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基于SolidWorks的圆锥圆柱双级减速箱设计 |
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作者：张争艳 陈定方 冯敏 |
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1. 前言
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。
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，Pro/Engineer，SDRC的产品I-DEAS Master Series、UGS公司的产品Unigraphics等，推动了虚拟设计的发展。本文基于SolidWorks三维软件完成的双级减速箱的虚拟设计。
2. 减速箱虚拟设计软件的选用
减速器是一种用途十分广泛的机械装置。圆锥圆柱齿轮双级减速器的可分为DBYK硬齿面、DCYK硬齿面、DBY硬齿面、DFY硬齿面、DCY硬齿面等多种类型。它主要适用于输出输入轴呈垂直方向布置的传动装置，如带式输送机等各种运输机械，在冶金、矿山、建筑、水泥、能源等通用机械中也得到应用[2]。
本次所设计生产的双级减速器的基本要求是用于码头运型砂，单班制工作，有轻微振动，使用年限为10年，基本数据为输送带拉力为2060N，运输带速为1.2m/s，卷筒直径为300mm。由于SolidWorks三维设计软件含有丰富的方便快捷的设计资源和Toolbox、cosmos等插件，功能强大，设计十分直观快捷，设计效率很高。因此，本设计选用SolidWorks作为三维设计平台。
3. 基于SolidWorks的齿轮的二次开发
齿轮齿形具有复杂的曲面特征，当齿轮参数和尺寸不相同时，设计生产的齿轮零件的结构也不相同，为了减少建模的工作量，减少同一零件的重复性工作，有必要进行基于SolidWorks的齿轮二次开发，进行相似零件的参数化建模。
在SolidWorks可以利用其内部强大的宏功能来进行实体建模，通过VB语言编写程序来实现齿轮的二次开发。图1为基于二次开发技术得到的直齿轮，并对其进行了材质处理。它的实现主要过程如下：
（1）点击工具中的录制宏命令，开始创建渐开线齿轮三维实体模型，这样就可以把齿轮建模的全过程录制成宏文件。找出宏文件中与模型生成有关的关键函数，理解并确定其中的关键参数，把关键常数用变量来代替，这样就完成了渐开线齿轮的三维参数化建模程序；
（2）使用VB语言编制应用程序界面，如图2所示。设计者通过应用程序界面录入初始参数，程序会自动计算出上述宏文件中所需要的相关参数、编译程序并生成可执行程序供SolidWorks程序调用；
（3）完成可执行应用程序后,使用SolidWorks中的"宏"操作命令将应用程序嵌入SolidWorks中,实现二者的链接。
图1：为基于二次开发技术得到的直齿轮
图2： 应用程序界面
4. 基于SolidWorks的减速箱虚拟设计
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。
4.1 SolidWorks中的齿轮轴的建模
在减速箱设计中，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。
图3所示的是在SolidWorks环境下建立的直齿轮轴和锥齿轮三维模型。在设计过程中，我们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。
图3：直齿轮轴
4.2 减速箱内部传动结构
为了清晰地呈现双级圆锥圆柱减速箱的内部结构，将上下箱体和一些附属部件在SolidWorks中隐藏后，得到了双级圆锥圆柱减速箱内部的传动机构原理图（如图4）。从图中可以清晰的看出双级圆锥圆柱减速箱的传动系统的组成和工作过程。该减速箱一级传动系统由圆锥齿轮组成，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：减速箱内部传动结构原理图
5 减速箱的高效虚拟装配
SolidWorks中的高效虚拟装配一般分为对装配体进行简化、分析、显示、爆炸、干涉检查、碰撞检查、智能扣件、Animator插件虚拟现实等处理[3]。在实现过程中，先将双级圆锥圆柱减速箱进行虚拟装配，然后进行爆破、材质、渲染、干涉检查等完成减速箱的高效虚拟装配。
5.1 减速箱的虚拟装配
虚拟样机可以在很短时间内完成多次物理样机无法完成的仿真试验以及极端工况的试验，如安全性能的测试等，直至获得样机模型整机系统的优化方案[4]。减速箱的虚拟装配就是完成减速箱虚拟样机的一个优化过程。
在虚拟装配中，装配关系是零件之间相对位置和配合关系，它反映了零件之间的相互约束及相对运动。SolidWorks中有标准配合和高级配合，其中标准配合应用最广泛，例如：重合、平行、垂直、相切和同轴心配合；当需要机构运动模拟时就用到高级配合，此时须加一些辅助动力装置，如：线性马达、旋转马达、线性弹簧和引力。在配合时应该注意过配合和欠配合的现象，当出现过配合时删除多余约束即可，反之要添加约束条件使之正常配合。
5.2 基于PhotoWorks插件的虚拟装配体渲染模型
虚拟设计可以产生一个与现实相似的虚拟环境，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（图6）。
图6：虚拟装配体渲染模型
此外，利用CosmosWorks插件还可以对零部件（如齿轮、轴等）以及整个虚拟装配体进行有限元分析，得到各个部位的受力情况，再进行可靠性分析，实时修改受力不良的部位，改进可靠性较差的部位，达到即符合可靠性系数，又能节省实际制造时的材料的目的。
5.3 减速箱爆炸图
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的看到组成减速箱的各个部件，例如上箱体、下箱体、直齿轮、锥齿轮、齿轮轴、阶梯轴、轴承、端盖、闷盖、螺栓、套筒等等零部件。SolidWorks在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，这样可以使得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。
5.4 基于Animator插件的动画仿真
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[1]。减速箱虚拟样机模型建立以后，为了更好的展示减速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8所示的是基于Animator插件的动画仿真界面，图左是减速箱的爆炸视图，图右是选择动画类型向导，其中包括旋转模型、爆炸、解除爆炸、物理模拟等，图下方所示的Animator插件自带的完成动画的提示，这使得用户使用该插件更为方便简单。
图8：基于Animator的动画仿真图
6. 结束语
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，使得产品能够快速响应市场，为企业创造出更大的价值，这个价值是真实存在的价值。因此，虚拟设计在产品设计中的应用是十分必要的。
本文选用SolidWorks作为虚拟设计平台，在双级减速箱的虚拟设计过程中发挥了重要的作用，它使得减速箱的虚拟设计具有一定的实际意义，科学性也得到了提高。
参考文献：
[1]陈定方，罗亚波. 虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]彭文生，黄华梁，等. 机械设计[M].武汉：华中理工大学出版社，2000.
[3]曹 岩，赵汝嘉. SolidWorks2007精通篇[M].北京：化学工业出版社，2007.
[4]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，2002(end)
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(4/12/2009) |
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