SolidWorks行星齿轮机构的运动分析及仿真

0 前言

    基于Window开发的三维机械设计软件。以其功能强大，操作简单，易学易用的特点，在机械设计及模具设计行业广泛地应用。在机械传动中轮系传动是最主要的一类传动，而其中的行星齿轮传动就是把定轴线传动变为动轴线传动，采用功率分流，多个行星轮共同分担负荷，合理地应用内啮合，使其具有质量轻、体积小、传动比大、承载能力高、载荷均匀，传动平稳、传动效率高的优点，广泛地应用于矿山、冶金、起重、运输等到行业。但也有结构复杂、精度要求高的缺点，给设计及制造带来一定困难。SolidWorks提供了强大的运动仿真功能，可以非常直观地对行星齿轮传动进行运动仿真及运动分析。

    1 三维实体建模

    在SolidWorks中创建齿轮的三维模型，有专门的齿轮设计插件—Gear Trax。新建零件，打开Gear Trax工具，在相应的界面下输入齿轮副的参数：齿数、模数、压力角、齿顶高、变位系数、齿轮间隙、齿轮宽度等，此时在界面下方会显示齿轮副的的重合度，点击动画栏下的动画播放，还可以直观地显示齿轮副啮合的动画。参数设置完毕，切换【激活小齿轮】【激活大齿轮】键，再点击【绘制】，系统会自动生成齿轮三维模型。此时的设计树中会自动生成一个齿坯的拉伸特征和一个齿形的拉伸切除特征，然后根据齿数，对齿形的拉伸切除特征进行圆周阵列，即生成所设计的齿轮的齿部模型。对于内啮合齿轮副，还应该在【内齿轮】栏下方选中调整内齿轮并输入内齿轮的大外圆直径值，输出即可。

    此时所生成的齿轮，只是齿部符合了设计要求，而对于齿轮的内孔，键槽及止退槽等特征，可以运用拉伸、旋转特征完成，非常简单。

    对于没有安装Gear Trax插件的SolidWorks软件，创建符合渐开线齿形的轮齿是有一定困难的。可以借助于Pro/E中的方程曲线绘制出渐开线，然后根据齿轮的几何关系在分度圆上分度，画出完整的齿形，再利用实体特征工具创建出所设计的齿轮模型，导入SolidWorks。Pro/E中的极坐标渐开线方程如下：(极坐标渐开线方程比柱坐标渐开线方程简单)

    afa=45×t

    r=rb/cos(afa)

    theta=(tan(afa)－afa×pi/180)×180/pi

    2 虚拟装配

    行星齿轮传动的三维零件模型完成后，进行行星齿轮传动装置的虚拟装配。在SolidWorks的装配模块中，将太阳轮，行星轮、行星轮架及内齿圈插入到装配体中，将内齿圈固定，其余零件浮动，添加太阳轮与内齿圈的同轴、太阳轮与行星轮架的同轴、行星轮与行星轮架上行星轮轴的同轴配合及各端面的对齐关系。几何位置关系定义好后，定义齿轮的传动关系，点击【配合】，在【配合选择】中选择要配合的实体表面，在这里分别选择太阳轮与行星轮的内孔圆柱面；在【机械配合】—【齿轮】的配合中，将齿轮传动的相对的传动比添加到比率中，用上述方法定义太阳轮与其他2个行星轮的传动关系及行星轮与内齿圈的传动关系。

    上述的几何位置关系及传动关系定义好后，相当一个NGW行星传动机构装配完毕，接下来就可以进行运动仿真及运动分析了。

3 NWG行星齿轮机构运动仿真及运动分析

    用相对速度法计算NWG行星肯轮机构的传动比，太阳轮输入，行星轮架轮架输出。

    3.1 理想状态的运动模拟

    在装配模块中新建运动算例—进行Montion分析。

    首先定义旋转马达，即太阳轮的输入参数：点击马达图标，选择【旋转马达】，为【零部件/方向】选择太阳轮的端面或内扎，为【运动】定义等速及转速为100RPM，确定完成。对齿轮传动进行分析计算，运行模拟结果，输出各个零件的运动学参数曲线，如：太阳轮及行星架的角速度曲线。可以看出，行星架与太阳轮的角速度比为600/120=5，与上面的传动比计算相符合。

3.2 真实状态的运动模拟

    在实际的传动过程中，各个时轮间力的传递实质上是靠齿轮刚体之间的碰撞推动产生的，因此模拟真实的运动状态，必须定义各齿轮间的3D接触。定义了3D接触后，在运动仿真过程中轮齿的啮合才是正确的位置，实体之间不能穿越。在新建运动算例之前，首先将各齿轮之间的【齿轮】配合压缩掉，避免各个齿轮之间的接触与各个齿轮之间的传动配合会发生冲突，体现不出真实的传动关系。新建运动算例，在太阳轮上掭加旋转马达；在太阳轮与行星轮，行星轮与内齿圈之间分别定义3D接触。

    实际的工况定义好后，对齿轮传动进行分析计算，运行模拟结果，从运行中可以直观地看出齿轮是否正确啮合及实际的运动状态、输出各个零件的运动学参数曲线，分别为太阳轮及行星齿轮架的的角速度曲线。从中我们也可以看出，行星架与太阳轮的角速度比为600/120=5，与上面的传动比计算相符合。

    比较在理想模拟状态及真空模拟状态下轮出的太阳轮及行星轮架的角速度曲线，不难发现：理想状态下的角速度曲线与真实状态下的角速度曲线完全吻合。齿轮机构在传动的过程中，速比是常数，这与机械原理中所分析的结果相同。

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