基于SolidWorks的齒輪油泵的三維建模和運動仿真

董麗琴（河北軟件職業(yè)技術學院,河北 保定 071000）

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基于SolidWorks的齒輪油泵的三維建模和運動仿真

董麗琴
（河北軟件職業(yè)技術學院,河北 保定 071000）

摘 要：本文以齒輪油泵為例，利用SolidWorks軟件進行零件三維建模和運動仿真，重點介紹齒輪的建模及裝配方法，為同類產品的虛擬設計提供有效參考，并為在校學生深入學習solidworks軟件提供必要幫助。

關鍵詞：solidworks軟件；齒輪建模；虛擬裝配；運動仿真

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，三維CAD 技術得到普及。SolidWorks作為主流機械設計軟件，功能強大簡便易學。本文通過solidworks軟件對齒輪油泵各組成零部件的實體造型、虛擬裝配、拆裝動畫、運動仿真的描述，真實地展示了齒輪油泵的實際裝配和工作過程，及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，從而降低成本，提高設計效率，縮短設計時間。本文中所有實例均采用solidworks2012版完成。

1 齒輪油泵三維實體建模

齒輪油泵是各種機械潤滑和液壓系統(tǒng)的輸油裝置。是機械設計中基本部件。由泵體、泵蓋、主動軸、主動齒輪、從動軸、從動齒輪、墊片、緊蓋螺釘、填料、壓蓋、壓蓋螺母、定位銷等十幾個零件組成。

對初學者或對SolidWorks軟件不太熟悉的設計師來說，齒輪建模比較困難，下面介紹幾種方便實用的建模方法。

1.1 方法1——利用GearTrax中文版齒輪插件

GearTrax是一個SolidWorks常用插件，為機械工程師提供了一種簡單方便用于精確齒輪及齒輪副的自動設計工具，可設計的圓柱齒輪、圓錐齒輪、齒形帶輪、蝸輪蝸桿、花鍵、帶輪等，方便快捷，且模型精確程度較高。

在GearTrax操作界面中按齒輪參數(shù)要求輸入齒輪模數(shù)，齒數(shù)、齒面厚度、斜齒輪需輸入螺旋角及左右旋向，點擊完成按鈕，使用時最好提前打開solidworks軟件并設置使用英文菜單，齒輪輪齒將在SolidWorks軟件中自動完成，再自行建造齒輪輪轂、輪輻、鍵槽或銷孔等結構即可完成齒輪建模。

1.2 方法2——利用參數(shù)方程控制齒輪建模

（1）點擊主菜單“工具/方程式”，根據(jù)齒輪參數(shù)關系輸入齒輪基本參數(shù)及分度圓、齒頂圓、齒根圓、基圓等方程式。（2）建造回轉體齒輪齒坯。（3）根據(jù)齒輪輪廓曲線性質，用圓弧近似代替漸漸開線齒廓的齒槽，拉伸切除，完成一個齒槽。（4）圓周陣列完成所有齒槽切除。

這種方法要求熟悉齒輪基本公式及軟件的參數(shù)方程控制方法，對設計人員要求較高，且建模齒輪精確度不高，為以后的干涉檢查等有限元分析帶來麻煩。但此方法具有一般性，可完成一些不能直接完成的曲線，值得學習的一種方法。

廣西民族音樂博物館是在廣西藝術學院“廣西民族民間藝術藏品館”的基礎上擴展建成，于2015年開始立項建設，共斥資2300萬。博物館建筑面積近2600平方米，布展區(qū)域達1400平方米，收藏音樂展品約1200余件（套），涵蓋樂器實物、傳統(tǒng)歌本、樂譜、手稿、音像資料等多個內容，并通過多媒體影像、圖文解說等形式再現(xiàn)八桂傳統(tǒng)音樂的精彩風貌，主要功能為展示、傳承廣西傳統(tǒng)音樂并進行音樂展演與研究活動。

1.3 利用CAXA電子圖板齒輪曲線

CAXA電子圖板中有漸開線齒輪輪廓曲線，輸入直齒圓柱齒輪模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)等基本參數(shù)，即可生成直齒齒輪端面輪廓曲線，保存成CAD類型文件，SolidWorks軟件與CAD軟件有很好的數(shù)據(jù)交換性能，插入dwg圖形文件，通過拉伸或掃描可生成直齒或斜齒齒輪輪廓，然后再對齒輪輪轂、輪輻結構，完成齒輪造型，這種方法簡便易行，對設計人員要求不要，而且齒輪精度也比較高，是一種不錯的方法。

2 齒輪油泵虛擬裝配

在機械設計中，單個零件的造型沒有實際意義，必須將零件裝配成完整機器或部件以表達工作原理、各零件之間的配合關系,也是以后進行運動分析、干涉檢查以及實現(xiàn)機器工作動畫的基礎。裝配在機械設計中有非常重要的意義。

SolidWorks軟件裝配是將已經建模完成的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加共面、同軸、平行等各零件間的相互配合關系，使各零件保持準確的工作位置。一般來說固定零件需要完全定位，而運動零件需要部分定位而保留相應方向移動、轉動等相應運動關系。SolidWorks系統(tǒng)默認首個插入零件是固定的,作為其它后續(xù)零件裝配的基礎和參考。所以裝配時首個零件選擇很重要，一般選擇產品的支架、底座等基礎件。

