基于SolidWorks的前置后驅汽車的單級后主減速器的設計及運動仿真

陳永康

【摘要】文章主要介紹基于SolidWorks前置后驅汽車的單級后主減速器的設計過程及運動仿真制作過程，內容包括：前置后驅汽車的單級后主減速器的工作原理、設計課題中應解決的主要問題及應達到的技術要求、參數計算過程、零件的建模步驟、裝配步驟及運動仿真制作等。文章中的主減速器設計成果可為汽車單級后主減速器的設計者提供參考，從中分析設計的好壞，便于修改、優化汽車零部件的設計方案，節省時間和資源；也可以用作汽車教學視頻，簡單展示前置后驅汽車在直路行駛時，單級后主減速器的運動狀態。

【關鍵詞】SolidWorks 主減速器 建模 裝配 動畫仿真

【中圖分類號】G4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）14-0065-03

一、引言

SolidWorks 是美國SolidWorks公司開發的專業3D CAD軟件，可以快捷地建立各種結構的模型，是目前應用較為廣泛的三維設計軟件。它采用參數化特征建模技術，具有極強的設計靈活性。其設計過程的全相關性，使設計者可以在設計過程的任何階段進行修改設計，同時連動改變相關零部件的參數。

SolidWorks軟件為文章中的主減速器設計提供了一個高效的開發平臺。運用SolidWorks軟件，設計人員可以在建造真實主減速器之前，建立整個裝置的虛擬樣機，然后模擬整個運動過程，它的虛擬裝配和運動仿真技術，在汽車主減速器設計圖紙階段就可以直觀檢測主減速器部件之間的碰撞與干涉，使整個設計過程可以完全在三維模型上直觀形象地檢查、討論，就可以在主減速器的開發過程中發現設計中存在的不足和缺陷，以及滿足設計要求的程度，從而為進一步優化設計主減速器提供依據，大大降低了研發生產汽車的成本、資源和時間。

二、前置后驅汽車的單級后主減速器簡介

汽車的主減速器的功用是減速增扭、改變轉矩的傳遞方向，這個功能完全靠齒輪與齒輪之間的嚙合完成。目前在汽車上應用較廣泛的主減速器齒輪類型為螺旋錐齒輪。螺旋錐齒輪在傳動時，同時嚙合的齒數較多，故承重能力較大，傳動平穩、噪聲較小。文章中的設計將主減速器的螺旋錐齒輪簡化為直齒錐齒輪，以便更清晰表達主減速器的運動狀況。

三、主減速器設計中應解決的主要問題及應達到的技術要求

本次設計主要針對的是前置后驅汽車的單級后主減速器的齒輪部分，重點是要建立其三維模型、裝配及制作其動畫，達到運動仿真的目的。

因此，設計本課題中應解決的主要問題及應達到的技術要求有：（一）運用查閱書籍、實物量度、計算等方法來得出單級后主減速器的齒輪的具體尺寸數據；（二）根據具體數據，運用運用SolidWorks實體設計建立單級后主減速器的三維模型。要建立的三維模型零件包括：單級主減速器的主動齒輪和傳動軸、單級主減速器的從動齒輪，一共繪制2個零件；（三）將繪制好的2個零件裝配成一體；（四）制作前置后驅汽車的單級后主減速器運動的動畫，以求達到運動仿真的目的。

四、參數的計算

為求理論與實際相結合，筆者找來一典型的前置后驅汽車的單級后主減速器實物，并為主減速器的主動輪標記為齒輪1，從動輪標記為齒輪2。從實物上看，從兩齒輪的錐頂看齒輪，齒線從小端到大端是逆時針旋轉，因此判斷出此齒輪為左旋。主動輪齒數 ，從動輪齒數 。

由量度實物得出，主動輪齒頂圓直徑為 ≈74.84mm，從動輪齒頂圓直徑為 ≈204.50mm。由公式求出模數m≈4.96～6.56，通過查閱《機械設計手冊》，決定m取5.5。

由于將前置后驅汽車的單級后主減速器的主動齒輪和從動齒輪簡化為直齒錐齒輪作為展示的動畫零件，知道模數m=5.5后，假設兩錐齒輪選擇的是等頂隙收縮齒、格里森齒制。查表及進行相關計算后，得出以下繪圖所需參數。表1為主動輪及從動輪的公用參數，表2為主動輪及從動輪的給自參數：

五、基于SolidWorks建立前置后驅汽車的單級后主減速器三維模型步驟

（一）前置后驅汽車的單級后主減速器主動輪的建模

啟動SolidWorks軟件，新建零件，以前視為基準面，開始繪制前置后驅汽車的單級后主減速器主動輪的草圖。

首先，兩錐齒輪選擇的是等頂隙收縮齒， 根據等頂隙收縮齒外形的主要特點運用主動輪的頂錐角 、根錐角 、齒頂角 、齒根角、分度圓直徑 、齒根高 、齒頂高 、齒寬b=32.72 mm這些數據，畫出草圖。

