基于SolidWorks的齿轮精确建模与应力分析

第３ｌ卷第５期基于鲥ｉｄＷ唧ｋｓ的齿轮精确建模与应力分析

文章缩号：Ｉ∞４—２铅９ｆ∞沂Ｊ街一００岱一ａ２

基于ｓｏｌｉｄｗｏｒｌｃｓ的齿轮精确建模与应力分析

（陕西科技大学机电工程学院，陕西成阳７１２０８１）曹西京程伟超郭炎伟

摘要渐开线齿轮的三维实体造型是一个技术难题，如何精确地绘制出齿轮的渐开线是建模的关键。本文介绍了在Ｓ０１ｉｄｗｄ∞环境中几种齿轮精确建模的方法，以及如何利用ｓｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中嵌入的ｃ０ＳＭ（）ｓｘｐ—ｓ插件，对齿轮进行应力分析。

关键词齿轮三堆建模ｓｏｌｉｄｗｏｒｌｃｓＣ０ｓＭＯｓＸＰⅫ应力分析

引言

鲥ｉｄＷ０ｌ｛（８作为一种主流的三维设计软件，操作简

便，功能强大，在参数化特征造型、曲面造型和机械装

配功能方面尤为突出。而Ｓ０１ｉｄｗｏｄ口本身没有齿轮设

计模块，由于它的草图功能有限，要直接绘制渐开线并

生成较为精确的渐开线齿轮三维模型就很困难。

ｃｏｓＭ０ｓｘｐｒｅ∞是ｓｏｂｄｗ胡【ｓ中提供的用于零件应力有

限元分析的高效工具。作为ＳＲＡｃ（ｓ帅ｃｔｕｌａｌＲｅｓｅａｒｃｈ

＆ＡｒＩａｌｙｓｉｓ

ｃｏｒｐｏ吼ｉ∞）公司产品ｃＯｓＭＯｓｗｏｒｋ８产品的

一部分，与Ｓ０ｂｄｗ池无缝集成。使用ＣＯｓＭＯＳｘｐｒ≈∞

可以在三维设计环境中直接对零件进行应力分布检

查，以找出设计的缺陷和薄弱环节，提高设计质量及零

件的可靠性。

ｌ精确建模‘“

１．２ｌ，１利用ＣＡｘＡ生成渐开线齿轮草图

ｃＡｘＡ电子图板是国内常用的二维ｃＡＤ软件，带

有齿轮绘制模块，而ＡｕｔｏｃＡＤ却没有该功能。下面介

绍以ｃ＾ｘＡ辅助生成齿轮渐开线，然后在ｓｏｌｉｄｗｏｒＩ蹬

中进行齿轮建模的方法。

首先，打开ＣＡｘＡ，点击勰，进入齿轮参数对话

框（图１），输入所需的参数后，生成齿形图（图２），保存

为．ｄｗｇ或．ｄ矗格式。然后打开ｓｏｌｊｄｗｏｒｋｓ，通过文件

选项直接打开刚才保存的．“ｇ或，ｄ矗文件，在第二个

对话框中选择“以草图输入到新的零件”，最后生成齿

轮草图（图３），接着拉深，拉伸长度即齿宽，完成建模。

１．２利用ＡｕｔｏｃＡＤ生成渐开线齿轮草图

利用ＡｕｔｏｃＡＤ自带的Ａｕｔｏｌｂｐ开发工具，编制一

个生成渐开线曲线的程序，接着加载、运行，即可生成

渐开线齿轮二维图形，保存为．ｄ帐或．ｄｄ格式。在

驯ｌｄｗｏｆｋｓ中采用和导入ｃＡ）认草图一样的导人方

式，生成齿轮草图，拉伸生成模型。图１齿轮参数对话框

图２在ｃＡｘ＾中生成的

渐开线齿轮草图

图３导人到ｓ洲ｗｍｂ图４利用编程工具在伽ｄｗ幽后，生成的齿轮草图中生成的单个齿草图

利用编程法生成渐开线齿轮草图

渐开线直坐标参数方程为

互＝ｍ（ｃ０可＋ｊｓｉ町）

ｙ；瞄（ｓｉＩ“＋，ｏｏ酊）

利用Ⅶ或者ｃ＋＋编制一个生成渐开线曲线的

程序，计算出渐开线上多个点的坐标，注意，点太少，影

响渐开线的精度。保存为．戗ｔ格式。打开Ｓ０ｂｄｗｏｒｋｓ，

利用“插入”下拉菜单中的“曲线”级联菜单中的“通过

参考点的曲线”选项，在弹出的对话框中单击“浏览”按

钮，打开刚才保存的渐开线文件，生成渐开线，此时生

成的是单个齿的齿形（图４），圆周阵列即可得到全部

齿廓曲线。接着拉伸草图即可得到所要的齿轮。

相比较之下，利用ＣＡｘＡ来生成齿轮草图，最为便

捷，又可保证精度。我们不但可以生成圆柱直齿轮，还

可以利用Ｓｏｌｉｄｗｏｄ口的“敷样”、“扫描”功能来生成圆

柱斜齿轮和圆锥直齿轮。

２应力分析幢’３ｊ

齿轮实体模型创建完成后，可以进行应力、应变分　万方数据

机械传动２０町年

析。作为集成在ＳＯＩｉｄｗ呱ｂ中的一个插件，ｃｏｓＭＯｓｘ．ｐｒ％使用界面完全符合ｓ０１ｉｄｗｏｒｋｓ风格，具有简单、快捷特点。ｃｏｓＭＯＳＸｐⅫ采用“向导”（Ｗｉｚａｒｄ）方式引导操作者完成有限元分析的参数设定。５步即可完成：①定义零件材料，②施加约束，③施加载荷，④分析计算，⑤结果输出。

