基于SolidWorks的前置后驱汽车的单级后主减速器的设计及运动仿真

陈永康

【摘要】文章主要介绍基于SolidWorks前置后驱汽车的单级后主减速器的设计过程及运动仿真制作过程，内容包括：前置后驱汽车的单级后主减速器的工作原理、设计课题中应解决的主要问题及应达到的技术要求、参数计算过程、零件的建模步骤、装配步骤及运动仿真制作等。文章中的主减速器设计成果可为汽车单级后主减速器的设计者提供参考，从中分析设计的好坏，便于修改、优化汽车零部件的设计方案，节省时间和资源；也可以用作汽车教学视频，简单展示前置后驱汽车在直路行驶时，单级后主减速器的运动状态。

【關键词】SolidWorks 主减速器 建模 装配 动画仿真

【中图分类号】G4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）14-0065-03

一、引言

SolidWorks 是美国SolidWorks公司开发的专业3D CAD软件，可以快捷地建立各种结构的模型，是目前应用较为广泛的三维设计软件。它采用参数化特征建模技术，具有极强的设计灵活性。其设计过程的全相关性，使设计者可以在设计过程的任何阶段进行修改设计，同时连动改变相关零部件的参数。

SolidWorks软件为文章中的主减速器设计提供了一个高效的开发平台。运用SolidWorks软件，设计人员可以在建造真实主减速器之前，建立整个装置的虚拟样机，然后模拟整个运动过程，它的虚拟装配和运动仿真技术，在汽车主减速器设计图纸阶段就可以直观检测主减速器部件之间的碰撞与干涉，使整个设计过程可以完全在三维模型上直观形象地检查、讨论，就可以在主减速器的开发过程中发现设计中存在的不足和缺陷，以及满足设计要求的程度，从而为进一步优化设计主减速器提供依据，大大降低了研发生产汽车的成本、资源和时间。

二、前置后驱汽车的单级后主减速器简介

汽车的主减速器的功用是减速增扭、改变转矩的传递方向，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成。目前在汽车上应用较广泛的主减速器齿轮类型为螺旋锥齿轮。螺旋锥齿轮在传动时，同时啮合的齿数较多，故承重能力较大，传动平稳、噪声较小。文章中的设计将主减速器的螺旋锥齿轮简化为直齿锥齿轮，以便更清晰表达主减速器的运动状况。

三、主减速器设计中应解决的主要问题及应达到的技术要求

本次设计主要针对的是前置后驱汽车的单级后主减速器的齿轮部分，重点是要建立其三维模型、装配及制作其动画，达到运动仿真的目的。

因此，设计本课题中应解决的主要问题及应达到的技术要求有：（一）运用查阅书籍、实物量度、计算等方法来得出单级后主减速器的齿轮的具体尺寸数据；（二）根据具体数据，运用运用SolidWorks实体设计建立单级后主减速器的三维模型。要建立的三维模型零件包括：单级主减速器的主动齿轮和传动轴、单级主减速器的从动齿轮，一共绘制2个零件；（三）将绘制好的2个零件装配成一体；（四）制作前置后驱汽车的单级后主减速器运动的动画，以求达到运动仿真的目的。

四、参数的计算

为求理论与实际相结合，笔者找来一典型的前置后驱汽车的单级后主减速器实物，并为主减速器的主动轮标记为齿轮1，从动轮标记为齿轮2。从实物上看，从两齿轮的锥顶看齿轮，齿线从小端到大端是逆时针旋转，因此判断出此齿轮为左旋。主动轮齿数 ，从动轮齿数 。

由量度实物得出，主动轮齿顶圆直径为 ≈74.84mm，从动轮齿顶圆直径为 ≈204.50mm。由公式求出模数m≈4.96～6.56，通过查阅《机械设计手册》，决定m取5.5。

由于将前置后驱汽车的单级后主减速器的主动齿轮和从动齿轮简化为直齿锥齿轮作为展示的动画零件，知道模数m=5.5后，假设两锥齿轮选择的是等顶隙收缩齿、格里森齿制。查表及进行相关计算后，得出以下绘图所需参数。表1为主动轮及从动轮的公用参数，表2为主动轮及从动轮的给自参数：

五、基于SolidWorks建立前置后驱汽车的单级后主减速器三维模型步骤

（一）前置后驱汽车的单级后主减速器主动轮的建模

启动SolidWorks软件，新建零件，以前视为基准面，开始绘制前置后驱汽车的单级后主减速器主动轮的草图。

首先，两锥齿轮选择的是等顶隙收缩齿， 根据等顶隙收缩齿外形的主要特点运用主动轮的顶锥角 、根锥角 、齿顶角 、齿根角、分度圆直径 、齿根高 、齿顶高 、齿宽b=32.72 mm这些数据，画出草图。

然后，运用分度圆弦齿厚 、齿形角α这两个数据画出基本齿廓草图。用相同的方法、数据画出第二个齿廓面，再将这两个齿廓面用“放样”功能就可以绘制成齿轮其中一个齿的三维模型。

因为主动轮齿数为9，所以使用 “圆周阵列”功能将其等间距生成9个齿；画上下两个齿根圆再将此两圆“放样”，然后将齿根角半径 =2.09mm用“圆角”功能在模型上表现出来。

