基于SolidWorks的鏈傳動裝置參數(shù)化建模與運動仿真

陳 雷，代麗華，劉 莉，曹吉軍

（煙臺職業(yè)學(xué)院 汽車與船舶工程系，山東 煙臺264670）

鏈傳動裝置具有壓軸力小、傳遞功率大、過載能力強以及在低速重載下工作性能好等優(yōu)點，常作為一種動力傳動裝置廣泛應(yīng)用于機械、農(nóng)業(yè)、運輸、石油及化工等行業(yè)［1］。鏈傳動裝置的設(shè)計對傳動性能有著很大影響，由于滾子鏈輪參數(shù)多而復(fù)雜，采用普通的方式進行三維建模過程繁瑣，涉及大量的計算數(shù)據(jù)，且易出錯，因此滾子鏈傳動裝置的三維裝配與運動仿真過程復(fù)雜與設(shè)計不便一直是行業(yè)中的一個難點［2-3］。本文從建模與運動仿真角度分析鏈傳動裝置各部分零件本身的參數(shù)變化與零件間的關(guān)系，利用SolidWorks軟件從鏈輪齒數(shù)、節(jié)距及滾子外徑等基本參數(shù)入手實現(xiàn)鏈輪的參數(shù)化建模，達到改變基本參數(shù)即可生成目標(biāo)鏈輪的效果。同時對鏈傳動裝置裝配過程中的鏈條裝配進行研究，得出鏈傳動系統(tǒng)裝配與運行仿真過程，從而提高鏈傳動裝置的設(shè)計效率與準(zhǔn)確性。

1 設(shè)計思路

鏈傳動裝置在設(shè)計時需要對嚙合傳動機構(gòu)進行運動仿真，以驗證鏈節(jié)的速度、加速度及受力等參數(shù)的變化特點。在建模過程中，鏈輪形狀復(fù)雜、驅(qū)動尺寸多，鏈條自由度多，運動軌跡復(fù)雜，容易導(dǎo)致建模失敗，實現(xiàn)起來較為困難，特對鏈輪進行參數(shù)化建模與鏈條裝配實現(xiàn)鏈傳動的運動仿真進行研究。

參數(shù)化建模是指通過部分參數(shù)的變化，在不改變尺寸約束和原有幾何元素間的拓?fù)浼s束關(guān)系的基礎(chǔ)上來重建模型的形狀特征。目前常用參數(shù)化設(shè)計CAD軟件中SolidWorks以參變量式設(shè)計理念受到廣大用戶的青睞，其采用方程式命令設(shè)置全局變量和添加方程式完成產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計，可以通過修改尺寸和相互約束關(guān)系來驅(qū)動模型，使已建立的模型隨尺寸的改變而實時地改變模型的外形，不需要編程，這為快速直觀表達設(shè)計意圖帶來了方便［4-7］。根據(jù)SolidWorks軟件特點，設(shè)計鏈傳動裝置參數(shù)化建模與仿真具體過程如圖1所示。

圖1 鏈輪參數(shù)化建模與裝配過程

2 零件建模

對于鏈輪、齒輪等標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜零件來說，在CAD環(huán)境下建模較為復(fù)雜，既要考慮到參數(shù)變化，又要考慮各基本參數(shù)變化帶來的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點、關(guān)鍵點以及約束關(guān)系的變化。因為不當(dāng)?shù)募s束關(guān)系會導(dǎo)致后續(xù)程序無法運行，以致零件生成失敗。因此本文利用SolidWorks軟件，以滾子鏈鏈輪為模型利用表達式功能進行參數(shù)化設(shè)計。

2.1 鏈輪參數(shù)化建模

鏈傳動裝置種類繁多，其中以滾子鏈傳動使用較為廣泛，為維修方便和增加產(chǎn)品的互換性，短節(jié)距精密滾子鏈傳動裝置的組成件鏈輪、鏈條、套筒鏈及附件已有標(biāo)準(zhǔn)［8］，標(biāo)準(zhǔn)滾子鏈主要分為A、B兩個類型，常用的為A型單排滾子鏈鏈輪。其主要參數(shù)如圖2所示，尺寸計算公式如表1所示。

