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柴红梅—基于Solidworks减速器的模拟仿真(一)


河南科技学院 2009 届本科毕业论文(设计) 届本科毕业论文(设计)

论文题目: Solidworks 减速器的模拟仿真(一 论文题目:基于 Solidworks 减速器的模拟仿真 一)

学生姓名: 学生姓名:柴红梅

所在院系: 所在院系: 机电学院

所学专业: 所学专业:机械设计制造及其自

动化

导师姓名: 导师姓名:万秀颖

完成时间: 完成时间:2009 年 5 月 20 日

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摘 要 本文针对基于Solidworks绘图减速器的过程中所遇到的问题, 探讨了减速器 对当今社会机械发展中的作用。 介绍了减速器的零件绘制原理与装配及其爆炸视 图的方法。本文还介绍了以直齿轮为例的基于SolidWorks的减速器的模拟仿真设 计。详细介绍了运用SolidWorks软件进行减速器的三维实体建模过程,实现减速 器设计的模拟仿真。 关键词: 关键词:Soildwirks,减速器,三维实体建模,装配和模拟仿真

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Based on the Solidworks drawing reducer simulation design
This artical talked about based on the Solidworks drawing reducer process meeting the problems and mechanical reducer on the development of today's society and the role. The principle of reducer parts and assembly drawing was introduced This article also described as an example of a the exploded view of the method.

straight gear reducer based on the SolidWorks Simulation design. Detailed information on the use of SolidWorks software reducer three-dimensional solid modeling process, designed to achieve simulation reducer. Key words:Solidworks, reducer, three-dimensional solid modeling, assembly and simulation

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目 录 .................................................. 1 绪论 .................................................. 1 ...................................... 2 减速器的模拟仿真 ...................................... 1
2.1 减速器的的概念 .................................................. 1 2.2 SOLIDWORKS 软件的模拟仿真的可行性 ................................. 1 2.3 SOLIDWORKS 的概述 ................................................. 2

3. 基于 SOLIDWORKS 减速器模拟仿真的实例 ................... 2
3.1 零件三维实体建模过程的基本步骤 .................................. 2

3.1.1 齿轮的三维实体建模的过程 .............................. 2 3.1.2 从动轴的三维实体建模过程............................... 6 3.1.3 齿轮轴的三维实体建模过程轮轴的三维过程:.............. 11
3.2 减速器的装配过程: ............................................. 15

3.2.1 底座和从动轴的配合:.................................. 15
3.3 减速器的爆炸过程: ............................................. 19 3.4 减速器装配体的模拟仿真过程: ................................... 21

................................................. 4 结论 ................................................. 21 ................................................... 致谢 ................................................... 22 参考文献 ............................................... 23 ...............................................

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1 绪论
减速器作为一种重要的动力传递装置,在机械化生产中起着不可替代的 作用。 研究开发以产品设计为目标,全过程综合应用 CAD 及其相关一体化集成技 术己成为必然趋势。 采用 Solidworks 软件生成了二级圆柱齿轮减速器的三维模型, 通过该软件特有的仿真运动功能,检查、优化设计方案,实现了减速器的运动仿真, 完成了减速器在计算机中的模拟设计。 Solidworks 以其优异的三维设计功能 ,操作计算机模拟仿真技术是一种计 算机模型,设计师可以在计算机上建立机械系统的三维可视化模型,模拟在真实环 境下系统的特性(包括外观、 空间关系以及运动学和动力学特性),并根据仿真结果 进一步优化系统,以 CAD 模型为基础,结合虚拟技术与仿真技术,为产品的设计开 发提供一个全新的方法。 利用仿真样机代替物理样机对产品进行创新设计、 测试、 评估和人员训练,正成为各类制造企业缩短产品开发周期,降低成本,改进产品设 计质量,提高面向客户与市场需求能力的重要手段。简单等一系列的优点 ,极大 地提高了设计效率。 利用 SolidWorks 不仅可以生成二维工程图,而且可以生成三维零件,实现 零件的三维实体建模。用户还可以利用其功能,对其进行装配图、爆炸图的生成 还可以利用插件进行模拟仿真的动化演示。

