基于SolidWorks的齿轮油泵的三维建模和运动仿真

董丽琴（河北软件职业技术学院,河北 保定 071000）



基于SolidWorks的齿轮油泵的三维建模和运动仿真

董丽琴
（河北软件职业技术学院,河北 保定 071000）

摘 要：本文以齿轮油泵为例，利用SolidWorks软件进行零件三维建模和运动仿真，重点介绍齿轮的建模及装配方法，为同类产品的虚拟设计提供有效参考，并为在校学生深入学习solidworks软件提供必要帮助。

关键词：solidworks软件；齿轮建模；虚拟装配；运动仿真

随着现代科学技术的发展，三维CAD 技术得到普及。SolidWorks作为主流机械设计软件，功能强大简便易学。本文通过solidworks软件对齿轮油泵各组成零部件的实体造型、虚拟装配、拆装动画、运动仿真的描述，真实地展示了齿轮油泵的实际装配和工作过程，及时发现设计中存在的问题，从而降低成本，提高设计效率，缩短设计时间。本文中所有实例均采用solidworks2012版完成。

1 齿轮油泵三维实体建模

齿轮油泵是各种机械润滑和液压系统的输油装置。是机械设计中基本部件。由泵体、泵盖、主动轴、主动齿轮、从动轴、从动齿轮、垫片、紧盖螺钉、填料、压盖、压盖螺母、定位销等十几个零件组成。

对初学者或对SolidWorks软件不太熟悉的设计师来说，齿轮建模比较困难，下面介绍几种方便实用的建模方法。

1.1 方法1——利用GearTrax中文版齿轮插件

GearTrax是一个SolidWorks常用插件，为机械工程师提供了一种简单方便用于精确齿轮及齿轮副的自动设计工具，可设计的圆柱齿轮、圆锥齿轮、齿形带轮、蜗轮蜗杆、花键、带轮等，方便快捷，且模型精确程度较高。

在GearTrax操作界面中按齿轮参数要求输入齿轮模数，齿数、齿面厚度、斜齿轮需输入螺旋角及左右旋向，点击完成按钮，使用时最好提前打开solidworks软件并设置使用英文菜单，齿轮轮齿将在SolidWorks软件中自动完成，再自行建造齿轮轮毂、轮辐、键槽或销孔等结构即可完成齿轮建模。

1.2 方法2——利用参数方程控制齿轮建模

（1）点击主菜单“工具/方程式”，根据齿轮参数关系输入齿轮基本参数及分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆等方程式。（2）建造回转体齿轮齿坯。（3）根据齿轮轮廓曲线性质，用圆弧近似代替渐渐开线齿廓的齿槽，拉伸切除，完成一个齿槽。（4）圆周阵列完成所有齿槽切除。

这种方法要求熟悉齿轮基本公式及软件的参数方程控制方法，对设计人员要求较高，且建模齿轮精确度不高，为以后的干涉检查等有限元分析带来麻烦。但此方法具有一般性，可完成一些不能直接完成的曲线，值得学习的一种方法。

广西民族音乐博物馆是在广西艺术学院“广西民族民间艺术藏品馆”的基础上扩展建成，于2015年开始立项建设，共斥资2300万。博物馆建筑面积近2600平方米，布展区域达1400平方米，收藏音乐展品约1200余件（套），涵盖乐器实物、传统歌本、乐谱、手稿、音像资料等多个内容，并通过多媒体影像、图文解说等形式再现八桂传统音乐的精彩风貌，主要功能为展示、传承广西传统音乐并进行音乐展演与研究活动。

1.3 利用CAXA电子图板齿轮曲线

CAXA电子图板中有渐开线齿轮轮廓曲线，输入直齿圆柱齿轮模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数等基本参数，即可生成直齿齿轮端面轮廓曲线，保存成CAD类型文件，SolidWorks软件与CAD软件有很好的数据交换性能，插入dwg图形文件，通过拉伸或扫描可生成直齿或斜齿齿轮轮廓，然后再对齿轮轮毂、轮辐结构，完成齿轮造型，这种方法简便易行，对设计人员要求不要，而且齿轮精度也比较高，是一种不错的方法。

2 齿轮油泵虚拟装配

在机械设计中，单个零件的造型没有实际意义，必须将零件装配成完整机器或部件以表达工作原理、各零件之间的配合关系,也是以后进行运动分析、干涉检查以及实现机器工作动画的基础。装配在机械设计中有非常重要的意义。

SolidWorks软件装配是将已经建模完成的零件逐一插入装配体文件，并依次添加共面、同轴、平行等各零件间的相互配合关系，使各零件保持准确的工作位置。一般来说固定零件需要完全定位，而运动零件需要部分定位而保留相应方向移动、转动等相应运动关系。SolidWorks系统默认首个插入零件是固定的,作为其它后续零件装配的基础和参考。所以装配时首个零件选择很重要，一般选择产品的支架、底座等基础件。

