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CAD軟件及工具的興起。例如:PTC公司的產品SolidWorks,proengineer。SDRC的產品IDEAS Master Series、UGS公司的產品Unigraphies等,推動了虛擬設計的發展。虛擬設計指的是設計者可以在虛擬的設計環境中,通過友好的計算機界面,建立虛擬的三維模型,根據零部件的配合關系。進行虛擬裝配,爆炸視圖的仿真,并可以進行修改。一個虛擬設計系統應該具備以下3個功能:數據表達與雙向數據傳輸;三維建模用戶界面;參數化選擇。

1 虛擬設計的特點

1.1 虛擬設計與傳統設計的比較

傳統設計,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,降低了生產效率。

虛擬設計,它的設計、制造、裝配和評價均在計算機內進行,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,會縮短產品的更新換代周期,這就要求設計人員去改變傳統設計模式,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,既節省了時間又節約了費用。

SolidWorks軟件在產品性能優化和仿真(運動和干涉檢查、整機運動分析、零部件設計優化等)、結構特征建模、分析評價等方面具有獨到的優勢。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,現對車軸齒輪箱零部件進行建模,并經行裝配的虛擬設計。

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為:齒數Z=54,模數m=10,壓力角α=20°,變位系數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為:斷數Z=16,模數m=10,壓力角α=20°,變位系數x=0.4。在設計過程中、采用了齒輪的二次開發技術,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

螺旋傘齒輪的模數為16,壓力角為20°,街數為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創建的螺旋傘齒輪

3 齒輪箱內部傳動結構

為了清晰地呈現JMY240機車車軸齒輪箱的內部結構,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的組成和工作過程。該齒輪箱一級傳動系統由螺旋傘齒輪組成,它具有傳動平穩、輸入軸與輸出軸垂直傳動等優點,二級傳動系統采用圓柱齒輪傳動,可以實現較大的傳動比。

圖4 內部傳動結構原理圖

4 齒輪箱的虛擬裝配

虛擬裝配是新興的慮擬產品開發研究的重要內容。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。隨著社會的發展,虛擬制造成為制造業發展的重要方向之一,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,擬虛裝配的實現有助于對產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出現的技術問題,以達到縮短產品開發周期、降低生產成本及優化產品性能等目的。

虛擬設計可以產生一個與現實相似的虛擬環景,使人們產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品獲得更加真實的產品效果,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,從而獲得一個與現實工作環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的安裝順序,這樣可以使爆炸過程和后續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展。從某種意義上說,它改變了人們的思維方式和產品的設計方法,使產品能夠快速響應市場,為企業創造出更大的價值,因此,虛擬設計在產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,有效地提高產品裝配建模的質量與速度,有助于降低產品開發成本,縮短產品開發周期。通過在SolidWorks軟件平臺上對齒輪箱產品典型零件進行3D建模和參數化設計,確保了應用三維CAD技術進行產品的高效設計,同時提高了技術應用的水平,為后續發展奠定了堅實的基礎。

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