转贴:基于SolidWorks的行星齿轮机构运动仿真模型

xiaobai999

关键字: CAE运动仿真 行星齿轮机构 SolidWorks 二次开发 COSMO  对SolidWorks软件进行了二次开发，实现了渐开线齿轮的精确建模，建立了某型直升机主减速器内两级行星传动机构在SolidWorks软件中的装配体模型，应用COSMOSMotion软件进行了机构运动仿真，为机构设计提供了一种高效、直观的仿真手段，提高了行星齿轮传动机构的分析设计能力。
    引言
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    行星齿轮传动以其结构紧凑，承载能力强和较低的轴承载荷广泛应用于航空、船舶、汽车、冶金等各个领域。特别是由于特殊的工作环境，行星齿轮传动仍然占据当今世界直升机主减速器系统中的主流地位。目前，以数字化装配和计算机仿真分析为主要内容的虚拟样机技术在机械设计与制造中得到了广泛应用，但由于行星齿轮结构相对复杂、行星齿轮同时具有内啮合和外啮合，需要相当精准的造型和装配技术，因此构建行星齿轮机构虚拟样机显得相对困难。基于此，本文利用SolidWorks软件强大的建模功能和二次开发能力，以某型直升机主减速器内两级行星齿轮传动机构为例，构建了行星齿轮机构模型，结合SolidWorks内嵌的COSMOSMotion软件完成了其运动仿真。
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* X& Y+ T& V5 y* J, S" ?    1齿轮模型的生成
   
    1．1 SolidWorks二次开发简介
   
2 p  a5 t# r) B. o' s5 t    SolidWorks是基于Windows平台的三维机械设计软件，它的设计数据可以全部在外部通过API接口修改。SolidWorks提供的API接口有OLE技术和COM组件两种形式，为用户提供了强大的二次开发功能。具有OLE编程和COM接口编程的开发工具，如Visual C++．Visual Basic，Delphi等均可用于SolidWorl国的二次开发，创建出用户定制的、专用的SolidWorks功能模块。除此之外，SolidWorks还提供了内置的宏命令编程，使得SolidWorks的定制更加容易。本文利用VC++对SolidWorks进行二次开发实现齿轮的精确造型。
   
5 [" E+ z6 L. F+ m. L4 w, [    1．2齿轮造型的过程
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; w0 G6 l& G0 v; v    由于渐开线行星齿轮减速器靠齿轮的啮合来传递运动与动力，齿轮的参数化建模最为关键。齿轮齿廓由渐开线、过渡曲线、齿根圆、齿顶圆几部分组成，并不是连续的曲线，所以在绘制过程中也需要这几种曲线的组合。渐开线齿轮这几部分的几何尺寸都是由齿轮的模数m、齿数z、变位系数省决定的，是独立变量，因此应将m，z，x作为驱动尺寸。则渐开线齿轮零件形体尺寸即相关变量可用如下参数化模型表达。
   

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    通过起点为Y轴上的象限点绘制渐开线，这时Y轴与齿轮渐开线的镜像中心夹角为θ，θ=θi+θn，θn=π/2z为l／2齿厚的夹角。将坐标旋转tana-a+π/2(1/2+4xtana/πz)，，然后以Y轴为镜像中心(图1)，进行镜像，这样轮齿的两条渐开线绘毕。将渐开线按其与齿顶圆、齿根圆的交点进行修剪并在齿顶圆与齿根圆上画出它们与渐开线的交点之间的两段圆弧，使其组成封闭曲线，再拉伸至相应宽度，这样，一个轮齿就绘制好了。圆形阵列上述特征，齿轮的三维参数化造型就完成了。依照上述过程，可以编制出齿轮绘制程序。画出的齿轮造型如图2。
   

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8 P# @4 x( _- W* X    2行星齿轮机构的虚拟装配
   
    2．1装配条件
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    为使各个行星齿轮g都够均布地装入太阳轮口和内齿圈b之间，在设计行星齿轮除保证实现给定的传动比外，还应保证满足下列装配条件。
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    2．1．1邻接条件在行星齿轮传动中，为了使各行星轮不产生碰撞，必须保证行星轮之间有一定的间隙，两相邻行星轮的顶圆半径k之和大于其中心矩名，即2rag<lg。
   
3 \2 L0 \2 g5 ^; J8 t" ]4 r    2．1．2同心条件同心条件只适用于具有圆柱齿
   
    轮的行星传动机构。在行星齿轮传动中，由于其中心轮轴线与主轴线重合，故各行星轮与中心轮相啮合的中心距就相等。因此可得同心条件为aag=agb，aag、agb为齿轮副的啮合角。
3 Y. \% U; u  ]0 P& r4 u; N* ^     2．1．3安装条件行星传动机构中，为了提高其承载能力大多采用几个行星轮。同时，为了使啮合时的径向力相互抵消，通常将几个行星轮均匀地分布在传动的中心轮中。所以对于具有行星轮数np>1的行星轮机构，除应满足同心条件和邻接条件外，其齿轮的齿数还必须满足安装条件。即(za+zb)/np=整数。
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    2．2装配体的实现
   
