SolidWorks齒輪箱虛擬設(shè)計(jì)

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

0 前言

虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design)是將VR技術(shù)和CAD技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)應(yīng)用于多領(lǐng)域的新技術(shù)。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(dòng)了虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展。虛擬設(shè)計(jì)指的是設(shè)計(jì)者可以在虛擬的設(shè)計(jì)環(huán)境中,通過友好的計(jì)算機(jī)界面,建立虛擬的三維模型,根據(jù)零部件的配合關(guān)系。進(jìn)行虛擬裝配,爆炸視圖的仿真,并可以進(jìn)行修改。一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下3個(gè)功能:數(shù)據(jù)表達(dá)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(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1 虛擬設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較

傳統(tǒng)設(shè)計(jì),需要從設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)不通過,還要反復(fù)循環(huán)進(jìn)行制造,可見這個(gè)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(shè)計(jì),它的設(shè)計(jì)、制造、裝配和評(píng)價(jià)均在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行,只有實(shí)際制造過程中才投入原料和人員,從而縮短的時(shí)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(yīng)。

1.2 虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

隨著市場的開放性和全球化,用戶在追求高質(zhì)量低價(jià)格和短交貨期的同時(shí),會(huì)縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期,這就要求設(shè)計(jì)人員去改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式,最大限度地利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)者通過虛擬裝配檢查各零部件尺寸以及可裝配性,即時(shí)修改錯(cuò)誤;通過虛擬原型進(jìn)行虛擬試驗(yàn),而不用再去做更多的實(shí)物試驗(yàn)。這樣,既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)約了費(fèi)用。

SolidWorks軟件在產(chǎn)品性能優(yōu)化和仿真(運(yùn)動(dòng)和干涉檢查、整機(jī)運(yùn)動(dòng)分析、零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化等)、結(jié)構(gòu)特征建模、分析評(píng)價(jià)等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢。故以SolidWorks軟件作為虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái),對JMY240機(jī)車車軸齒輪箱進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì),齒輪箱箱體由52種零部件所組成,通過對主要零部件進(jìn)行建模,然后進(jìn)行組裝形成裝配體,現(xiàn)對車軸齒輪箱零部件進(jìn)行建模,并經(jīng)行裝配的虛擬設(shè)計(jì)。

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(jìn)行齒輪毛坯的建模,然后進(jìn)行齒輪齒形的生成,也可使用SolidWorks中的插件Toolbox,JMY240機(jī)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(jìn)行拉伸凸臺(tái)/基體和拉伸切除,并進(jìn)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(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度,此軸段將齒輪和軸設(shè)計(jì)成一體,即所謂的齒輪軸,這種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際設(shè)計(jì)中比較常見。

JMY240機(jī)車車軸齒輪箱直齒輪軸的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中、采用了齒輪的二次開發(fā)技術(shù),先生成齒輪,然后在通過拉伸命令完成相應(yīng)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?jǐn)?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(shí)體模型時(shí),由于齒形及齒坯的復(fù)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(yùn)用Microsoft Excel軟件相結(jié)合創(chuàng)建漸開線,完成螺旋傘齒輪的慮擬設(shè)計(jì),得到的螺旋傘齒輪實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)

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

圖4 內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shù)可在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證零件之間的配合和可裝配性,保證設(shè)計(jì)的正確性。隨著社會(huì)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(shù)作為虛擬制造的核心技術(shù)之一,也越來越引人注目,擬虛裝配的實(shí)現(xiàn)有助于對產(chǎn)品零部件進(jìn)行虛擬分析和虛擬設(shè)計(jì),有助于解決零部件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出現(xiàn)的技術(shù)問題,以達(dá)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(shè)計(jì)可以產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)實(shí)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(shè)計(jì)中,使用PhotoWorks插件可以讓虛擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品獲得更加真實(shí)的產(chǎn)品效果,通過該插件中的相機(jī)與燈光、布景與材質(zhì)等功能進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染,從而獲得一個(gè)與現(xiàn)實(shí)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(dòng)畫仿真

為了便于形象地分析零部件之間的相互關(guān)系,有必要對裝配體進(jìn)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(gè)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(shù)方面比較突出,應(yīng)用爆炸命令可以很簡單的根據(jù)用戶自己的意愿進(jìn)行爆炸。爆炸中應(yīng)注意的是爆炸過程最好符合實(shí)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(shí)。完成爆炸視圖后,可以利用Animator插件中的輔助動(dòng)畫向?qū)?shí)現(xiàn)裝配體的爆炸和解除爆炸動(dòng)畫。

虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design)可以為用戶提供一個(gè)基于視覺、聽覺、觸覺等感官的動(dòng)畫模擬,讓人們能夠及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。齒輪箱虛擬樣機(jī)模型建立以后,為了更好地展示齒輪箱的虛擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型,使用Animator插件的動(dòng)畫功能,完成相應(yīng)的動(dòng)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(dòng)畫仿真圖,可選擇動(dòng)畫類型向?qū)?其中包括旋轉(zhuǎn)模型、爆炸、解除爆炸和物理模擬等。

圖6 動(dòng)畫仿真圖

6 結(jié)論

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)計(jì)方法,使產(chǎn)品能夠快速響應(yīng)市場,為企業(yè)創(chuàng)造出更大的價(jià)值,因此,虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是十分必要的。

通過選用SolidWorks作為虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái),在雙級(jí)齒輪箱的虛擬設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮了重要的作用,它使齒輪箱的虛擬設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義,科學(xué)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(jī)并裝配物理樣機(jī)的過度依賴,有效地提高產(chǎn)品裝配建模的質(zhì)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(tái)上對齒輪箱產(chǎn)品典型零件進(jìn)行3D建模和參數(shù)化設(shè)計(jì),確保了應(yīng)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì),同時(shí)提高了技術(shù)應(yīng)用的水平,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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