基于SolidWorks的圆柱齿轮仿真分析及优化设计

0 引言

    齿轮传动在矿山机械中应用广泛，比如掘进机、钻探机、提升机、输送机等设备的主要传动部分都采用齿轮传动。目前矿山用齿轮主要是渐开线齿形的圆柱齿轮。本文以标准直齿轮为研究对象，利用研究了齿轮的运动仿真、应力仿真及结构优化。是基于Windows的三维CAD软件，是面向产品级的机械设计系统，它提供了强大的参数化、基于特征的实体造型技术。版以后内置了Motion及SimulationXpress插件，使得机构运动分析、应力应变分析变得更加方便，还能实现优化设计，计算机测试设计取代昂贵费时的实地测试，大大降低了产品的设计成本和上市时间。

1 齿轮三维建模

    已知：一对外啮合渐开线标准直齿轮，输入功率10kW，小齿轮转速为960r/min，其参数为：模数5mm、分度圆压力角200、齿顶高系数1、径向间隙系数0.25、变位系数0、齿厚10mm。大、小齿轮齿数分别为52和19。

    利用设计库里“Toolbox＼ISO＼动力传动＼齿轮”的模块，可以快速生成齿轮的三维模型，但齿廓曲线不是标准渐开线，对轮齿进行有限元分析精度很难得到保证。利用CAXA电子图板可解决这一缺陷，具体建模过程如下：

    打开CAXA电子图板，点击“高级绘图”下的“齿轮”，进入齿轮参数对话框，输入上面的模数等已知参数后，生成如图1所示的齿形图，保存为.dwg或.dxf格式。

图1 渐开线齿轮草图

    打开，通过文件选项直接打开已保存的.dwg或.dxf文件，在弹出的对话框中选择“输入到零件为2D草图”，添加毂孔及键槽的草图，拉伸完成建模如图2所示。

图2 齿轮三维模型

2 齿轮虚拟装配

    按照前面的方法，分别建立大小齿轮的零件模型。为完成齿轮传动的运动仿真与应力分析，需对大小齿轮进行虚拟装配。在的装配模块中，将齿轮零件添加进来，配合选择齿轮端面对齐，根据齿轮中心距公式，计算出中心距为181.02mm，用此值设定齿轮之间的中心距。为了更好地模拟运动状况，可为齿轮添加一个轴，将轴与齿轮同心配合，为轴的一端面与齿轮端面加一个距离配合，最后将轴固定。装配完成以后，应该检查零件之间是否有干涉。检查零部件是否存在干涉现象，从而满足零部件的装配要求。如果出现干涉，需要对生成的零件和特征进行修改定义，直到达到要求为止。齿轮装配模型如图3所示。