& G0 p6 c5 t& F. n: L' z# E    2．2．1各个齿轮零件的生成针对某型直升机主减速器[3]内两级行星传动机构，按照编制的程序分别为各个齿轮零件建立模型。为了使齿轮间能准确啮合，在各个齿轮零件中新建辅助草图，该草图用于齿轮在装配体的精准定位。辅助草图包含一个圆和两条辅助中心线。圆以齿轮分度圆作为半径，辅助中心线分别通过齿槽和齿对称线。各个齿轮具体参数如表l所示。
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    2．2．2装配步骤
   
    (1)固定外齿圈，分别将太阳轮，内齿圈与外齿圈设为同心配合。
   
    (2)调整太阳轮，当行星轮数目为奇数时，太阳轮和内齿圈的齿槽中线应处于共线位置；当行星轮数为偶数时，太阳轮齿槽中线和内齿圈的齿厚中线应处于共线位置。
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+ M4 q! N" X) g& d    (3)导入行星轮，每一行星轮应与行星架上对应行星轴同心配合。当行星轮齿数为奇数时，行星轮的齿厚中线和内齿圈的齿槽中线应处于共线位置，太阳轮齿厚中线和行星轮的齿厚中线共线。而当行星轮齿数为偶数时，行星轮的齿对称线与太阳轮和内齿圈的齿槽中线应共线。按照上述装配方法，行星齿轮机构的装配模型如图3、图4所示。
   
( w1 ]$ \; G6 d. i. N2 z    3虚拟样机的运动仿真
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  @/ ^- n$ b, k* v% P    3．1 COSMOSMotion软件简介
   
4 @, ^$ _. x# Y3 L    SolidWorks是基于Windows环境的特征化三维实体造型软件，其中与之实现无缝集成的COSMOSMotion插件更是一个全功能的运动仿真软件，它可以对复杂机构进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各个零部件的运动情况，包括能量、动量、位移、速度、加速度、作用力与反作用力等结果，并能以动画、图表、曲线等形式输出；还可以将零部件在复杂运动情况下的载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中，从而进行正确的结构强度分析。COSMOSMorion仿真的一般步骤如图5所示。
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5 S) }/ Y  _/ @# O3 Z    3．2行星齿轮机构运动仿真的生成
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    SolidWorks会在生成装配体时自动将其中的配合关系转换为相应的约束关系，因此比其它软件要简便的多。用户只需要在行星齿轮中添加适当的耦合关系和驱动力就可以了。但要注意的是，定义机构运动副时，必须保证机构自由度数为零，因为若系统确定机构的自由度小于零，软件会认为机构中有多余约束，此时内ADAMS解算器会去掉多余约束从而强迫自由度在解算器内达到零，那么将会产生构件脱离原装配位置等意想不到的运动结果，失去仿真意义。机构的总自由度数(Gmeler Count)计算式为
   
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! Q1 O& E; q0 h8 g2 m    3．2．1设置驱动关系在上述步骤完成后，可以对机构设置适当的驱动关系，如添加太阳轮的旋转速度或添加输入驱动力矩等。这在COSMOSMotion中设置极为简单、方便。在此不再赘述。
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. V9 E9 M, c$ n+ n2 j: f2 z    3．2．2查看仿真结果进行了仿真后，可以将仿真动画以avi，vrml等形式输出，也可以导出EXCEL数据文件，还可以将仿真结果速度、反作用力等输出为实时曲线形式。
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2 _6 {  m7 U/ b  Q( p" W1 f' ]    4结论
   
    (1)利用SolidWorks强大的二次开发能力，开发了渐开线圆柱齿轮建模程序，并以某型直升机的主减速器两级行星传动机构为例，建立了二次行星齿轮装配体模型，也得出了利用SolidWorks软件在建立行星齿轮机构时的一些经验。
   
    (2)利用COSMOSMotion软件，对建立的行星齿轮机构进行了运动仿真分析，结果证实该机构达到了设计传动比要求，仿真效果较好。
   
    (3)从结果中可以发现利用SolidWorks／COSMOSMotion软件进行样机建模仿真，直观、方便且有利于提高机构分析效率，降低成本，在机械CAD／CAE的发展中具有很大潜力。
5 F( B4 h# G: z# q, s' A+ k摘自：http://jxwy2008.5d6d.com/thread-813-1-1.html

great829

好啊，谢谢楼主

jh781600

不错的资料啊，讲解非常详细，感谢分享

xiaobai999

呵呵。好资料就是要与大家分享。向各位学习了。请多指教。

largeliuye

谢谢，刚下了别人一个关于这个的作品

20026811

三维网真是好,有这么多人无私分享资料

lysz21cn

很好的二次开发资料.学习了.