基于SolidWorks的圓柱齒輪減速器的三維設計及動態仿真

摘 要：減速器是應用于原動機和工作機之間獨立的封閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩，廣泛應用于冶金、礦山、化工、紡織等領域。傳統減速器的設計方法過程繁瑣、周期長且效率低，因此文章以SolidWorks軟件為開發平臺，開展兩級圓柱齒輪減速器的三維設計和虛擬裝配，并對其進行運動仿真，大大提高了產品的開發效率，并為后期減速器的優化設計提供了設計基礎。

關鍵詞：減速器；SolidWorks；三維設計；運動仿真

1 研究意義

兩級圓柱齒輪減速器是一種節能型的機械傳動裝置，廣泛應用于機械、冶金、礦山、航空等領域，特別在需要較大減速比和較大功率的各種傳動中有巨大的市場和應用價值。傳統的手工設計方法過程繁瑣、周期長、效率低，為此，文章基于虛擬樣機技術，利用Solidworks軟件對減速器進行三維設計和虛擬裝配，之后利用COSMOS Motion軟件進行動態仿真及性能分析，不僅可以大大縮短產品開發周期，還能夠讓設計人員在設計初期階段就獲得充分的信息，考慮更多的設計方案，避免和降低設計風險，并且對于工程應用方面提供了實際的參考價值。

2 兩級圓柱齒輪減速器的三維設計過程

在三維設計之前，需要根據兩級圓柱齒輪減速器的輸入功率、輸出轉速、傳動比等相關參數，確定傳動方案。

2.1 傳動零件的設計-齒輪的三維設計

根據相關參數設計出減速器中所有齒輪的重要參數，根據參數建立齒輪的草圖截面輪廓，之后利用【拉伸】特征得到圓柱體，再利用【拉伸】特征繪制出其中一個輪齒，并進行【圓周陣列】得到所有輪齒，最后利用【拉伸切除】特征挖出軸孔，得到低速軸齒輪的三維模型，如圖1所示，用同樣方法亦能建立出高速軸齒輪、中間軸小齒輪的模型，圖2為高速軸齒輪模型。

2.2 軸的三維設計

兩級圓柱齒輪減速器的軸有低速軸和高速軸兩種，其三維模型的建立相對較容易，運用幾次【拉伸】特征或者繪制出軸向截面圖利用【旋轉】特征都可得到，圖3為低速軸的三維模型。

2.3 箱體的三維建模

減速器的上、下箱體的模型的建立需要綜合運用Solidworks中的【拉伸】【拉伸切除】【筋特征】【倒圓角】【陣列】等特征，箱體的選材為灰鑄鐵，在材料編輯中設定箱體的材料為灰鑄鐵。上、下箱體的建模設計樹及三維模型如圖4、圖5所示。

2.4 標準件的三維建模

SolidWorks的toolbox插件是一個標準件庫，通過參數控制和特征狀態控制來驅動三維模型，得到與標準件規格型號相一致的零件造型，即不同標準代號的標準件都建有一個與之相對應的三維零件模型。

標準件庫提供的螺栓、螺母、墊圈、銷等常用標準件，可以在后續的三維裝配時直接采用拖動操作，就可以在模型的相應位置裝配指定類型、指定規格的標準件，非常便捷。

3 減速器的虛擬裝配

SolidWorks的虛擬裝配需要新建一個裝配體文件，采用“自上而下”的設計方法將之前建立好的零件模型按照裝配順序逐個插入到裝配環境中，并可生成裝配及拆卸動畫，虛擬裝配流程圖如圖6所示。

減速器的虛擬裝配過程：首先插入下箱體零件，之后按照裝配順序逐個插入減速器的齒輪軸、齒輪、端蓋、上箱體等零件，根據減速器的功能對各零件之間添加約束配合，完成減速器的虛擬裝配，裝配完成后可使用動畫控制器保存成avi格式的拆卸、裝配動畫。圖7為減速器的裝配體模型。

4 減速器的運動仿真

COSMOS Motion是SolidWorks自帶的運動分析軟件，可實現裝配體的工作原理動態仿真，模擬他們的運動行為，準確地了解并分析設計模型的運動性能，并可檢驗各零件之間是否存在碰撞和干涉現象。

4.1 干涉檢查

裝配完的模型，并不一定裝配正確，為了保證機構運動仿真過程順利進行，對已裝配的產品要進行碰撞干涉檢查。利用干涉檢查確定裝配體各零件是否發生重疊現象，然后根據仿真結果修改設計的零件參數，直到不產生干涉或碰撞，從而達到設計目的。這樣，大大簡化了產品的設計開發過程，并能有效地提高產品質量。

打開【工具】中的【干涉檢查】，選擇整個裝配體進行所有零件的干涉檢查。而齒輪在動態仿真過程中，每齒的嚙合都有可能發生干涉，運用插件Motion中的干涉檢查，動態觀測仿真中每幀的嚙合情況，根據干涉體積大小，判斷干涉的嚴重程度，對干涉處進行修改，優化齒輪的設計。

4.2 運動仿真

干涉檢查完成后，對裝配體進行運動仿真。Solidworks軟件的運動仿真是通過【工具】中的插件【solidworks motion】中實現的。其運動仿真過程如下：（1）添加馬達。添加旋轉馬達，確定馬達旋轉方向，給定輸入軸的角速度。（2）添加負載。在輸出軸位置添加負載。（3）在模擬工具欄中點擊“計算模擬”，即可進行運動仿真，最后保存運動過程的動畫。

通過運動仿真，在設計初期就可了解減速器的工作狀態及工作性能分析，通過參數化設計便可達到優化設計的目的。

5 結束語

利用SolidWorks軟件對兩級圓柱齒輪減速器進行三維設計及虛擬裝配，并對其進行運動仿真，得到以下結論：

（1）借助虛擬樣機技術軟件平臺，對減速器進行三維設計，直觀、合理而又高效率。（2）通過虛擬裝配和運動仿真，可直觀檢測減速器各零件之間的碰撞與干涉，節省了研發時間，并能有效地對設備進行優化設計。

參考文獻

[1]劉虎，李虹.基于SolidWorks的柱塞泵虛擬裝配與動畫仿真[J].機械工程與自動化，2015（2）：104-107.

[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（3）：36-38.

[3]劉馥.基于SolidWorks蝸輪蝸桿三維建模的研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2014（9）：92-93.

[4]詹迪維.SolidWorks快速入門教程[M].北京：機械工業出版社，2010.

作者簡介：于美麗（1984-），女，遼寧丹東人，營口理工學院機電系教師，講師，碩士，主要從事制圖及仿真設計方法研究工作。