2 减速器的模拟仿真
2.1 减速器的的概念【2】 减速机是一种动力传达机构,利用齿轮的速度转换器,将马达的回转数减速 到所要的回转数,并得到较大转矩的机构。 2.2 Solidworks 软件的模拟仿真的可行性 基于 Solidworks 软件圆柱齿轮减速器的三维模型设计以及运动模拟仿真检 验设计方案的可行性,使工程技术人员可以更加直观的对产品进行评估,缩短了设 计周期,节约了设计资金,提高了设计效率。这种设计理念和方法更加有利于建立 产品数据库和标准件库,为提高产品的生产标准化提供了可能性【13】 。通过对减速 器关键零部件的设计,证明 Solidworks 技术应用于工程设计是可行的,具有提高产 品质量和设计效率的工程实用价值。

2.3 Solidworks 的概述 SolidWorks 是世界上第一款完全基于 Windows 的 3D CAD 软件 ,自 1995 年 问世以来 ,以其优异的三维设计功能 ,操作简单等一系列的优点 ,极大地提高 了设计效率 ,在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它的市场地位 ,已经成为 三维机械设计软件的标准
【3】

。利用 SolidWorks 不仅可以生成二维工程图,而且

可以生成三维零件,用户可以利用这些三维零件来建立二维工程图及三维装配 体。SolidWorks 采用双向关联尺寸驱动机制,设计者可以指定尺寸和各实体间的 几何关系,改变尺寸会改变零件的尺寸与形状,并保留设计意图。

3. 基于 Solidworks 减速器模拟仿真的实例
零件三维实体建模过程的基本步骤 3.1 零件三维实体建模过程的基本步骤
一个零件的建模过程, 实际上就是许多个简单特征相互之间叠加、 切割或相交的操作过 程。按照特征的创建顺序,构成零件的特征可分为基本特征和构造特征,因此一个零件 的实体建模的基本过程可以由如下几个步骤组成:

(1)进入零件设计模式。 (2)分析零件特征,并确定特征创建顺序。 (3)创建与修改基本特征。 (4)创建与修改其他构造特征。 (5)所有特征完成之后,存储零件模型。 3.1.1 齿轮的三维实体建模的过程 这里先给出直齿轮的各项参数:模数 m=3、齿数 z=81。通过这些参数,可 以计算出:分度圆直径=243mm、齿顶圆直径=249mm、齿根圆直径=235.5mm。 直齿轮建模的操作步骤如下: (1)单击标准工具栏中的“新建”工具,新建一个零件文件 。 (2)在特征管理器设计树中选择“前视基准面” ,单击 (草图绘制)工 具,进行草图 1 的绘制。单击草图工具栏中的 (圆)工具,以草图原点为圆心 分别绘制出齿顶圆、分度圆、齿根圆。选择分度圆,单击草图工具栏中的 (构 造几何线)工具,使分度圆变为虚线实体。 (3)单击 (中心线)工具,过草图原点绘制一条垂直的对称虚线。单击 (点)工具,移动鼠标指针到分度圆与中心线相交的位置,按下鼠标左键确定点

2

的位置。 (4)保持点的选择,单击草图工具栏中的 (圆周草图阵列)工具,在“排 列”选项栏的“数量”文本框中输入 324,单击确定按钮,结束圆周阵列的操作。

图 1 绘制样条曲线

图 2 镜像和剪裁实体

(5)单击草图工具栏中的 所示的曲线。

(样条曲线)工具,在点的引导下绘制如图 1

(6)按住〈Ctrl〉键,选择曲线与垂直中心线,单击草图工具栏中的 (镜 像实体)工具,完成曲线的镜像复制操作。接着,单击 (剪裁实体)工具,选 择“剪裁到最近端”选项,剪裁齿顶圆,如图 2 所示。 (7)单击草图工具栏中的 (分割实体)工具,选择齿根圆进行分割,如 图 3 所示。单击图形区域右上角的 图标完成草图 1 的绘制。 (8)单击特征工具栏中的(拉伸凸台/基体)工具,设置拉深深度为 60mm, 单击“所选轮廓”选项框,并在图形区域中选取齿根圆的轮廓,单击确定按钮完 成拉伸 1 特征的绘制,如图 4 所示。

3

图 3 绘制齿轮齿廓

图 4 绘制拉伸 1 特征

(9) 在图形区域中选择拉伸 1 实体的上表面, 单击标准视图工具栏中的 (前 视)工具,单击草图绘制工具,进行草图 2 的绘制。鼠标右键单击特征管理器设 ,在快捷菜单中选择“显示”命令。选择草图 1 的齿状轮廓, 计树中的“草图 1” 利用转换实体引用工具和旋转实体工具完成草图 2 的绘制,如图 5 所示。

