基于SolidWorks的齿轮啮合几何建模和运动仿真

基于SolidWorks的齿轮啮合几何建模和运动仿真
河北天择重型机械有限公司（河北邯郸 056200）刘刚
1 引言
齿轮传动是最基本的机械传动型式之一，应用极为广泛，几乎遍及工业各部门。

与其他传动相比，齿轮传动具有工作可靠、使用寿命长、瞬时传动比恒定、效率高、结构紧凑、速度和功率的适用范围广等许多优点。

在传统的平面绘图中，只能标注出分度圆、齿顶圆、齿根圆等尺寸，无法画出齿形轮廓，更不要说模拟动画了。

为了解决齿轮传动平面绘图的缺点，本文提出了一种基于SolidWorks的实体建模和动态仿真，这样可使抽象的问题直观化。

Animator插件就是一个与SolidWorks完全集成的动画制作软件插件，它能将SolidWorks的三维模型实现动态的可视化，并且实时录制机构的模拟装配过程、模拟拆卸过程和机构的模拟工作过程，将机构的工作情况得到更好的表达，增强了人们对机构的认识。

2 齿轮啮合零件的实体建模
SolidWorks用户界面非常人性化，便于操作。

在SolidWorks的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令。

其中基础实体特征主要有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体等。

在基础实体特征上可添加圆角、倒角、肋、抽壳、拔模及异型孔、线性列阵、圆角列阵、镜像等放置特征。

在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项，包括扫描、放样凸台/基体及参考几何体中基准轴、基准面这些定位特征等。

通过以上特征造型技术在SolidWorks中能设计出需要的齿轮轴和键的实体模型。

Solidworks2006通过二次开发，开发出了齿轮造型的程序，设计人员只需从右侧设计库的工具箱栏中调出齿轮文件，输入齿轮的参数，计算机就可以自动产生齿轮的实体模型，机壳的设计比较随意，能把两个齿轮轴的距离约束到所需的中心距即可，其零件实体见下图1。

（a）齿轮轴（b）键
（c）齿轮1 （d）齿轮2
图1 齿轮啮合零件实体模型
3 齿轮啮合的装配和拆卸
完成了齿轮啮合的零件实体后就可以进行齿轮啮合的装配。

单击“新建”按钮，新建一个装配体，然后依次插入上述零件。

其中第一个零件的插入非常重要，它是整个装配体的装配基础，被默认为固定的，即不能运动，其他的零件都是以它为装配参照体。

调入零件后，利用系统在配合菜单下提供的重合、同轴、同心、平行、垂直、距离等标准配合，精确地放置实体。

由于机壳实体挡住了部分齿轮，因此将机壳实体设置成隐藏。

拆卸时，单击装配体中“爆炸视图”按钮，按照提示用鼠标向X、Y、Z三个方向拖动其中零件至理想位置，齿轮啮合的装配图及拆卸图如图2、图3所示。

图2 装配图图3 拆卸图
4 齿轮啮合动态仿真
在实现动态仿真前，先在装配体模式下对齿轮进行动态模拟。

单击装配体中“模拟”按钮，分别设置两齿轮的旋转方向和角速度。

两齿轮的旋转方向相反，角速度与其齿数成反比。

启动Animator插件，单击菜单“工具”→“插件”，单击Animator前的选项栏，就会出现Animator的工具栏。

SolidWorks中Animator的操作都是在工作区的底部，单击工作区底部的“动画”标签就能切换到动画操作。

在SolidWorks Animator工具栏
上，单击“动画向导”按钮，选择“物理模拟”，单击“下一步”，然后设置开始时间和动画时间长度，单击“完成”。

最后，点击SolidWorks Animator工具栏左侧的“播放”按钮观看动画。

在SolidWorks Animator工具栏上，单击“保存”按钮可将制作的动画以AVI格式保存
5 总结
本文采用SolidWorks三维实体造型设计，定义不同零件之间的相对位置约束关系装配零件，设置两齿轮的旋转方向和角速度以实现齿轮啮合的动态仿真，使设计人员能够全方位立体地观察齿轮的运动状态。

现在，三维实体设计正逐步取代二维平面设计成为产品开发的主流设计软件，是产品设计发展的必然趋势。