Cosmos在擺線輪設(shè)計中的應(yīng)用

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

針對擺線針輪行星減速器的擺線輪齒廓形狀復(fù)雜、加工制造難度大、目前還不能實現(xiàn)共軛切削加工等同題,根據(jù)擺線成形原理及設(shè)計要求,利用SolidWorks軟件及其COSMOSMotion插件,通過運動仿真探討了繪制準確擺線輪齒廓的方法。在此基礎(chǔ)上,利用SolidWodm建立擺線輪的三雛實體模型,為擺線輪的設(shè)計與研究提供了一種方法,使其設(shè)計更為生動和直觀,并且簡化了設(shè)計過程。

作者: 韓雙江*孫傳祝來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 擺線輪齒廓曲線 SolidWorks COSMOSMotion 建模

隨著計算機輔助設(shè)計制造技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機仿真技術(shù)已成為工程技術(shù)人員極其重要的科研工具,文中利用計算機仿真技術(shù)精確地繪制出擺線輪的齒廓曲線,簡化了擺線輪齒廓的繪制過程,研究結(jié)果對提高擺線輪設(shè)計的速度和質(zhì)量具有一定的實際意義。

COSMOSMotion是為廣大用戶提供的實現(xiàn)數(shù)字化功能樣機的優(yōu)秀工具,它與當(dāng)今主流的三維CAD軟件SolidWorks無縫集成,是全功能的運動仿真軟件,可以建立各種復(fù)雜運動機構(gòu)的精確運動模型,并對運動機構(gòu)進行完整的運動學(xué)和動力學(xué)仿真,得到機構(gòu)中各零部件的運動數(shù)據(jù),分析機構(gòu)中零件的位移、速度、加速度、作用力與反作用力等,并以圖形、動畫、表格等多種形式輸出運算結(jié)果。大大簡化了機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程,縮短了開發(fā)周期,減少了開發(fā)費用,同時又提高了產(chǎn)品質(zhì)量?？傊?COSMOSMotion功能強大,求解可靠,仿真結(jié)果與實際情況十分吻合,完全能夠滿足用戶對運動仿真的各種需求。

作為普通減速機的更新?lián)Q代產(chǎn)品,擺線針輪行星減速器與普通減速機相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動效率高、多齒嚙合、承載能力大等突出優(yōu)點。擺線針輪行星減速器以其輸入輸出同軸、多齒嚙合的新穎結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、工程機械及化工等行業(yè)的驅(qū)動裝置和減速裝置中瞄J。擺線針輪傳動采用圓柱面針齒與具有短幅外擺線等距曲線齒面的擺線輪相嚙合,擺線輪齒面形狀極為復(fù)雜,但對整個系統(tǒng)的承載能力與精度有極大影響,因此齒面的造型也極為重要。擺線輪的齒廓形狀因其特殊性給加工制造增加了難度,至今其齒廓還不能實現(xiàn)共軛切削加工,因此擺線輪的加工必須由齒廓外形圖來提供支持。利用COSMOSMotion的仿真功能可以很精確地將擺線輪的齒廓形狀表達出來,所以,探討利用COSMOSMotion進行擺線輪的三維設(shè)計方法具有實際的意義。

    1 擺線輪齒廓曲線成形原理

齒廓成形原理是繪制齒廓曲線的依據(jù),形成外擺線的方法有內(nèi)滾法和外滾法。內(nèi)滾法如圖1所示,以半徑為ro的圓作固定圓,用半徑為rp的圓作為滾動圓套在固定圓外面,兩圓的半徑差就是其中心距,即a=rp-ro。當(dāng)滾動圓繞固定圓滾過全周長2πrp時,與滾動圓同步滾動的任何一點均可形成一條完整的外擺線,這種形成外擺線的方法稱為內(nèi)滾法。如果該點位于滾動圓的圓周上(如圖1中的Po點),由Po點形成的外擺線Po P P1。稱為普通外擺線。當(dāng)該點位于滾動圓之外時(如圖1中的Do點),由現(xiàn)點形成的外擺線莉。稱為短幅外擺線,比值Kt=rp/O2D0稱為短幅系數(shù)。當(dāng)該點位于滾動圓以內(nèi)時,其軌跡為長幅外擺線。