齿轮油泵具体装配过程如下：新建装配体文件，选择泵体作为首个插入零件。然后逐一插入齿轮轴，齿轮、销、密封件、泵盖、螺钉等零件。在装配过程中齿轮的装配是难点，这里重点介绍一下齿轮的装配以保证齿轮轮齿的正确啮合。（1）油泵总装前最好将主/从动齿轮、主/从动齿轮轴及销分别装配成主动/从动齿轮轴装配体，以便于整体装配；（2）分别插入主动、从动齿轮轴装配体，分别保持与泵体的两轴孔同轴，以保证两齿轮中心距正确，选择轴向位置准确；（3）齿轮造型时，无论采用哪种齿轮造型方法都要选择齿轮轮廓草图中分别绘制由中心到齿轮齿顶中点及中心到齿根中点的中心线，并绘制齿轮分度圆。装配时选择分别属于两齿轮的上述两线重合，即啮合时保证一齿轮的齿廓插入另一齿轮的齿槽，使齿轮保持正确的初始啮合位置；如图1所示。（4）压缩该重合配合，选择插入/配合/机械配合/齿轮，选择齿轮分度圆弧，系统自动出现两齿轮传动比率，回车确定完成机械配合。如图1所示。

完成后的齿轮机械配合初始位置准确，保证齿轮正确啮合及动画仿真的及后续干涉检查准确性。

3 齿轮油泵运动仿真动画制作

为了能够展示产品的设计方案及运动效果,需要制作装配体仿真动画。

SolidWorks软件能够通过模拟实现机械的各种仿真运动。添加模拟马达、弹簧或引力在装配体的原动件上，通过各零件的装配关系使从动件随之运动起来，观察机构的运动效果，实现装配体的运动仿真。

下面以齿轮油泵主动轴旋转运动为例介绍装配体工作原理及仿真动画的制作方法。

齿轮油泵主动轴通过键或销连接齿轮带动主动齿轮旋转，主动齿轮通过齿轮啮合带动从动齿轮动，从而引起齿轮两侧体积变化产生压力差，体积增大一侧压力降低，从进油口吸油进入泵腔内。随着齿轮的转动，齿槽中的油不断沿运动方向被轮齿带出油口一侧，高压油从出油口送到输油系统中。

通过添加旋转马达给主动齿轮的方法模拟运动。具体方法：单击装配体文件主界面下侧运动算例1，单击马达图标，系统弹出“马达”对话框, 马达类型选择旋转马达（R），马达位置选择主动齿轮，选定旋转方向，相对此项而移动的零部件选择从动齿轮，运动选项选择等速，设定转速大小，单击确定, 马达添加完成。

选择播放或从头播放按钮即可看到齿轮周而复始的旋转情况，完成动画制作，单击保存动画按钮即可将动画保存为AVI或其他类型文件。用普通的播放软件就能看制作的动画。

其他类型的动画模拟方法基本类似, 比如液压活塞的往复运动可以添加线性马达来实现,设计者都可以参照以上方法制作完成。

4 拆卸与安装仿真动画的制作

产品的仿真拆卸与安装可以让用户了解产品的内部结构以及零件之间的装配及连接关系。SolidWorks 软件可以使用户在软件的虚拟环境下体验真实的拆卸和安装过程。通过生成装配体的爆炸视图可以实现装配体装拆的动态仿真。

SolidWorks 软件建立爆炸视图具体方法如下:单击主菜单“插入/爆炸视图”, 打开“爆炸”属性管理器。在装配体上单击要爆炸的零件, 此时被选中的零件高亮显示, 同时出现一个设置移动方向的坐标系, 单击坐标上的箭头, 确定爆炸方向，直接拖至理想位置，或者在“爆炸”属性管理器中的“设定”面板中输入爆炸距离, 单击“应用” 按钮, 预览爆炸效果, 调整满意后单击“完成”。重复上述步骤, 合理灵活地选择每个零件的爆炸顺序、爆炸方向和爆炸距离，逐一按拆卸顺序生成每个零件的爆炸操作，这样可能使拆装动画效果更逼真。

完成爆炸视图后, 右键单击设计管理树中装配体名称, 在弹出的菜单中单击“动画解除爆炸”,“动画控制器 ”运动管理器，选择正常模式可以观察的安装动画，循环模式或以周而复始观察安装动画，选择往复模式那么安装与拆卸动画将会交替进行。如图2所示。

点击“保存动画”按钮，弹出“保存动画到文件”对话框,选择文件类型及路径，将拆装动画保存为AVI或其它文件类型，可以使观看者用普通的播放软件观看动画效果，方便观察者学习和交流。

5 结束语

以SolidWorks作为设计平台, 可以进行零件实体建模和虚拟装配,制作装拆过程的仿真动画，进行装配体干涉检查，完成检查设计功能和性能等一系列任务。越来越多的工程师使用SolidWorks，大大简化机械产品设计的开发过程,减少设计中的错误, 提高产品的设计质量,使产品快速高效的投向市场，值得在校生和设计师进一步研究和推广。

参考文献：

[1]王骞.基于SolidWorks的齿轮参数化实体模型设计[M].武昌工学院,2012(05).

[2]李晓玲.基于SolidWorks 的机械产品仿真动画[J].西安航空技术高等专科学校学报,2011(05).

作者简介:董丽琴（1970-）,女, 河北保定人,副教授, 研究方向：机械制图与CAD教学与研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.241