然后，運用分度圓弦齒厚 、齒形角α這兩個數據畫出基本齒廓草圖。用相同的方法、數據畫出第二個齒廓面，再將這兩個齒廓面用“放樣”功能就可以繪制成齒輪其中一個齒的三維模型。

因為主動輪齒數為9，所以使用 “圓周陣列”功能將其等間距生成9個齒；畫上下兩個齒根圓再將此兩圓“放樣”，然后將齒根角半徑 =2.09mm用“圓角”功能在模型上表現出來。

最后，建立齒輪軸模型，軸的結構主要取決于軸在汽車中安裝的位置及形式、軸上安裝零件的類型和尺寸以及和軸連接的方法、負荷等等。在本設計中，忽略這些問題。軸尺寸自擬為第一級R1=15mm，L1=100mm，第二級R2=10mm，L2=80mm，畫出半徑為15mm和10mm的圓，運用“拉伸凸臺/機體”功能建立輪軸的模型。建模完成后，保存文件，將此文件命名為“主動輪”。主動輪建模成果如附圖1所示。

（二）前置后驅汽車的單級后主減速器從動輪的建模

啟動SolidWorks軟件，新建零件，以前視為基準面，繪制前置后驅汽車的單級后主減速器從動輪的草圖。

運用主動輪的頂錐角 、根錐角 、齒頂角 、齒根角 、分度圓直徑 、齒根高 、齒頂高 、齒寬b這些數據，畫出草圖。然后，運用分度圓弦齒厚 、齒形角α這兩個數據畫出基本齒廓草圖。用相同的方法、數據畫出第二個齒廓面，再將兩個齒廓面用“放樣”功能就可以繪制成齒輪其中一個齒的三維模型。因為主動輪齒數為41，所以使用 “圓周陣列”功能將其等間距生成41個齒；畫上下兩個齒根圓再將此兩圓“放樣”，然后將齒根角半徑 用“圓角”功能在模型上表現出來。

在從動齒輪的上面中軸點為圓心畫一直徑為114.57mm的圓，運用“拉伸切割”功能，將齒輪模型生成以下圖形。在此齒輪的上面以齒輪的中軸點為圓心，畫一直徑為D=136.57mm的圓，與任意一直徑相交，得出一點A，以A為原點，畫直徑d=12mm的圓，并將其“拉伸切除”，生成一切割孔；再將此切割孔通過“圓周陣列”變成8個切割孔，用于裝配M12螺栓。建模完成后，保存文件，將此文件命名為“從動輪”。如附圖2所示。

六、基于SolidWorks 2008前置后驅汽車的單級后主減速器齒輪的裝配

啟動SolidWorks 2008軟件，新建“裝配體”文件，首先導入主減速器主動輪，以主動輪軸為固定件，然后再分別導入主減速器從動輪。打開“配合”功能，將主減速器主動輪軸基準軸和主動輪的中心軸配合，配合選擇為“重合”，這樣可使主動輪軸基準軸和主動輪的中心軸共線。

再將主動齒輪的底面與主動輪軸中 =15mm軸端面配合，配合選擇為“重合”，這樣可使主動輪軸基準軸和主動輪不會分離，也限制了主動輪上下、左右、前后的移動，只會繞自身中心軸轉動。

將主減速器主動輪和從動輪的中心軸配合成垂直關系，并設兩軸距離為0 mm。再根據外錐高 、 這兩個數據，將主減速器主動輪和從動輪的相對距離固定。將從動輪中心軸與主動輪頂面設為固定距離，將主動輪中心軸與從動輪頂面設為固定值，可限制從動輪上下、左右、前后移動，只會繞自身中心軸轉動和繞主動輪中心軸轉動，這樣裝配，符合了主減速器的運動。裝配完成后，保存文件，將此文件命名為“主減速器裝配體”。裝配成果如附圖3所示。

七、運動仿真制作

啟動SolidWorks軟件打開“主減速器裝配體”文件，按運動算例1，點選主動輪，為其添加旋轉馬達，確認旋轉方向。完成后把貞點拉到5秒的位置，表示動畫長度為5秒，如附圖4所示。

點擊播放動畫，主動輪會帶動從動輪旋轉，達到主減速器運動仿真效果。確認動畫無誤后，按“保存動畫”鍵保存動畫，命名為“主減速器運動仿真”，保存為AVI格式。

八、結語

文章中的前置后驅汽車的單級后主減速器設計通過查表、計算得出齒輪尺寸參數，運用SolidWorks建立虛擬的前置后驅汽車的單級后主減速器的三維模型，并將其進行裝配及運動仿真制作等，已達到文章所述的技術要求。設計后，得到主減速器的主動輪、從動輪參數尺寸，“主動輪.SLDPRT”、“從動輪.SLDPRT”、“主減速器裝配體.SLDPRTASM”及“主減速器運動仿真.AVI”文件。

文章中的主減速器設計成果可為汽車單級后主減速器的設計者提供參考，從中分析設計的好壞，便于修改、優化汽車零部件的設計方案，節省時間和資源；也可以用作汽車教學視頻，簡單展示前置后驅汽車在直路行駛時，單級后主減速器的運動狀態。

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