最后，建立齿轮轴模型，轴的结构主要取决于轴在汽车中安装的位置及形式、轴上安装零件的类型和尺寸以及和轴连接的方法、负荷等等。在本设计中，忽略这些问题。轴尺寸自拟为第一级R1=15mm，L1=100mm，第二级R2=10mm，L2=80mm，画出半径为15mm和10mm的圆，运用“拉伸凸台/机体”功能建立轮轴的模型。建模完成后，保存文件，将此文件命名为“主动轮”。主动轮建模成果如附图1所示。

（二）前置后驱汽车的单级后主减速器从动轮的建模

启动SolidWorks软件，新建零件，以前视为基准面，绘制前置后驱汽车的单级后主减速器从动轮的草图。

运用主动轮的顶锥角 、根锥角 、齿顶角 、齿根角 、分度圆直径 、齿根高 、齿顶高 、齿宽b这些数据，画出草图。然后，运用分度圆弦齿厚 、齿形角α这两个数据画出基本齿廓草图。用相同的方法、数据画出第二个齿廓面，再将两个齿廓面用“放样”功能就可以绘制成齿轮其中一个齿的三维模型。因为主动轮齿数为41，所以使用 “圆周阵列”功能将其等间距生成41个齿；画上下两个齿根圆再将此两圆“放样”，然后将齿根角半径 用“圆角”功能在模型上表现出来。

在从动齿轮的上面中轴点为圆心画一直径为114.57mm的圆，运用“拉伸切割”功能，将齿轮模型生成以下图形。在此齿轮的上面以齿轮的中轴点为圆心，画一直径为D=136.57mm的圆，与任意一直径相交，得出一点A，以A为原点，画直径d=12mm的圆，并将其“拉伸切除”，生成一切割孔；再将此切割孔通过“圆周阵列”变成8个切割孔，用于装配M12螺栓。建模完成后，保存文件，将此文件命名为“从动轮”。如附图2所示。

六、基于SolidWorks 2008前置后驱汽车的单级后主减速器齿轮的装配

启动SolidWorks 2008软件，新建“装配体”文件，首先导入主减速器主动轮，以主动轮轴为固定件，然后再分别导入主减速器从动轮。打开“配合”功能，将主减速器主动轮轴基准轴和主动轮的中心轴配合，配合选择为“重合”，这样可使主动轮轴基准轴和主动轮的中心轴共线。

再将主动齿轮的底面与主动轮轴中 =15mm轴端面配合，配合选择为“重合”，这样可使主动轮轴基准轴和主动轮不会分离，也限制了主动轮上下、左右、前后的移动，只会绕自身中心轴转动。

将主减速器主动轮和从动轮的中心轴配合成垂直关系，并设两轴距离为0 mm。再根据外锥高 、 这两个数据，将主减速器主动轮和从动轮的相对距离固定。将从动轮中心轴与主动轮顶面设为固定距离，将主动轮中心轴与从动轮顶面设为固定值，可限制从动轮上下、左右、前后移动，只会绕自身中心轴转动和绕主动轮中心轴转动，这样装配，符合了主减速器的运动。装配完成后，保存文件，将此文件命名为“主减速器装配体”。装配成果如附图3所示。

七、运动仿真制作

启动SolidWorks软件打开“主减速器装配体”文件，按运动算例1，点选主动轮，为其添加旋转马达，确认旋转方向。完成后把贞点拉到5秒的位置，表示動画长度为5秒，如附图4所示。

点击播放动画，主动轮会带动从动轮旋转，达到主减速器运动仿真效果。确认动画无误后，按“保存动画”键保存动画，命名为“主减速器运动仿真”，保存为AVI格式。

八、结语

文章中的前置后驱汽车的单级后主减速器设计通过查表、计算得出齿轮尺寸参数，运用SolidWorks建立虚拟的前置后驱汽车的单级后主减速器的三维模型，并将其进行装配及运动仿真制作等，已达到文章所述的技术要求。设计后，得到主减速器的主动轮、从动轮参数尺寸，“主动轮.SLDPRT”、“从动轮.SLDPRT”、“主减速器装配体.SLDPRTASM”及“主减速器运动仿真.AVI”文件。

文章中的主减速器设计成果可为汽车单级后主减速器的设计者提供参考，从中分析设计的好坏，便于修改、优化汽车零部件的设计方案，节省时间和资源；也可以用作汽车教学视频，简单展示前置后驱汽车在直路行驶时，单级后主减速器的运动状态。

参考文献：

[1]谢红.用SolidWorks计算机软件进行装配体三维设计[J].机械设计与制造.200092.P35.

[2]高雪强.SolidWorks中的非圆齿轮实体建模方法研究[J].工程图学学报.050018.P189.

[3]杨国新，王定标.基于SolidWorks的机械零部件虚拟装配体设计技术[J].煤矿机械.2007（7）.P75-77.

[4]中国有色工程设计研究总院.机械设计手册（第五版）[S].北京：化学工业出版社，2009.P14-245.

[5]上海五金机械公司.实用五金手册（第四版）[ S].上海：上海科学技术出版社，1991.P7-13.

[6]臧杰，阎岩.汽车结构（下）[ M].北京：机械工业出版社，2008.P88.

[7]西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2008.P223.

[8]魏峥，王一惠，宋晓明.SolidWorks2008教程与上机指导[M].北京：清华大学出版社，2008.P19.