圖2 滾子鏈鏈輪參數(shù)

表1 鏈輪主要參數(shù)

從表1和圖2中可以看出，滾子鏈鏈輪齒形為三圓弧一直線齒形，齒數(shù)、鏈條節(jié)距及最大滾子直徑為鏈輪基本尺寸，其他主要參數(shù)可通過基本尺寸相關(guān)的計算公式求得。在SolidWorks建模環(huán)境下，菜單欄點擊工具-方程式，根據(jù)表1中主要參數(shù)的計算公式，在彈出的方程式、整體變量及尺寸對話框中定義各尺寸參數(shù)的表達式，建立方程式，設(shè)定全局變量，數(shù)值/方程式如圖3所示。

鏈輪加工時，一般是在齒坯上加工齒槽輪廓，本文按照鏈輪加工順序進行三維參數(shù)化建模。在建模過程中，每一個與基本尺寸有關(guān)的尺寸特征均以表達式形式給定，最后完成標(biāo)準(zhǔn)鏈輪的實體造型，通過修改齒數(shù)、節(jié)距和最大滾子直徑等參數(shù)驗證鏈輪參數(shù)化模型的正確性。具體建模步驟如下。

（1）建立輪坯。以節(jié)距與齒數(shù)定義齒頂圓直徑，結(jié)合齒寬采用拉伸命令生成輪坯實體。

（2）生成齒廓。通過方程式確定工作段圓弧中心角、齒溝角、齒頂圓弧中心、工作段圓弧半徑及工作段直線部分長度等參數(shù)，在輪坯表面上建立齒廓草圖，采用拉伸切除命令切出端面齒廓形狀。

（3）生成齒型。采用圓周陣列命令，以輪坯中心軸為基準(zhǔn)軸，在360°范圍內(nèi)陣列出所需數(shù)量的齒數(shù)，生成鏈輪齒形。再新建基準(zhǔn)面，建立齒形的側(cè)面圓弧草圖，采用旋轉(zhuǎn)切除命令完成齒形建模。

（4）生成鏈輪孔。在輪坯表面上建立鏈輪孔草圖，采用拉伸切除命令生成鏈輪孔，完成鏈輪建模，參數(shù)化建模過程中的參數(shù)方程式如圖4所示。

圖3 參數(shù)化建模全局變量設(shè)置

圖4 參數(shù)化建模方程式設(shè)置

為驗證參數(shù)化模型的正確性，以上述方法生成的三維參數(shù)化鏈輪模型為基礎(chǔ)，改變鏈輪基本參數(shù)，定義為鏈輪齒數(shù)z=25、節(jié)距p=25.4 mm、滾子外徑d1=15.88 mm、齒寬b1=11.3 mm后，點擊確定生成齒數(shù)為25的新鏈輪。

由此可見，參數(shù)化建模大大提高了鏈輪設(shè)計效率與準(zhǔn)確性。

2.2 鏈節(jié)快速建模

滾子鏈節(jié)由內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、套筒和滾子組成，結(jié)構(gòu)較為簡單，分別建立各部分的零件模型，進行裝配即可。

在SolidWorks中，采用拉伸凸臺、拉伸切除命令完成內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、套筒和滾子的零件建模。打開“裝配體”模塊，將內(nèi)鏈板、銷軸、套筒和滾子采用“同心”、“重合”配合完成內(nèi)部鏈單元裝配。將2塊外鏈板采用“同心”、“平行”、“距離”配合完成外部鏈單元裝配，內(nèi)外鏈單元裝配過程如圖5所示。

圖5 內(nèi)、外鏈板裝配過程

3 鏈傳動裝置運動仿真

鏈傳動系統(tǒng)的裝配是運動仿真的基礎(chǔ)，運動仿真可以反過來驗證裝配的正確性，檢查運動機構(gòu)是否存在干涉，檢驗系統(tǒng)的運動和力學(xué)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計要求。

