基于solidworks算例分析設(shè)計(jì)偏心齒輪配重

1、基于solidworks設(shè)計(jì)算例優(yōu)化設(shè)計(jì)偏心齒輪配重摘要本文就壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中偏心齒輪的配重優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，其中配重設(shè)計(jì)是為了保證此種偏心結(jié)構(gòu)靜平衡的一種方法。此方法主要利用solidworks的參數(shù)化模型及設(shè)計(jì)算例功能實(shí)現(xiàn)偏心齒輪配重的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高配重塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。關(guān)鍵詞：壓力機(jī)；偏心齒輪；配重；優(yōu)化設(shè)計(jì)；靜平衡；solidworks設(shè)計(jì)算例一、引言偏心齒輪在壓力機(jī)設(shè)計(jì)中起到舉足輕重的作用，主要通過偏心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)壓力機(jī)滑塊的上下移動(dòng)。然而，在偏心齒輪的加工制造過程中，由于材料、結(jié)構(gòu)、密度、加工方法等多種原因造成偏心齒輪的重心與芯軸的中心不重合，從而導(dǎo)致偏心齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)

2、生較大的離心力。由于離心力在水平、垂直方向呈周期性變化，容易引起機(jī)床本身的振動(dòng)，使齒輪噪音大，也降低了機(jī)床的使用壽命，也影響了機(jī)床的使用效率和使用精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起零件的報(bào)廢，因此消除或減小偏心齒輪的離心力是目前多數(shù)壓力機(jī)生產(chǎn)廠家必然要面臨的重大課題之一，也是工程師們?cè)O(shè)計(jì)配重時(shí)頭疼的問題之一。為了消除偏心齒輪的不平衡慣性力，由于偏心齒輪轉(zhuǎn)速較低，所以很多廠家一般只采用靜平衡實(shí)驗(yàn)校正法。為了保證偏心齒輪的靜平衡要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮或設(shè)計(jì)出較為合適的配重塊，使得偏心齒輪的重心和芯軸中心線重合或盡量接近。由于偏心齒輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、配重的理論計(jì)算較繁瑣，設(shè)計(jì)人員需憑借大量試驗(yàn)測(cè)試所獲得的經(jīng)驗(yàn)

3、和直觀判斷，通過手工反復(fù)修改參數(shù)和驗(yàn)證，才能基本達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。這樣，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，最后得到的參數(shù)往往還有改進(jìn)的余地，并不一定是最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。下面介紹利用solidworks的參數(shù)化建模和設(shè)計(jì)算例功能來解決配重設(shè)計(jì)的有效方法，從而消除或減小偏心齒輪的離心力，提高偏心齒輪的靜平衡精度，增加傳動(dòng)部件的使用壽命。二、設(shè)計(jì)原理基于solidworks三維軟件本身自有的方程式及設(shè)計(jì)算例功能，從而引入了優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，使得solidworks三維軟件不但能用于造型，也能用于智能設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)出用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所無法達(dá)到的最優(yōu)解決方案，它也是一種參數(shù)化設(shè)計(jì)分析工具。使用設(shè)計(jì)算例優(yōu)化模型技術(shù)首先

4、要?jiǎng)?chuàng)建合適的分析特征，建立分析參數(shù)，捕捉特定的設(shè)計(jì)意圖、設(shè)計(jì)約束，將模型行為信息融入設(shè)計(jì)中，由solidworks設(shè)計(jì)算例綜合考慮所要求的機(jī)能行為、設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)一系列快速參數(shù)迭代運(yùn)算后，將分析結(jié)果回饋到模型，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)師提供最佳設(shè)計(jì)建議。具體的操作步驟如圖1所示：圖1 solidworks最優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟創(chuàng)建分析特征，是參數(shù)化建模前的關(guān)鍵一步。分析特征是屬于基準(zhǔn)特征的一種，常用的分析特征類型有測(cè)量、模型、幾何和關(guān)系等。敏感度分析可以用來分析當(dāng)給定設(shè)計(jì)變量在指定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)的變化趨勢(shì)，顯示兩變量間的關(guān)聯(lián)程度，X 表示設(shè)計(jì)變量，Y 軸表示設(shè)計(jì)目標(biāo)，便于設(shè)計(jì)師在較