外滾法如圖2所示,在圖2中使半徑為rg的滾動圓G沿半徑為,rbc的固定圓J作純滾動,當(dāng)滾動圓G沿固定圓.,滾過一周時,滾動圓內(nèi)一點仇描繪出的軌跡DoD1是一條短幅外擺線,短幅系數(shù)為K1=ODo/rg。當(dāng)滾動圓G沿固定圓J滾過2πrbc距離時,仇點描繪出的軌跡就是一條完整的擺線輪廓。

在擺線針輪行星齒輪傳動中,擺線輪是以短幅外擺線DOD1作為理論齒廓的,而固定針輪以Do點作為理論齒形。但是,實際針齒不可能做成一點,必須做成半徑為,。的圓柱形。因此,以擺線輪的理論齒廓上各點為圓心,以k為半徑作圓,這些圓的內(nèi)包絡(luò)線眠麝。就是擺線輪的實際齒廓,又稱為短幅外擺線的等距曲線。而針輪的實際輪廓就是半徑為k的圓(如圖2所示),滾動圓中心所在圓的直徑為2rp,rp為滾動圓中心所在圓的半徑,也就是滾動圓G與固定圓J的中心距,即rP=rg+rbc。滿足以下3個條件時,采用外滾法形成的短幅外擺線與采用內(nèi)滾法得到的短幅外擺線相同:

    2 擺線輪齒廓曲線繪制方法

由于擺線輪齒廓曲面形狀的特殊性,有關(guān)其齒形輪廓設(shè)計方法的技術(shù)資料并不多。在擺線針輪傳動中,擺線輪齒廓的形狀誤差直接影響擺線針輪的傳動精度和傳動系統(tǒng)的運行壽命。擺線輪齒廓曲面的繪制關(guān)鍵在于擺線輪廓曲線的繪制,只要精確地繪制出擺線輪廓曲線,擺線輪齒廓曲面的三維造型即迎刃而解。

擺線輪的齒廓曲線是一種比較復(fù)雜的函數(shù)曲線,無法采用常規(guī)的造型方式。而利用COSMOSMotion的軌跡跟蹤功能,可以根據(jù)擺線輪齒廓曲線成形原理,通過簡單的運動仿真,即可精確地繪制出擺線輪廓曲線。下面通過具體實例詳細介紹具體繪制過程。

2.1 擺線輪相關(guān)參數(shù)的計算

可根據(jù)原始數(shù)據(jù)由擺線針輪行星齒輪傳動的設(shè)計公式求得擺線輪的相關(guān)參數(shù)。其原始數(shù)據(jù)包括:輸入軸功率Ph=5.5kW,輸入軸轉(zhuǎn)速nhc=960 r/min,傳動比ihc=-11,擺線輪齒數(shù)zc=|ihc|=11,固定針輪數(shù)zp=zc+1=12。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)由擺線針輪行星齒輪傳動的計算公式計算得:針齒中心圓半徑rp=100 mm;固定圓半徑rbc=91.66 mm;滾動圓半徑rg=8.33 ram;短幅系數(shù)KI=0.51;擺線輪內(nèi)孔半徑r-=40 mm;針齒圓半徑rrp=9 mm;W機構(gòu)的柱銷中心圓半徑Rw=63 mm;W機構(gòu)的柱銷數(shù)目zw=8;W機構(gòu)的柱銷直徑dw=29mm;擺線輪的寬度6c=40 mm。這些設(shè)計參數(shù)決定了擺線輪的結(jié)構(gòu),其具體計算過程不再贅述。

    2.2仿真實體模型的建立

首先建立仿真實體模型,利用SolidWorks分別創(chuàng)建名為固定圓(rbc=91.66 mm)和滾動圓(rg=8.33mm)的兩個圓柱體模型,然后創(chuàng)建一個裝配體文件,將固定圓和滾動圓分別調(diào)入進行裝配。裝配關(guān)系的設(shè)置極為重要,正確與否直接影響著運動仿真的結(jié)果。要給固定圓和滾動圓添加高級配合中的齒輪配合,把固定圓和滾動圓看作兩個外嚙合齒輪,兩者的直徑比率為183.34:16.66,即固定圓旋轉(zhuǎn)1周,滾動圓旋轉(zhuǎn)11周。把固定圓看作固定件,則滾動圓相對于固定圓一直在作純滾動,以保證仿真過程中滿足擺線輪齒廓曲線的成形原理要求。

