SolidWorks齿轮箱虚拟设计

2013-07-01 by:广州Solidworks培训中心来源:仿真在线

0 前言

虚拟设计(Virtual Design)是将VR技术和CAD技术相结合的一个应用于多领域的新技术。近年来。商业CAD软件及工具的兴起。例如:PTC公司的产品SolidWorks,proengineer。SDRC的产品IDEAS Master Series、UGS公司的产品Unigraphies等,推动了虚拟设计的发展。虚拟设计指的是设计者可以在虚拟的设计环境中,通过友好的计算机界面,建立虚拟的三维模型,根据零部件的配合关系。进行虚拟装配,爆炸视图的仿真,并可以进行修改。一个虚拟设计系统应该具备以下3个功能:数据表达与双向数据传输;三维建模用户界面;参数化选择。

1 虚拟设计的特点

1.1 虚拟设计与传统设计的比较

传统设计,需要从设计开始,然后试制,试制的过程中要投入原料、人员和厂房等。如果评价不通过,还要反复循环进行制造,可见这个过程需要投入大量的物力和人力,降低了生产效率。

虚拟设计,它的设计、制造、装配和评价均在计算机内进行,只有实际制造过程中才投入原料和人员,从而缩短的时间,降低了成本。提高了生产效率,并可以对市场的需求作出迅速的反应。

1.2 虚拟设计的优点

随着市场的开放性和全球化,用户在追求高质量低价格和短交货期的同时,会缩短产品的更新换代周期,这就要求设计人员去改变传统设计模式,最大限度地利用虚拟设计技术。设计者通过虚拟装配检查各零部件尺寸以及可装配性,即时修改错误;通过虚拟原型进行虚拟试验,而不用再去做更多的实物试验。这样,既节省了时间又节约了费用。

SolidWorks软件在产品性能优化和仿真(运动和干涉检查、整机运动分析、零部件设计优化等)、结构特征建模、分析评价等方面具有独到的优势。故以SolidWorks软件作为虚拟设计平台,对JMY240机车车轴齿轮箱进行虚拟设计,齿轮箱箱体由52种零部件所组成,通过对主要零部件进行建模,然后进行组装形成装配体,现对车轴齿轮箱零部件进行建模,并经行装配的虚拟设计。

2 齿轮类零件三维建模

2.1 直齿轮的生成

通过上述方法的介绍,首先进行齿轮毛坯的建模,然后进行齿轮齿形的生成,也可使用SolidWorks中的插件Toolbox,JMY240机车车轴齿轮箱直齿圆柱齿轮的参数为:齿数Z=54,模数m=10,压力角α=20°,变位系数x=-0.4。

对生成的直齿轮进行拉伸凸台/基体和拉伸切除,并进行倒圆和倒角,生成的直齿圆柱齿轮如图1所示。

图1 直齿圆柱齿轮

2.2 直齿轮轴的建模

在齿轮箱设计中,由于齿轮的尺寸较小,近似接近于轴段的尺寸,为保证轴和齿轮二者的强度和刚度,此轴段将齿轮和轴设计成一体,即所谓的齿轮轴,这种设计方法在实际设计中比较常见。

JMY240机车车轴齿轮箱直齿轮轴的设计参数为:断数Z=16,模数m=10,压力角α=20°,变位系数x=0.4。在设计过程中、采用了齿轮的二次开发技术,先生成齿轮,然后在通过拉伸命令完成相应的阶梯轴。在SolidWorks环境下建立的直齿轮轴的三维模型,如图2所示。

图2 直齿轮轴

2.3 螺旋伞齿轮的建模

螺旋伞齿轮的模数为16,压力角为20°,街数为6,锥角为30°,材料为20CrMnTi。密度为7.8×103kg/m3,弹性模量为207GPa,泊松比0.25。

螺旋伞齿轮作为渐开线齿廓齿轮中的一种,在建立实体模型时,由于齿形及齿坯的复杂性,往往给建模人员带来很多困难,为此通过SolidWorks三维软件及运用Microsoft Excel软件相结合创建渐开线,完成螺旋伞齿轮的虑拟设计,得到的螺旋伞齿轮实体模型如图3所示。

图3 SolidWorks创建的螺旋伞齿轮

3 齿轮箱内部传动结构

为了清晰地呈现JMY240机车车轴齿轮箱的内部结构,将上下箱体和一些附属部件在SolidWorks中隐藏后,得到了双级齿轮箱内部的传动机构原理如图4所示。从图中可以清晰地看出齿轮箱的传动系统的组成和工作过程。该齿轮箱一级传动系统由螺旋伞齿轮组成,它具有传动平稳、输入轴与输出轴垂直传动等优点,二级传动系统采用圆柱齿轮传动,可以实现较大的传动比。

图4 内部传动结构原理图

4 齿轮箱的虚拟装配

虚拟装配是新兴的虑拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性,保证设计的正确性。随着社会的发展,虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一,而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一,也越来越引人注目,拟虚装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计,有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题,以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的。

虚拟设计可以产生一个与现实相似的虚拟环景,使人们产生身临其境的视景仿真。在SolidWorks2007虚拟设计中,使用PhotoWorks插件可以让虚拟设计产品获得更加真实的产品效果,通过该插件中的相机与灯光、布景与材质等功能进行实时渲染,从而获得一个与现实工作环境十分接近的虚拟渲染模型如图5所示。

图5 虑拟装配体渲染模型

5 齿轮箱的动画仿真

为了便于形象地分析零部件之间的相互关系,有必要对装配体进行爆炸视图。从爆破图中可以很明显地看到组成齿轮箱的各个部件,例如上箱体、下箱体、直齿轮、螺旋伞齿轮、齿轮轴、阶梯轴、轴承、螺栓等零部件。olidWorks虚拟产品装配体的爆炸技术方面比较突出,应用爆炸命令可以很简单的根据用户自己的意愿进行爆炸。爆炸中应注意的是爆炸过程最好符合实际生产的安装顺序,这样可以使爆炸过程和后续的解除爆炸过程更加真实。完成爆炸视图后,可以利用Animator插件中的辅助动画向导实现装配体的爆炸和解除爆炸动画。

虚拟设计(Virtual Design)可以为用户提供一个基于视觉、听觉、触觉等感官的动画模拟,让人们能够及时、没有限制地观察三度空间内的事物。齿轮箱虚拟样机模型建立以后,为了更好地展示齿轮箱的虚拟设计产品模型,使用Animator插件的动画功能,完成相应的动画,并可以保存为AVI格式的视频文件。图6是齿轮箱的爆炸动画仿真图,可选择动画类型向导,其中包括旋转模型、爆炸、解除爆炸和物理模拟等。

图6 动画仿真图

6 结论

虚拟设计技术的不断发展。从某种意义上说,它改变了人们的思维方式和产品的设计方法,使产品能够快速响应市场,为企业创造出更大的价值,因此,虚拟设计在产品设计中的应用是十分必要的。

通过选用SolidWorks作为虚拟设计平台,在双级齿轮箱的虚拟设计过程中发挥了重要的作用,它使齿轮箱的虚拟设计具有一定的实际意义,科学性也得到了提高。虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的过度依赖,有效地提高产品装配建模的质量与速度,有助于降低产品开发成本,缩短产品开发周期。通过在SolidWorks软件平台上对齿轮箱产品典型零件进行3D建模和参数化设计,确保了应用三维CAD技术进行产品的高效设计,同时提高了技术应用的水平,为后续发展奠定了坚实的基础。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才