齒輪油泵具體裝配過程如下：新建裝配體文件，選擇泵體作為首個插入零件。然后逐一插入齒輪軸，齒輪、銷、密封件、泵蓋、螺釘?shù)攘慵Ｔ谘b配過程中齒輪的裝配是難點，這里重點介紹一下齒輪的裝配以保證齒輪輪齒的正確嚙合。（1）油泵總裝前最好將主/從動齒輪、主/從動齒輪軸及銷分別裝配成主動/從動齒輪軸裝配體，以便于整體裝配；（2）分別插入主動、從動齒輪軸裝配體，分別保持與泵體的兩軸孔同軸，以保證兩齒輪中心距正確，選擇軸向位置準確；（3）齒輪造型時，無論采用哪種齒輪造型方法都要選擇齒輪輪廓草圖中分別繪制由中心到齒輪齒頂中點及中心到齒根中點的中心線，并繪制齒輪分度圓。裝配時選擇分別屬于兩齒輪的上述兩線重合，即嚙合時保證一齒輪的齒廓插入另一齒輪的齒槽，使齒輪保持正確的初始嚙合位置；如圖1所示。（4）壓縮該重合配合，選擇插入/配合/機械配合/齒輪，選擇齒輪分度圓弧，系統(tǒng)自動出現(xiàn)兩齒輪傳動比率，回車確定完成機械配合。如圖1所示。

完成后的齒輪機械配合初始位置準確，保證齒輪正確嚙合及動畫仿真的及后續(xù)干涉檢查準確性。

3 齒輪油泵運動仿真動畫制作

為了能夠展示產品的設計方案及運動效果,需要制作裝配體仿真動畫。

SolidWorks軟件能夠通過模擬實現(xiàn)機械的各種仿真運動。添加模擬馬達、彈簧或引力在裝配體的原動件上，通過各零件的裝配關系使從動件隨之運動起來，觀察機構的運動效果，實現(xiàn)裝配體的運動仿真。

下面以齒輪油泵主動軸旋轉運動為例介紹裝配體工作原理及仿真動畫的制作方法。

齒輪油泵主動軸通過鍵或銷連接齒輪帶動主動齒輪旋轉，主動齒輪通過齒輪嚙合帶動從動齒輪動，從而引起齒輪兩側體積變化產生壓力差，體積增大一側壓力降低，從進油口吸油進入泵腔內。隨著齒輪的轉動，齒槽中的油不斷沿運動方向被輪齒帶出油口一側，高壓油從出油口送到輸油系統(tǒng)中。

通過添加旋轉馬達給主動齒輪的方法模擬運動。具體方法：單擊裝配體文件主界面下側運動算例1，單擊馬達圖標，系統(tǒng)彈出“馬達”對話框, 馬達類型選擇旋轉馬達（R），馬達位置選擇主動齒輪，選定旋轉方向，相對此項而移動的零部件選擇從動齒輪，運動選項選擇等速，設定轉速大小，單擊確定, 馬達添加完成。

選擇播放或從頭播放按鈕即可看到齒輪周而復始的旋轉情況，完成動畫制作，單擊保存動畫按鈕即可將動畫保存為AVI或其他類型文件。用普通的播放軟件就能看制作的動畫。

其他類型的動畫模擬方法基本類似, 比如液壓活塞的往復運動可以添加線性馬達來實現(xiàn),設計者都可以參照以上方法制作完成。

4 拆卸與安裝仿真動畫的制作

產品的仿真拆卸與安裝可以讓用戶了解產品的內部結構以及零件之間的裝配及連接關系。SolidWorks 軟件可以使用戶在軟件的虛擬環(huán)境下體驗真實的拆卸和安裝過程。通過生成裝配體的爆炸視圖可以實現(xiàn)裝配體裝拆的動態(tài)仿真。

SolidWorks 軟件建立爆炸視圖具體方法如下:單擊主菜單“插入/爆炸視圖”, 打開“爆炸”屬性管理器。在裝配體上單擊要爆炸的零件, 此時被選中的零件高亮顯示, 同時出現(xiàn)一個設置移動方向的坐標系, 單擊坐標上的箭頭, 確定爆炸方向，直接拖至理想位置，或者在“爆炸”屬性管理器中的“設定”面板中輸入爆炸距離, 單擊“應用” 按鈕, 預覽爆炸效果, 調整滿意后單擊“完成”。重復上述步驟, 合理靈活地選擇每個零件的爆炸順序、爆炸方向和爆炸距離，逐一按拆卸順序生成每個零件的爆炸操作，這樣可能使拆裝動畫效果更逼真。

完成爆炸視圖后, 右鍵單擊設計管理樹中裝配體名稱, 在彈出的菜單中單擊“動畫解除爆炸”,“動畫控制器 ”運動管理器，選擇正常模式可以觀察的安裝動畫，循環(huán)模式或以周而復始觀察安裝動畫，選擇往復模式那么安裝與拆卸動畫將會交替進行。如圖2所示。

點擊“保存動畫”按鈕，彈出“保存動畫到文件”對話框,選擇文件類型及路徑，將拆裝動畫保存為AVI或其它文件類型，可以使觀看者用普通的播放軟件觀看動畫效果，方便觀察者學習和交流。

5 結束語

以SolidWorks作為設計平臺, 可以進行零件實體建模和虛擬裝配,制作裝拆過程的仿真動畫，進行裝配體干涉檢查，完成檢查設計功能和性能等一系列任務。越來越多的工程師使用SolidWorks，大大簡化機械產品設計的開發(fā)過程,減少設計中的錯誤, 提高產品的設計質量,使產品快速高效的投向市場，值得在校生和設計師進一步研究和推廣。

參考文獻：

[1]王騫.基于SolidWorks的齒輪參數(shù)化實體模型設計[M].武昌工學院,2012(05).

[2]李曉玲.基于SolidWorks 的機械產品仿真動畫[J].西安航空技術高等專科學校學報,2011(05).

作者簡介:董麗琴（1970-）,女, 河北保定人,副教授, 研究方向：機械制圖與CAD教學與研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.241