然后在此基础上绘制其他大的轮廓以及将用来确定其他特征的轮廓，如，放样箱体和箱盖上的各类凸台、切除轴承孔等，基本上完成大致轮廓的绘制。
   
    最后开各类沟槽、螺栓孔，以及对各边线进行倒角、倒圆，完成最后的绘制。
   
    3 整机装配
   
    SolidWorks为整体的装配提供了一个很好的平台的。SolidWorks的装配非常自由，并不存在一个固定的安装顺序。
   
    SolidWorks进行装配时需理解以下各种配合关系，主要有重合、平行、垂直、相切、同轴心、距离、角度等。在整个减速器的装配中，最困难的位置在于齿轮之间的配合。它们之间配合的好坏直接影响以后的动画演示。为此，在SolidWorks中添加了一个高级配合--齿轮配合。装配齿轮时可采用一下方法进行：首先将两个需要装配的齿轮的轴心线加以平行关系进行约束；然后根据齿轮的齿数和模数计算齿轮的中心距d=m (z1+z2)/2，用距离配合关系控制齿轮的中心距；正视于齿轮端面，调整齿轮啮合处，使得两齿轮啮合完好；最后再使用齿轮配合进一步加以约束。使用齿轮配合时，选择两轴孔或轴的边线或表面，然后输入比率， 即两齿轮的直径或齿数比（按照点击边线或表面的顺序）。注意此处，SolidWorks自动捕捉到的比率往往是不正确的，因为SolidWorks是根据所点边线或表面的半径进行计算的，而实际的比率应该是齿轮的分度圆直径之比。
   
    如果整机较为复杂，可采用以下方法进行：
   
    （1） 先将整机划分为若干部分。划分过程注意应该将彼此之间没有相对运动的零件划分为一个整体。如图减速器中的箱体上所需安装的零件(小盖、油面指示片、垫片、反光镜、螺堵等)，安装后与箱体没有相对运动，便可在整体装配前将此类零件装配到箱体，作为一个整体。
    （2） 在整体装配时便可直接将以装配好的部分调入整机中。注意在整机中如需改变已装配部分的配合关系只能重新编辑原用的装配，此时该动的不仅仅是现有装配体，原有装配体也随之改变。
   
    SolidWorks装配零件时，常常参照已有零件的特征，如：平面、圆孔、圆弧，自动筛选配合关系，并将零件移动到预定的位置。这点往往是出乎设计者的意料的。在整体装配完成后整个装配进行干涉检查，将设计设计中的一些缺陷扼杀在萌芽中。
   

    图3 装配后渲染后的爆炸视图

    
    4三维动画制作
   
    三维动画演示是设计者提供思想交流最有效的途径之一，能在最短的时间内在设计人员和顾客之间交流产品信息。Animator是SolidWorks为三维动画制作提供的一个插件，能将动画制作过程与三维实体模型紧密结合，实现动画录制过程的可视化。通过Animator的动画演示，可以模拟各个零件的装配、拆卸和实际工作过程，更好的将设计者的意图传递给生产者以及顾客。
   
    使用Animator制作三维动画前需事先打开Animator插件，选择"工具"菜单下的"插件"，选择SolidWorks Animator为活动插件，"确定"即可。操作Animator是十分方便的，只需事先设置好零件各个时刻的键码即可。每个键码的设置按照以下循序进行：将零件移动到初始位置；将时间轴移动到结束时间；将零件移动到最终位置；最后保存即可。
   
    5 COSMOSWorks分析
   
    COSMOSWorks是SolidWorks自带的一个用于有限元分析的插件。有限元分析是一种工程实际中常用的可靠性数学分析方法。它将整个零件或装配体划分为若干个简单的单元，并建立控制各个单元之间的联系的行为方程式。这些行为方程式将研究对象的材料属性与外载荷以及约束联系在一起，建立成一个统一的整体。
   
    （1）使用COSMOSWorks进行分析前，首先要明确研究对象。COSMOSWorks的研究对象可以是单个的零件，也可以是整个装配体，而且必须确定各个零件的材料，以明确研究对象的内在属性。然后以所选的研究对象新建一个算例。
   
    （2） 在研究对象上添加约束和载荷。SolidWorks所定义的载荷包括力、压力（即，压强）、引力、离心力、远程载荷/质量、轴承载荷。同时还可以设置温度，进行热分析。
   
    将所选研究对象网格化。SolidWorks根据图形的特征将计算出一个网格参数，该网格参数直接控制着划分单元格的大小，设计者也可以根据实际需要重新进行设定。
   
    （3） 最后运行算例生成报告。
   
    图4是用COSMOSWorks对减速器中齿轮进行分析的结果：
   

    图4 齿轮网格划分与应力应变分析结果

     
    6 结论
   
    通过SolidWorks对减速器进行三维建模，并对齿轮受力时的应力应变情况进行了初步分析，可以看出SolidWorks在三维建模和分析方面所提供的便捷。除此以外，其操作符合人的思维习惯，修改也极其方便，信息交流方式广泛等特点同时也为设计者减轻了不少负担。
   
    参考文献：
   
    [1] 蓝荣香,高翔,刘文等.SolidWorks零件设计技术与实践(2007版).北京:机械工业出版社,2007
    [2] 蔡慧林,戴建强,席晨飞.基于SolidWorks的应力分析和运动仿真的研究. 机械设计与制造,2008.1