    2.3運動仿真

完成三維裝配之后,可在裝配模塊下直接進入仿真環(huán)境,然后進行仿真設(shè)置。具體設(shè)置過程如下:

給固定圓部件加一個旋轉(zhuǎn)馬達,取角速度值為36(°)/s,仿真時間根據(jù)旋轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)速值計算獲得,要求正好為固定圓轉(zhuǎn)過1周所需的時間,由此得仿真時間(即運轉(zhuǎn)周期)為10 s。仿真時間短于10 s會造成擺線輪廓軌跡線不完整,長于10 s則會造成擺線輪廓軌跡線自行相交,導(dǎo)致無法輸出軌跡線到SolidWorks部件。定義幀數(shù)為5 000,系統(tǒng)將會有5 000個數(shù)據(jù)測量點。幀的數(shù)目影響著生成擺線輪廓的精度,數(shù)目越多精度越高,但仿真時間也越長。

完成以上設(shè)置后開始仿真運算,選取滾動圓上一點D0生成軌跡跟蹤,具體設(shè)置如圖3所示。注意,一定要選固定圓作為參考元件,而非系統(tǒng)默認的裝配體。因為滾動圓部件相對于固定圓部件作純滾動,相對于裝配體只是在轉(zhuǎn)動。仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)束后,由仿真結(jié)果可直接輸出CSV文本文件,即以電子表格的格式輸出各數(shù)據(jù)測量點的坐標值,采用外滾法輸出的坐標值數(shù)據(jù)如表1所示。由輸出的各點坐標值可以看出,輸出坐標點的個數(shù)與仿真設(shè)置幀數(shù)一致,共有5 000個。因為仿真完成后D0點又回到了初始位置,所以第1個點與第5 000個點的坐標值是相同的。采用內(nèi)滾法的運動仿真過程及其數(shù)據(jù)與此基本相同,只是將齒輪的外嚙合改為了內(nèi)嚙合。

    3 擺線輪三維實體模型的建立

將通過仿真得到的軌跡線(即擺線輪廓衄線)輸出到SolidWorks中,利用草圖里的偏移命令創(chuàng)建其等距曲線,即可得到擺線輪的實際輪廓線。然后根據(jù)擺線輪相關(guān)參數(shù),利用特征選項中的拉伸、陣列等操作命令對擺線輪進行三維實體建模,如圖5所示。

擺線針輪傳動中,標準的擺線輪和針齒嚙合時兩者之間是沒有間隙的,因此理論上講應(yīng)該有半數(shù)針齒與擺線輪同時嚙合傳遞動力。但實際上在擺線針輪減速器中,為了在嚙合面間形成油膜,補償溫升引起的熱膨脹及制造誤差,同時便于拆裝,避免嚙合齒面發(fā)生膠合等,擺線輪和針齒之間應(yīng)保留一定的齒側(cè)間隙。因此,實際的擺線輪不能采用理論齒形,而必須經(jīng)過修正。制造擺線輪時,一般要對標準的擺線輪進行修形,修形后的實際擺線輪比理論擺線輪要稍小些。

    4 結(jié)束語

根據(jù)擺線的成形原理,利用SolidWorks及其插件COSMOSMotion非常精確地繪制出擺線輪的齒廓工作曲線,繪圖步驟非常簡單,齒廓工作曲線精度也可以根據(jù)要求隨意調(diào)整。在此基礎(chǔ)上,利用SolidWorks建立了擺線輪的三維實體模型,為下一步基于虛擬樣機技術(shù)的性能仿真、有限元分析及擺線輪的加工制造奠定了基礎(chǔ)。同時,為復(fù)雜輪廓零部件的設(shè)計提供了一種方法和捷徑,可以通過運動仿真,結(jié)合輪廓曲線的發(fā)生原理,利用軌跡跟蹤法生成各種復(fù)雜的輪廓曲線,簡化了設(shè)計過程。

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