图 5 绘制草图 2

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图 6 轮齿

(10)利用 “放样”“倒角”“阵列(圆周) 、 、 ”等特征工具,完成轮齿的阵 列,如图 6 所示。 (11)在草图绘制状态下,绘制并确定轮辐的尺寸。利用“旋转-切除”特 征工具,完成轮辐的绘制。如图 7、8 所示。

图 7 旋转切除

图8

轮辐

图 9 拉伸切除

(12)在草图绘制状完成轮毂的绘制。如图 9 所示态下绘制轮毂形状并确

5

定尺寸,利用“拉伸切除”工具。 (13) 在草图绘制状态下绘制轮毂分布孔及定位, 利用 “简单直孔” “圆 及 周阵列”等工具完成直齿轮三维实体模型的绘制。如图 10 所示。 (14)单击标准工具栏中的“保存”工具,文件取名为“直齿轮.sldprt” 。

图 10 直齿轮三维实体模型

3.1.2 从动轴的三维实体建模过程 分操作步骤如下: (1)单击标准工具栏中的“新建”工具,新建一个零件文件 。 (2)在特征管理器设计树中选择“前视基准面” ,单击 (草图绘制)工 具,进行草图 1 的绘制。单击草图工具栏中的 (圆)工具,以草图原点为圆心 绘制一个直径为 55mm 的圆,使用(智能尺寸)完全定义草图。 (3) 单击图形区域右上角 结束草图 1 的绘制, 然后单击特征工具栏的 (拉 伸凸台/基体)工具,设置拉伸深度为 80mm, 单击(确定)按钮完成拉伸 1 特征 的绘制。 (4)选择拉伸 1 特征的端面,单击 (草图绘制)工具,进行草图 2 的绘
6

制。单击草图工具栏中的

(圆)工具,绘制直径为 60mm 的圆,且圆心与草图

原点有“重合”几何关系,单击右上角的 图标结束草图 2 的绘制,然后使用特 征工具栏的(拉伸凸台/基体)工具绘制出深度为 74mm 的轴体,即拉伸 2 特征 如图 11 所示。

图 11 拉伸 2 的特征

图 12 拉伸

(5) 用同样的方法绘制如图所示的实体, 拉伸 3 特征为直径 74mm,高 13mm 的 圆柱体,而拉伸 4 特征为直径 60mm, 高 108mm 的圆柱体,如图 12 所示。 (6)单击特征工具栏(倒角)工具,选择如图所示的四条边,选“角度距 离”单选钮,设置距离为 2mm 角度 45 度,单击(确定)完成特征的绘制。

7

图 13 倒角

(7)在特征管理器设计树中选择“前视基准面” ,单击

(草图绘制)工具,

进行草图 5 的绘治。单击 (中心线)工具,过草图原点绘制一条水平线;单击 (矩形)工具,绘制高为 1mm 宽为 2mm 的矩形,按住《Ctrl》键选择四边形的右 上端点以及拉伸 1 实体点,在“添加几何关系”中选择“重合” ,如图 14 所示。

图 14 添加几何关系

8


图 15 旋转切除

(9) 单击右上角的 图标结束草图 5 的绘制,然后单击特征工具栏(旋转切除) 工具,设置旋转切除角度为 360 度,单击(确定)按钮完成特征的绘制,如图 15 所示 (10)在特征管理器设计树中选择“前视基准面” ,单击参考几何体工具栏 中的(基准面)工具,绘制出一个与前视基准面等距为 40mm 的基准面 1 。 (11)保持基准面 1 的选择, (草图绘制)工具,进行草图 6 的绘制, 单击 (中心线)工具,过草图原点绘制一条水平线,保持中心线的选择,单击 草图工具栏中的(动态镜像实体)工具,使中心线变为镜像轴,然后单击(直线) 工具任意绘制出一段水平直线,此时镜像轴的另一端将出现与其相对应的直线 段。单击(智能尺寸)工具对两直线段进行尺寸标注。给定距离为 16mm 。单击 (动态镜像实体) 工具结束镜像操作, 然后单击草图工具栏中的 (切线狐) 工具, 以两条直线的端点为起点绘制出两个相对应的切线半圆。 (12)再次单击(智能尺寸)工具,对两切线半圆进行尺寸设置,注意系统 将圆弧距默认为两圆心距离的尺寸。单击初始的默认尺寸,系统将在尺寸上显示 控制点,选择其中的一个控制点,按住鼠标左键将其拖动到圆弧的最大端点处, 用同样的方法完成另一个控制点的移动。双击尺寸数值,改变圆弧点的距离为 70mm 如图 16 所示,继续尺寸的标注知道草图完全定义。

