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1、SolidWorks在齿轮建模中的应用心得摘要：三维几何建模是齿轮有限元分析及齿轮机构虚拟仿真的基础，通常的CAD系统要 通过编程才能实现齿轮三维模型的构建。为此提出一种基于三维造型软件SolidWorks 和二维工程图软件CAXA的齿轮三维模型直接构建方法，该方法通过SolidWorks与CAXA 相结合，只需通过普通常用命令即可制作出齿型较完美的常用齿轮三维模型，较方便地 满足了齿轮有限元分析及虚拟仿真的要求。关键词：齿轮建模 SolidWorks CAXA0引言不论是对单个齿轮进行有限元分析（CAE）还是对整个轮系进行以虚拟仿真（VE） 为主的运动分析，齿轮三维几何模型是一个基础。由于C
2、AE和VE等软件平台的几何建 模功能相对较弱，不能直接或难以提供精确的零件模型，为此通常采用利用主流的CAD 软件平台构建零件的三维模型，然后通过数据转换接口将其导入到CAE软件或虚拟环境 （VE）中进行分析或仿真。这一方法虽被广泛采用但并非没有缺点，主流的CAD软件平台一般并不直接提供齿 轮的三维几何建模功能，为此本文提出一种精确构造齿轮的三维模型的方法。CAXA是绘 制二维工程图的常用CAD软件，它自带的齿轮绘制功能可以绘制出完整的齿轮渐开线， 经过实践后发现可以将其绘制的齿轮渐开线导入到SolidWorks三维平台中，而后可以 制作出齿型较完美的常用齿轮三维模型。1直齿轮建模1.1圆柱直
3、齿轮圆柱直齿轮是结构最简单的齿轮，其建模过程也最为简单。在此构建的圆柱直齿轮 齿数Z = 42，模数m=2，首先启动CAXA软件使用齿轮绘制功能绘制出所需的一个齿廓 曲线（如图1.1），然后将其保存为dwg文件。然后在SolidWorks平台中打开刚才的dwg文件，此时如出现错误提示选择I仁I妙哈&空胆日依改以囹；里里|序蹑q Z X命令:| 空命令41.256/2.181 H & X 昭略 |90|2&。层目一 bylayer 取|姣C:*、Documents and Settings、Administrator桌面CAXA.dwg - CAXA电子图板2007（企业版）文件（E）褊辑（甘视
4、图（於格式（分幅面（日绘图（四标注（N）修改（性）工具（D帮助（U）图1.1图1.2“忽略”选项即可，在随后出现的对话框中选择左上角的“输入到零件”选项（如图1.2）， 然后点击“完成”即可打开CAXA绘制的齿廓曲线（如图1.3），此时齿廓曲线位于前视基准面上。此时即可开始齿轮的正式建模，首先“拉伸”一个圆柱体，其中圆柱体的直径等于 齿轮的齿根圆直径，宽度就是齿轮的齿厚，此处圆柱体的草图.SolidWorks 2004 -草图 1翌交件（E）编辑（毋视图（少 JIJP晦h雇瓣aI |晾囊氽*赡暮| 电盾|财 鬼善件3 匚|注解iE材质 未指定田函光源:及前视基推面芯上视基准面:雄右视基准面L原
5、点（-）草m1.4)图1.3骚密船术I ；朴臆I咬，h iiiu罗I 口。尊勺令！ n- WWiJ e函屋I成有 收吸q鼠。中由，耗入（!）工具（I）窗口（也帮助（口或*利用刚才导入的CAXA所绘制的齿廓曲线作为草图，使用“拉伸”命令即可构建出 一个齿型，然后在齿型的两个端面加上齿端倒角（如图1.5）。最后使用“圆周阵列”命令将得到的一个齿型和齿端倒角进行阵列（阵列数为齿数42）， 再使用“切除拉伸”命令制造出齿轮的花键槽，就完成了所需圆柱直齿轮的建模（如图 1.6），得到的圆柱直齿轮其齿型渐开线较完美。图1.6图1.5在此建模过程中其实也可通过CAXA将齿轮的42个齿型的齿廓曲线完全导入，然
6、后 直接拉伸而不需要进行圆周阵列就可完成圆柱直齿轮的建模，但是这种方法会导致齿廓 曲线的草图过于复杂而不便于以后的草图编辑，所以在本文中都只是导入一个齿型的齿 廓曲线来进行建模。1.2圆柱斜齿轮圆柱斜齿轮的结构与圆柱直齿轮很相似，其建模过程也只比圆柱直齿轮稍微复杂一 点而已。我们只需在圆柱直齿轮的基础上将其齿型的拉伸方向倾斜一个角度即可得到圆 柱斜齿轮。在此构建的圆柱斜齿轮齿数和模数与上例中的圆柱直齿轮完全一样，其倾斜 角为12。前几个步骤与圆柱直齿轮建模过程完全一样，通过CAXA导入一个齿型的齿廓曲线， 然后拉伸圆柱体（如图1.1-1.4）。接下来开始进行齿型的倾斜拉伸，首先在圆柱体的另 一
