SolidWorks齒輪箱虛擬設計

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

0 前言

虛擬設計(Virtual Design)是將VR技術和CAD技術相結合的一個應用于多領域的新技術。近年來。商業(yè)CAD軟件及工具的興起。例如:PTC公司的產(chǎn)品SolidWorks,proengineer。SDRC的產(chǎn)品IDEAS Master Series、UGS公司的產(chǎn)品Unigraphies等,推動了虛擬設計的發(fā)展。虛擬設計指的是設計者可以在虛擬的設計環(huán)境中,通過友好的計算機界面,建立虛擬的三維模型,根據(jù)零部件的配合關系。進行虛擬裝配,爆炸視圖的仿真,并可以進行修改。一個虛擬設計系統(tǒng)應該具備以下3個功能:數(shù)據(jù)表達與雙向數(shù)據(jù)傳輸;三維建模用戶界面;參數(shù)化選擇。

1 虛擬設計的特點

1.1 虛擬設計與傳統(tǒng)設計的比較

傳統(tǒng)設計,需要從設計開始,然后試制,試制的過程中要投入原料、人員和廠房等。如果評價不通過,還要反復循環(huán)進行制造,可見這個過程需要投入大量的物力和人力,降低了生產(chǎn)效率。

虛擬設計,它的設計、制造、裝配和評價均在計算機內(nèi)進行,只有實際制造過程中才投入原料和人員,從而縮短的時間,降低了成本。提高了生產(chǎn)效率,并可以對市場的需求作出迅速的反應。

1.2 虛擬設計的優(yōu)點

隨著市場的開放性和全球化,用戶在追求高質量低價格和短交貨期的同時,會縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期,這就要求設計人員去改變傳統(tǒng)設計模式,最大限度地利用虛擬設計技術。設計者通過虛擬裝配檢查各零部件尺寸以及可裝配性,即時修改錯誤;通過虛擬原型進行虛擬試驗,而不用再去做更多的實物試驗。這樣,既節(jié)省了時間又節(jié)約了費用。

SolidWorks軟件在產(chǎn)品性能優(yōu)化和仿真(運動和干涉檢查、整機運動分析、零部件設計優(yōu)化等)、結構特征建模、分析評價等方面具有獨到的優(yōu)勢。故以SolidWorks軟件作為虛擬設計平臺,對JMY240機車車軸齒輪箱進行虛擬設計,齒輪箱箱體由52種零部件所組成,通過對主要零部件進行建模,然后進行組裝形成裝配體,現(xiàn)對車軸齒輪箱零部件進行建模,并經(jīng)行裝配的虛擬設計。

2 齒輪類零件三維建模

2.1 直齒輪的生成

通過上述方法的介紹,首先進行齒輪毛坯的建模,然后進行齒輪齒形的生成,也可使用SolidWorks中的插件Toolbox,JMY240機車車軸齒輪箱直齒圓柱齒輪的參數(shù)為:齒數(shù)Z=54,模數(shù)m=10,壓力角α=20°,變位系數(shù)x=-0.4。

對生成的直齒輪進行拉伸凸臺/基體和拉伸切除,并進行倒圓和倒角,生成的直齒圓柱齒輪如圖1所示。

圖1 直齒圓柱齒輪

2.2 直齒輪軸的建模

在齒輪箱設計中,由于齒輪的尺寸較小,近似接近于軸段的尺寸,為保證軸和齒輪二者的強度和剛度,此軸段將齒輪和軸設計成一體,即所謂的齒輪軸,這種設計方法在實際設計中比較常見。

JMY240機車車軸齒輪箱直齒輪軸的設計參數(shù)為:斷數(shù)Z=16,模數(shù)m=10,壓力角α=20°,變位系數(shù)x=0.4。在設計過程中、采用了齒輪的二次開發(fā)技術,先生成齒輪,然后在通過拉伸命令完成相應的階梯軸。在SolidWorks環(huán)境下建立的直齒輪軸的三維模型,如圖2所示。

圖2 直齒輪軸

2.3 螺旋傘齒輪的建模

螺旋傘齒輪的模數(shù)為16,壓力角為20°,街數(shù)為6,錐角為30°,材料為20CrMnTi。密度為7.8×103kg/m3,彈性模量為207GPa,泊松比0.25。

螺旋傘齒輪作為漸開線齒廓齒輪中的一種,在建立實體模型時,由于齒形及齒坯的復雜性,往往給建模人員帶來很多困難,為此通過SolidWorks三維軟件及運用Microsoft Excel軟件相結合創(chuàng)建漸開線,完成螺旋傘齒輪的慮擬設計,得到的螺旋傘齒輪實體模型如圖3所示。