9

图 16 草图的绘制

(13) 单击右上角的 图标结束草图 6 的绘制, 然后单击特征工具栏的 (拉 伸切除)工具,在“终止条件”选项框中选择“到离指定面指定的距离” ,接着 在图形区域的右上角单击 特征的绘制,如图 17 所示。 (14)在征管理设计树中选择“基准面 1” ,并用步骤(11)到步骤(13) 的方法在其上绘制出另一个键槽,如图 18 所示并标注尺寸。 图标显示特征管理设计树,并在其中选择“前视基 准面”为切除特征的指定面,设置切除距离为 21.5mm。单击(确定)按钮完成

图 17 特征的绘制

10

图 18 基准面的绘制

图 19

从动轴的三维实体模型 从动轴的三维实体模型

(15)单击标准工具栏中的“保存”工具,文件取名为“从动轴.sldprt”如图 19 所示。 齿轮轴的三维实体建模过程轮轴的三维过程: 3.1.3 齿轮轴的三维实体建模过程轮轴的三维过程: 这里先给出直齿轮的各项参数:模数 m=3、齿数 z=18 参数,可以计算出: 分度圆直径=54mm、齿顶圆直径=60mm、齿根圆直径=46.5mm。直齿轮建模的 操步骤如下: 由于齿轮轴是齿轮和轴的装配体在前面已经详细复述过齿轮和轴的画法就 不再赘述和前面的画法是一模一样的,再次制作出画图过程中的图片文字省略。

图 20 草图 1

11

图 21 放样特征

图 22 圆周阵列

12

图 23 拉伸特征

图 24 旋转切除草图

图 25 键槽的绘制

13

图 26 旋转切除特征

图 27 拉伸特征

14

图 28 齿轮轴的三维建模

减速器的底座和盖是由我组另一位同学完成。 减速器的装配过程: 3.2 减速器的装配过程: 底座和从动轴的配合 的配合: 3.2.1 底座和从动轴的配合: (1)单击新建工具选择“装配体”模板,单击确定; (2)单击“插入零部件”属性管理器中的“浏览”按钮,在“打开”对话框中选 择“底座”文件; (3)将鼠标指针放到图形区域的任意处,单击左键调出减速器底座,默认此特 征为固定; (4)单击装配体工具栏的“插入零部件工具” ,选择菜单栏中的“插入”-“零 部件”-“现有零部件/装配体”命令,调入“从动轴” ,单击左键使其固定; (5)选择面 1 和面 2,打击“配合”工具,显示配合管理器,在“标准配合” 中选择“同心轴” ,并单击“反向对齐”按钮,如图 29 所示; (6)单击插入零部件工具调入“直齿轮”并选择配合工具,步骤与(5)相同 的配合关系; (7)继续对直齿轮和从动轴配合,选择键槽平面,选择“平行”配合,反向对

15

齐如图 30 所示完成直齿轮与从动轴的配合; (8)在图形区域中选择直齿轮和底座进行配合,在“标准配合”中选择“距离” 为 10mm,勾选“反转尺寸”复选框,并单击“反向对齐”如图 31 所示;完成直 齿轮与底座的配合; (9)调入“齿轮轴”到图形区域中,选择齿轮轴与底座另一面,单击配合,选 择“同心轴”与“反向对齐”

从动轴与底座的配合 图 29 从动轴与底座的配合

图 30 (a) )
16

图 30(b) ( )

30( 图 30(c) 图 30 直齿轮与从动州的配合

30( 图 30(d)

(10)选择所示平面继续配合,在“标准配合”中选择“距离”为 8mm, 并反向对齐,如图 32 所示; (11)保存取名“装配体” ,调入“减速器盖文件”选择如图所示面进行配合步 骤同上 (12)由此完成所有零件的装配工作。

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图 31 齿轮与底座的配合

图 32 齿轮轴与齿轮的配合

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图 33 盖与底的配合

图 34 完成的装配体

减速器的爆炸过程: 3.3 减速器的爆炸过程: (1)单击装配体中的“爆炸视图”选择减速器盖实体出现一个操纵杆,单击 Y 轴,设置距离为 100mm。单击“应用”按钮,得爆炸步骤 1 图 35; (2)接下来选择直齿轮、齿轮轴及从动轴单击 Z 轴设置距离为 200mm,生成爆 炸步骤 2 图 36; (3)选择从动轴,Z 轴距离为 400mm,并单击反向按钮完成爆炸 3 图 37 (4)此外还可以用鼠标右键单击特征管理树中的“装配体” ,选择“动画解除爆 炸”来演示爆炸过程。