3.1 鏈輪與附件裝配

插入支架，設(shè)為固定狀態(tài)，然后插入鏈輪，首先利用同心配合定義鏈輪中心軸孔與支架上軸的同心關(guān)系，然后利用重合配合定義鏈輪面與支架、兩鏈輪處于同一平面的重合關(guān)系。

3.2 鏈條整體裝配

由于鏈條裝置有大量自由度，為保證整體裝配時的高精度，采用輔助路徑的方式來協(xié)助鏈節(jié)定位。

（1）繪制鏈條軌跡。在鏈輪的中心基準(zhǔn)面上創(chuàng)建節(jié)圓草圖，通過兩直線連接節(jié)圓，通過相切幾何關(guān)系確定直線與節(jié)圓的關(guān)系，繪制出來的草圖即為鏈條運動軌跡草圖。鏈條軌跡如圖6所示。

（2）鏈節(jié)與軌跡配合。打開SolidWorks的裝配體模板，點擊插入零部件，瀏覽已裝配完好的內(nèi)部鏈單元、外部鏈單元，點擊打開將其插入裝配體中。采用重合、同心等配合關(guān)系將內(nèi)部鏈單元與鏈條軌跡、外部鏈單元與內(nèi)部鏈單元裝配在一起，如圖7所示。

（3）鏈陣列。刪除前面限制鏈節(jié)單元位置的全部配合關(guān)系，點擊鏈零部件陣列，選擇相連鏈接模式，選擇鏈條路徑閉環(huán)模式，點擊確認(rèn)。勾選填充路徑，選擇內(nèi)部鏈單元”鏈組1，外部鏈單元為鏈組2，選擇對應(yīng)的圓柱面或圓形邊線為路徑連接面，選擇各鏈組的前視基準(zhǔn)面為路徑對齊平面。點擊確認(rèn)，鏈條建模完成，如圖8所示。需要注意的是，鏈組1與鏈組2的路徑連接面選取順序應(yīng)相反。

圖6 鏈條軌跡

圖7 鏈節(jié)與軌跡配合

圖8 鏈陣列

3.3 鏈傳動裝置運動仿真

運動仿真時首先檢查裝配體的干涉情況，直至無干涉，其次去除約束只保留必要的裝配關(guān)系，再確保裝配體同步運動，最后新建運動算例?；诖?，鏈傳動裝置運動仿真可按以下步驟進行。

（1）設(shè)置實體接觸。定義零部件之間的接觸，將所有參與運動的零件設(shè)置為接觸狀態(tài)，選擇所有的鏈子和鏈輪，注意不要多選和漏選。設(shè)置材料均為Steel（Dry），去除默認(rèn)勾選的摩擦，保持其他參數(shù)為默認(rèn)值。

（2）設(shè)計引力。將所有零件添加引力參數(shù)，引力大小采用默認(rèn)值9 806.65 mm/s2，而引力方向選擇重力方向。

（3）設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達。設(shè)置左側(cè)輪為主動輪，在其上添加一個旋轉(zhuǎn)馬達，按工程需要設(shè)置轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。

（4）設(shè)置運動算例屬性。勾選使用精確接觸，調(diào)整精確度為0.000 1，其他保持默認(rèn)值。

（5）計算。點擊計算按鈕進行仿真運算，得到仿真結(jié)果。

4 小結(jié)

本文運用SolidWorks軟件方程式功能實現(xiàn)了滾子鏈鏈輪的參數(shù)化設(shè)計，利用SolidWorks軟件鏈零件陣列快速完成了鏈條裝配，并采用齒輪與齒條小齒輪配合完成了鏈輪與鏈條的同步運動，為實現(xiàn)運動仿真提供了條件。同時，給出了運動仿真參數(shù)設(shè)置，為實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計提供了條件，模擬了鏈條的真實運動狀態(tài)，提高了設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量，為鏈傳動裝置的運動特性和力學(xué)特性分析提供了參考。