基于SolidWorks的擺線齒輪參數(shù)化建模和有限元分析

趙宇，朱鑫垚，王學軍

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

擺線齒輪的齒廓為擺線等距曲線，形狀為盤形或者圓環(huán)形，是一類集良好的嚙合狀態(tài)、沒有根切現(xiàn)象、傳動過程平穩(wěn)、體積較小且質量較輕眾多優(yōu)點于一體的齒輪。擺線齒輪是減速器的組成部分，對于減速器的研究起到了至關重要的作用，在機械行業(yè)齒輪研究方面具有較好的前景。采用參數(shù)化設計擺線齒輪可以極大地節(jié)省齒輪設計時間，更好地將精力花在嚙合分析，使得整個設計分析過程高效省時。

截至目前為止，達索系統(tǒng)推出的SolidWorks最新版本為2020 版本，該版本讓用戶可以從設計到制造擁有更全面的解決方案。從概念設計、機械設計直到有限元分析、拓撲優(yōu)化等仿真分析階段，最后再進行可制造性成本分析、MBD 的3D 標注和CAM，以及后續(xù)的質檢、車間技術文檔和用戶手冊、銷售和物流，產品設計者可以充分發(fā)揮這一軟件的設計優(yōu)勢、效率，從而設計出更加優(yōu)質的產品。本文使用SolidWorks 對擺線輪進行參數(shù)化設計，并利用Simulation 模塊對嚙合的擺線輪組進行靜應力分析。

1 實驗部分

1.1 擺線齒輪參數(shù)化建模

本文采用SolidWorks2016×64 版本進行設計。

首先對2 個擺線輪（圖1、圖2）進行設計。

圖1 主動擺線輪Fig.1 Active cycloid wheel

圖2 被動擺線輪Fig.2 Passive cycloid wheel

2 個擺線輪的參數(shù)如表1 所示。

表1 擺線輪參數(shù)Tab.1 Cycloid parameters

表1 中：X，Y——參數(shù)方程參數(shù)；T——齒輪厚度；t——自變量，mm。

2 個擺線輪的草圖分別如圖3、圖4 所示.

圖3 主動擺線輪草圖Fig.3 Active cycloid wheel draft

圖4 被動擺線輪草圖Fig.4 Passive cycloid wheel draft

本文采用SolidWorks2016×64 版本進行設計。將兩個擺線輪通過圓柱銷約束、曲面相切、圓心距離固定、齒輪配合等配合方式，實現(xiàn)如圖5 所示的裝配狀態(tài)：

圖5 擺線齒輪組配合Fig.5 Cycloid gear set cooperation

1.2 擺線齒輪有限元分析

1.2.1 干涉檢查

完成1.1 節(jié)的擺線齒輪參數(shù)化設計，確定裝配配合之后，首先進行干涉檢查，在確保二者無干涉的情況下，進行后續(xù)的有限元分析操作；

1.2.2 材料賦值

新建算例后，對2 個擺線齒輪進行材料賦值，二者采用材料一致，均為合金鋼。本設計采用的材料屬性見表2。

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material parameters

1.2.3 連結方式、夾具設定、外部載荷

兩個擺線齒輪的連接方式采用相觸面組連接方式，保證擺線齒輪的外輪廓線始終處于相切狀態(tài)。夾具設定中，主動輪采取固定鉸鏈約束方式，從動輪采取固定約束方式。外部載荷設定時，本設計模擬的是齒輪嚙合過程中齒輪之間的接觸變化，因此外部載荷施加在主動輪的轉動軸內表面（如圖6 所示），數(shù)值要求為100 N·m。

圖6 外部載荷施加位置Fig.6 External load application position

1.2.4 網(wǎng)格化分、結果計算

圖7中，網(wǎng)格劃分單元大小1.00 mm，比率1.2。劃分過程中，網(wǎng)格過大或過小都會影響到最終的計算結果。劃分完畢之后，開始進行結果運算。

圖7 網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing

2 結果與討論

最終的計算結果分為應力、位移、應變三部分，計算結果分別如圖8—圖10 所示。

圖8 擺線齒輪組的屈服應力為

圖8 應力結果Fig.8 Stress results

圖9 應力結果局部放大Fig.9 Local amplification of stress results

模型最大應力值為σmax=2.056×108N/m2＜[σ]，滿足要求。

圖10 擺線齒輪組的位移最大位置發(fā)生在主動輪的外輪廓，最大值u=1.310×10-1mm。

圖10 位移結果Fig.10 Displacement results

因為ε=σ/E，可知應變值與應力值成正比關系，因此圖像與應力圖像相似。由圖11 可知εmax=6.863×10-4，應變最大值所在位置仍為兩齒輪嚙合位置處。

圖11 應變結果Fig.11 Strain results

3 結論

本文的分析過程主要分為建模和有限元分析兩部分內容。建模階段至關重要的部分是參數(shù)化建模的方法和對于參數(shù)意義的理解，以及齒輪裝配過程中出現(xiàn)的配合方式、干涉問題排除等。有限元分析——靜應力分析階段對于裝配體的自由度約束、網(wǎng)格劃分的集中與分散程度、結果求解過程的報錯訂正這幾個階段是最為關鍵的部分。而SolidWorks 正是很好地方便了從簡單到深入的設計和分析過程。

從最終的應力、位移、應變結果看，驅動扭矩為100 N·M 時的應力大約是屈服極限的1/3，此模型下齒輪在現(xiàn)實生產過程中的承受能力并不足，齒頂齒根處容易出現(xiàn)變形較大的情況。后續(xù)將通過改變齒輪材料、對齒輪進行淬火處理等增強齒輪硬度，改善齒輪條件。

目前日常學習、工作過程中，可以進行建模、CAE 有限元分析的軟件有CAD，CATIA，ANSYS，ProE，HyperMesh，LSDYNA等軟件，而且ANSYS 和ProE 這兩款軟件占據(jù)了設計和CAE 分析的主流局面。

SolidWorks 作為一款集二維設計、三維設計、有限元分析于一體的軟件，在目前的企業(yè)設計、分析中并不是主要角色，但對于在校生而言，從初步認識到逐漸進入有限元分析的深層領域的過程，SolidWorks 起到了很好的引導和指引作用。

本文作者本科期間的設計工作SolidWorks 為主，工作期間在企業(yè)內用CATIA 和ANSYS 進行設計和分析，研究生期間主要以有限元分析為主要工作，涉及到了眾多的分析軟件如ANSYS，ProE，HyperMesh 等。