7、个端面建立一个草图，通过“转换为实体”图1.7图1.8再通过草图的旋转命令将此齿廓曲线在圆柱体上旋转12，这个角度就是齿型拉伸方向的倾斜角度，也就是圆柱斜齿轮的倾斜角。 此时得到的两个草图分别位于齿轮的两个端面，两个草图的外形完全相同只是双方之间 有一个角度的错位（如图1.7、1.8）。利用得到的两个草图进行“放样”操作即可构建出一个斜齿型，然后在齿型的两个 端面加上齿端倒角（如图1.9）。最后使用“圆周阵列”命令将得到的一个齿型和齿端倒角进行阵列（阵列数为齿数 42）,再使用切除拉伸命令制造出齿轮的花键槽，就完成了所需圆柱斜齿轮的建模（如图1.10），得到的圆柱斜齿轮其齿型 渐开线较完美。图
8、1.9图 1.102锥齿轮建模2.1直齿锥齿轮锥齿轮是比较复杂的常用齿轮，其造型过程也相对复杂，在此构建的直齿锥齿轮齿 数Z = 40，模数m=3.5。首先启动CAXA软件绘制出齿数模数与锥齿轮相同的直齿轮的 齿间曲线并将其导入到SolidWorks平台中，因为后面将要使用切除方法来构建齿型所 以此处需要的是两个齿型之间的齿间曲线。（如图2.1）。为了便于后面的操，SolidWorks 2004 - MS1零件3法耐屈161昌O- HVj7 8|国虱整玛盛|胳鼠0 +脾喘瑜嘱岭劣|鑫詹系I；;尊帽，渺。|口 f令I卜零件3度注解i-.*E材质 未指定 田函光源. . $前视基推面$上视基准面液
9、右视基推面:L原点&（-）草图1=06b& 一堕= nX图2.1作应在CAXA中将齿间曲线调整全以 水平线或竖直线对称的位置。然后根 据锥齿轮的外形尺寸使用“旋转拉 伸”命令构建出锥齿轮的外形（如图 2.2），从图中可以看出导入的齿间曲线位于前视基准面上其方向和 位置都与直齿锥齿轮的齿型不符。67.31mm10.64mm 0mm欠定义正在编辑：基图1亍电文件（D编辑视图（少插入（D工具（!）窗口 （*）帮助（S接下来需要对导入的齿间曲线的方向和位置进行编辑，首先需要建立一个基准面， 这个基准面与锥齿轮的背锥曲面相切（如图2.3）。使用“编辑草图平面”命令将原本位于前视基准面上的齿间曲线“移动”
10、到新建的基准面上，然后图2.5使用旋转命令将齿间曲线转至渐开线朝上的方向，最后将其移动到所需的位置，此时渐 开线上齿顶圆的最高点位于锥齿轮的两个曲面的交线上，到此齿间曲线的方向和位置已 满足使用要求（如图2.4）。为了防止后面出现切除不完整的现象可在齿间曲线完全定位 后将其齿顶圆半径稍微增大，并不会对锥齿轮的齿型产生影响。然后在前视基准面上绘制一个点，这个点也就是锥齿轮的节锥顶点（如图2.5）。图2.6图2.7点两个草图进行“放样切除”操作即 可构建出一个锥齿型（如图2.6）。然后使用“圆周”命令阵列锥齿型（阵列数为齿数40）,最后通过“旋转切除”来做出齿 端倒角就得到了符合要求的直齿锥齿轮（
11、如图2.7）。2.2斜齿锥齿轮在完成了直齿锥齿轮的基础上要构建斜齿锥齿轮，只需找到锥齿型在放样过程中所 对应的顶点即可完成建模。在此构建的斜齿锥齿轮齿数和模数与上例中的直齿锥齿轮完 全一样，其倾斜角为30 。前几个步骤与直齿锥齿轮廓建模过程完全一样（如图2.1-2.4），接下来开始寻找 锥齿型放样的顶点。在直齿锥齿轮中这个顶点也就是齿轮的节锥顶点，但是在斜齿锥齿 轮中这个顶点与节锥顶点等高但却不在一个平面中。首先需要建立另一个基准面1，这 个基准面与图2.3中建立基准面平行并且通过锥齿轮的节锥顶点（如图2.8）。图2.8图2.9图 2.10在前视基准面上新建草图画一条倾斜的直线，直线的一个端点
12、与节锥顶点在一条竖 直线上并与锥齿轮的两个曲面的交线等高，直线与水平方向的倾斜角为斜齿锥齿轮倾斜角的余角60 （如图 2.9）。在基准面1上绘制 一个点，将此点定义为倾 斜直线与基准面1的穿透 点，这个顶点就是锥齿型 放样顶点（如图2.10）。 利用完成的齿间曲线和 放样顶点两个草图进行 “放样切除”操作即可构 建出一个锥齿型（如图 2.11）。然后使用“圆周” 命令阵列锥齿型（阵列数为齿数40）,最后通过“旋转切除”来做出齿端倒角就得到了 符合要求的斜齿锥齿轮（如图2.12）。图 2.123结束语通常的CAD系统要通过编程才能实现齿轮三维模型的构建，本文方法将三维造型软 件SolidWorks和二维工程图软件CAXA相结合，在不通过编程也没有任何插件程序的情 况下只使用普通常用命令即可制作出常用齿轮的三维模型，较方便地满足了齿轮的有限 元分析及虚拟仿真的要求。此方法实用性强，具有推广价值，可广泛用于加工齿轮的所 有企业。参考文献1 何伯吹机床设计手册第二册（上）机械工业出版社1978.122 许洪基齿轮手册机械工业出版社1990.113 孙恒陈作模 机械原理高等教育出版社1995.84 曹岩赵汝嘉 SolidWorks2003基础篇机械工业出版社2003.85 董振珂 计算机绘图CAXA电子图板V2化学工业出版社2001.4