圖3 SolidWorks創(chuàng)建的螺旋傘齒輪

3 齒輪箱內(nèi)部傳動結構

為了清晰地呈現(xiàn)JMY240機車車軸齒輪箱的內(nèi)部結構,將上下箱體和一些附屬部件在SolidWorks中隱藏后,得到了雙級齒輪箱內(nèi)部的傳動機構原理如圖4所示。從圖中可以清晰地看出齒輪箱的傳動系統(tǒng)的組成和工作過程。該齒輪箱一級傳動系統(tǒng)由螺旋傘齒輪組成,它具有傳動平穩(wěn)、輸入軸與輸出軸垂直傳動等優(yōu)點,二級傳動系統(tǒng)采用圓柱齒輪傳動,可以實現(xiàn)較大的傳動比。

圖4 內(nèi)部傳動結構原理圖

4 齒輪箱的虛擬裝配

虛擬裝配是新興的慮擬產(chǎn)品開發(fā)研究的重要內(nèi)容。采用虛擬裝配技術可在設計階段驗證零件之間的配合和可裝配性,保證設計的正確性。隨著社會的發(fā)展,虛擬制造成為制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一,而虛擬裝配技術作為虛擬制造的核心技術之一,也越來越引人注目,擬虛裝配的實現(xiàn)有助于對產(chǎn)品零部件進行虛擬分析和虛擬設計,有助于解決零部件從設計到生產(chǎn)出現(xiàn)的技術問題,以達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本及優(yōu)化產(chǎn)品性能等目的。

虛擬設計可以產(chǎn)生一個與現(xiàn)實相似的虛擬環(huán)景,使人們產(chǎn)生身臨其境的視景仿真。在SolidWorks2007虛擬設計中,使用PhotoWorks插件可以讓虛擬設計產(chǎn)品獲得更加真實的產(chǎn)品效果,通過該插件中的相機與燈光、布景與材質等功能進行實時渲染,從而獲得一個與現(xiàn)實工作環(huán)境十分接近的虛擬渲染模型如圖5所示。

圖5 慮擬裝配體渲染模型

5 齒輪箱的動畫仿真

為了便于形象地分析零部件之間的相互關系,有必要對裝配體進行爆炸視圖。從爆破圖中可以很明顯地看到組成齒輪箱的各個部件,例如上箱體、下箱體、直齒輪、螺旋傘齒輪、齒輪軸、階梯軸、軸承、螺栓等零部件。olidWorks虛擬產(chǎn)品裝配體的爆炸技術方面比較突出,應用爆炸命令可以很簡單的根據(jù)用戶自己的意愿進行爆炸。爆炸中應注意的是爆炸過程最好符合實際生產(chǎn)的安裝順序,這樣可以使爆炸過程和后續(xù)的解除爆炸過程更加真實。完成爆炸視圖后,可以利用Animator插件中的輔助動畫向導實現(xiàn)裝配體的爆炸和解除爆炸動畫。

虛擬設計(Virtual Design)可以為用戶提供一個基于視覺、聽覺、觸覺等感官的動畫模擬,讓人們能夠及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。齒輪箱虛擬樣機模型建立以后,為了更好地展示齒輪箱的虛擬設計產(chǎn)品模型,使用Animator插件的動畫功能,完成相應的動畫,并可以保存為AVI格式的視頻文件。圖6是齒輪箱的爆炸動畫仿真圖,可選擇動畫類型向導,其中包括旋轉模型、爆炸、解除爆炸和物理模擬等。

圖6 動畫仿真圖

6 結論

虛擬設計技術的不斷發(fā)展。從某種意義上說,它改變了人們的思維方式和產(chǎn)品的設計方法,使產(chǎn)品能夠快速響應市場,為企業(yè)創(chuàng)造出更大的價值,因此,虛擬設計在產(chǎn)品設計中的應用是十分必要的。

通過選用SolidWorks作為虛擬設計平臺,在雙級齒輪箱的虛擬設計過程中發(fā)揮了重要的作用,它使齒輪箱的虛擬設計具有一定的實際意義,科學性也得到了提高。虛擬裝配可幫助產(chǎn)品擺脫對于試制物理樣機并裝配物理樣機的過度依賴,有效地提高產(chǎn)品裝配建模的質量與速度,有助于降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。通過在SolidWorks軟件平臺上對齒輪箱產(chǎn)品典型零件進行3D建模和參數(shù)化設計,確保了應用三維CAD技術進行產(chǎn)品的高效設計,同時提高了技術應用的水平,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎。

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