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图 35 盖的爆炸

图 36 零件的爆炸

图 37 从动轴的反向爆炸

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减速器装配体的模拟仿真过程: 3.4 减速器装配体的模拟仿真过程: 减速器内的零件模型装配工作全部完成后,就可以开始进行模拟仿真。通过 Assembly 进行的模拟仿真过程为选择需要旋转的零件转动 90 度,在拖动时间标 杆拉动四分之一的距离,一下重复上述动作便可生成
【1 】



以上便是利用 SolidWorks 中的功能建立的直齿轮零件的系列文件,即减速 器的各个零件的三维实体建模、装配、爆炸视图及其模拟仿真的过程。

图 38 减速器的模拟仿真图

4 结论
在整个毕业设计阶段,通过对 SolidWorks 软件知识的学习,我从理论上了 解到了 Solidworks 的基本原理和具体应用方法。并且能够运用 SolidWorks 软件 对各种零件进行三维实体建模,掌握了利用零件之间的装配和模拟仿真。在本文 中我利用 SolidWorks 软件对减速器进行了三维造型, 并利用 Soildworks 绘图轴, 齿轮,齿轮轴以及装配和模拟仿真。由此向大家展示了减速器的三维造型和模拟 仿真。但是对于 SolidWorks 软件的研究不太深入,需要更加努力地学习。

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致谢
本文是在我的指导老师的精心指导下完成的。衷心感谢我的指导老师,在整 个毕业设计阶段,我得到了指导老师的精心指导,在思想上、生活上也受到的真 挚的关心和热心的帮助。她严谨的治学态度、渊博的学识、精湛的学术造诣、诲 人不倦的精神以及虚怀若谷的气度给我留下了深刻的印象,使我受益匪浅,将永 远激励我在将来的学习和工作中不懈努力,不断进步! 在此我也非常感谢同学们在这段时间对我学习软件的帮助! 在论文完成之际,谨向我的导师和同学表示诚挚的谢意!

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参考文献
[1]曹岩,赵汝嘉 Soildworks 2006 工程应用教程基础篇 .机械工业出版社,2006.3 [2]崔海萍,闫军,张琪.SolidWorks 2006 中文版标准实例教程[M].机械工业出版社,2005 [3]王琳芳.基于 Solidworks 应用的零件设计方法研究[J].中国制造业信息化,2006,09 (11):12~15 [4]祁国宁, 顾新建, 李仁旺.Solidworks 及其建模的研究[J].计算机集成制造系统, 2006,12 (02):112~115 [5] 谭 建荣 , 戴 若夷 , 李 涛. 支 持 模 拟仿 真 系统 的 研究 [J]. 计算 机 辅助 设 计与 图 形 学学 报,2005,05(08):32~35 [6]梁士红, 张耀宗, 高颖颖.基于 SolidWorks 的设计及其实现方法[J].机床与液压, 2006,15 (03):20~23 [7]余冬玲.生产中客户参与设计方法研究[J].中国制造业,2004,21(08):98~103 [8]易际明,杨靖.面向装配的智能变型设计技术及应用研究[J]. 湖南工程学院学报, 2005,06(01):08~13 [9]曾慧娥, 周庆忠.基于 Solidworks 设计理论的系列产品平台设计方法研究[J]. 后勤工程 学院学报,2006,25(04):121~124 [10]王志,张进生,于丰业等.基于实例推理的产品设计技术[J].机电一体化,2003,20 (06):18~22 [11]祁国宁, 杨青海, 黄哲人等.减速器的产品开发设计方法研究[J].中国机械工程, 2004,15 (19):25~29 [12]李敏,徐福缘,顾新建等.传动类机械产品设计方法研究[J].中国机械工程,2002,10 (10):75~79 [13]阴向阳, 童秉枢, 李和良.模拟仿真研究现状[J].机械科学与技术, 2001,29 (20) :35~39 [14]万秀颖,张学良,吴立言等.模拟仿真制的设计技术体系研究[J].河南职业技术师范学 院学报,2004,09(09):10~11 [15]朱晓魏,林忠钦,金先龙等.模拟仿真的快速设计系统的研究[J].计算机集成制造系统, 2003,21(09):42~44

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