以下就以计算齿根应力为例来说明ｃ０ＳＭ０ｓＸ．嗍８的应用。

首先，利用ｓ０１ｉｄｗｏ岫完成渐开线齿轮的精确建模（５），选择ｃｏｓＭｏｓｘｐｒｅｓｓ选项或点击弼，按照对话框提示依次设定所需参数。

２．１定义零件材料

零件的反映取决于其构成材料。我们可以从ｃｏｓＭｏｓｘｐＩｅ８ｓ随带的材料库中挑选材料或手动输入材料属性，我们此处取铸造碳钢，软件给出材料的物理属性（图６）。

物理属性０町▲

ｌ弹性模量２０００００Ｎ／，．

１普阿松比率０．３２

１抗剪模量，６０００Ｎ恤一

Ｉ热扩张系数１．２｝００５

Ｉ｛！ｆｆ度０００７８９，皿。

Ｉ热导宰３吲ｍｋ

ｆ特定热５００Ｊ，ｋｇｋ

Ｉ张力强度

４８２．５４９Ｎ，一

Ｉ屈服力２４８．１６删…

图５齿轮实体圈６材料物理属性２．２施加约束

定义图５中齿轮键槽面为约束面。

２．３施加载荷

定义图５中一个齿面为载荷面（齿轮啮合为线接触，可以预先在齿面上靠近节线处绘制一个很窄的面来代替线），载荷类型为压力，压力大小为１０００Ｎ／ｒｍ铲。２．４分析计算

分析结果如图７所示，图形的颜色变化反映了齿轮内部应力的分布情况，右方的颜色滑杆所对应的应力数值以及颜色分布与左图中的颜色对应。图形的扭曲反映了应力作用下的齿轮应变。

２．５结果输出

我们可以通过“结果”标签显示齿轮分析结果。第一个分析结果是安全系数（Ｆｏｓ），该系数是材料的屈服强度与实际应力的对比值。我们还可以通过“应力分析”和“变形形状”来查看ＣｏｓＭｏｓｘｐｒｅｓｓ分析结果。其中“应力分析”、“位移分布”和“变形形状”三种类型的结果可以显示动画并可以保存成“＊．ＡⅥ”文件。分析结果现实，该齿轮在安全系数、应力、应变等方面符合标准。３进行应力分析应注意的问题

３．１建模问题

有限元方法是将零件实体分解成一定数量的单元要素，再对每一个单元进行力学方面的计算，最后求出总体的应力分布情况。软件将对零件进行网格划分，如果零件过于复杂，将影响运算速度和精度，因此我们在进行应力分析前去掉那些不受力的部分。另外零件尺寸不能过小。如果超出软件所设定的最小尺寸界限，软件将无法求解或者出现运算时间过长等问题。３．２载荷问题

ｃＯｓＭｏｓｘｐｒｅ％软

件提供两种载荷方式：

力和压力。载荷一定要

施加到面上，不能施加

在点或棱线上。当力的

方向为特殊方向时，应

预先建立一个基准面，

图７齿轮应力分布

然后使作用力与该面垂

直。如果载荷以转矩的形式出现，可以在适当的位置创建两个或多个凸台，将转矩换算成作用力后施加到凸台上，等于变相的将转矩施加到零件上。

４结论

（１）本文对在鲥ｉｄＷｏ如环境下，如何精确建模做了介绍。利用ＡｕｔｏＣＡＤ或者编程工具，都要用到曲线公式，因此利用ｃＡ）（Ａ的绘制齿轮工具则显得更加便捷准确。

（２）齿轮的应力和变形分析是进行齿轮研究必不可少的内容。利用ｃｏｓＭ０ｓｘｐｒｅ∞插件，不需要其他大型有限元软件就可以对齿轮进行分析．节省了时问和费用。

参考文献

ｌ壬秀玲．基于ｓ曲桷陆的齿轮三维造型方法研究．机械设计与创

造，２００６，（４）

２董红涛，李永奎，葛胜夫等．基于ｃｏｓＭ０ｓｘ岬的机械零件静态应力

分析沈阳农业大学学报，２００６一∞．３７ｆ１）

３胡仁喜，郭军，王仁广等．ｓｏｕｄｗｏｄ删中文版机械设计高级应用教程．北京：机械工业出版社．２０晒

收稿日期：ａ∞６１１１３

作者简介：曹西京（１９５３一），男，陕西户县人，教授

　万方数据