5、短時(shí)間內(nèi)尋找到設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)性。敏感度分析可以為后續(xù)的可行性和最優(yōu)化分析、多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究提供設(shè)計(jì)變量的合理范圍?？尚行院妥顑?yōu)化分析可以使系統(tǒng)計(jì)算出尺寸值，使模型能夠滿足某些用戶指定約束，系統(tǒng)會(huì)尋找到可行的最佳解決方案。可行性研究是分析模型在給定的變量范圍內(nèi)是否有可能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值的方法，對(duì)于多個(gè)變量同時(shí)參與的模型，可能有多種參數(shù)的組合可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值，但軟件一旦找到其中的任一種組合，便會(huì)認(rèn)定目標(biāo)可行并停止計(jì)算。而最優(yōu)化分析則從達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值的多種參數(shù)的組合中找到最優(yōu)的組合。使用優(yōu)化和可行性分析時(shí)，系統(tǒng)所尋求的解答屬局部解，為避免發(fā)生局部解，應(yīng)使用多重目標(biāo)設(shè)計(jì)研究。多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究可以

6、用來處理大量設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)約束相矛盾時(shí)，產(chǎn)生眾多設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過過濾程序，使用不同方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、縮小范圍，篩選出最佳、首選方案。三、設(shè)計(jì)步驟1、創(chuàng)建三維模型參照揚(yáng)州捷邁鍛壓機(jī)械有限公司JL36-630中偏心齒輪的工程圖簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，以便對(duì)其配重設(shè)計(jì)，首先假定配重塊的材質(zhì)和齒輪材質(zhì)相同，繪制偏心齒輪模型結(jié)果如圖2：圖2 偏心齒輪三維模型2、創(chuàng)建分析特征從圖2中偏心齒輪的配重尺寸可以看出，假設(shè)齒輪寬度不變，則配重塊大小主要由徑向尺寸180和角度尺寸30°，即徑向尺寸和角度尺寸為主要設(shè)計(jì)變量。這里在solidworks設(shè)計(jì)算例表現(xiàn)出的結(jié)果設(shè)置如圖3所示：圖3 設(shè)計(jì)算例變量設(shè)置由圖3可以看

7、出，設(shè)置徑向尺寸從160到180，步長取1，角度尺寸從15°到45°，步長為1時(shí)，總的活動(dòng)情形有651種，故為簡(jiǎn)化縮短solidworks設(shè)計(jì)算例的運(yùn)行，將角度尺寸不作為設(shè)計(jì)變量，即只設(shè)定徑向尺寸為此次設(shè)計(jì)算例分析的特征尺寸。3、設(shè)計(jì)算例分析運(yùn)用設(shè)計(jì)算例中傳感器功能，可以添加以下四種傳感器，即simulation數(shù)據(jù)、質(zhì)量屬性、尺寸及測(cè)量，其中simulation數(shù)據(jù)傳感器可以添加很多目標(biāo)值，比如simulation中的應(yīng)力、位移、速度等；質(zhì)量屬性傳感器可以添加質(zhì)量、體積、表面積及質(zhì)量中心；尺寸及測(cè)量傳感器可以添加模型尺寸值和測(cè)量模型尺寸及屬性。具體如圖4所示：圖4 傳感器

8、類型及其相應(yīng)屬性本次設(shè)計(jì)算例選用質(zhì)量屬性傳感器中質(zhì)量中心屬性作為優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)目標(biāo)。偏心齒輪的優(yōu)化目標(biāo)是使其達(dá)到靜平衡的要求，且此模型是關(guān)于Y-O-Z平面對(duì)稱，故質(zhì)量中心X為0，無需調(diào)整，而質(zhì)量中心Z在軸線方向，也無需調(diào)整，所以這里質(zhì)量屬性選著質(zhì)量中心Y，當(dāng)前值是在徑向尺寸為180時(shí)的值為2.16987559mm，如圖5所示：圖5 質(zhì)量屬性中質(zhì)量中心Y將設(shè)計(jì)算例的目標(biāo)設(shè)定完成后，就可以單擊運(yùn)行進(jìn)行模型目標(biāo)優(yōu)化，具體設(shè)置界面如圖6所示：圖6 設(shè)計(jì)算例界面設(shè)置結(jié)果之后，solidworks開始對(duì)21種情形依此進(jìn)行賦值重建模型，并優(yōu)化分析目標(biāo)結(jié)果，具體優(yōu)化過程如圖7所示：圖7 設(shè)計(jì)算例優(yōu)化過程經(jīng)過一段時(shí)間的優(yōu)化，得出優(yōu)化結(jié)果為第13個(gè)優(yōu)化情形，取徑向尺寸為172mm，則優(yōu)化的質(zhì)量中心Y為-0.03608mm，已近乎符合靜平衡設(shè)計(jì)要求，如圖8所示：圖8 設(shè)計(jì)算例優(yōu)化結(jié)果4、獲取解決方案并改變模型參數(shù)由圖8的優(yōu)化結(jié)果選取徑向尺寸為172，鼠標(biāo)右擊優(yōu)化（13）結(jié)果，則此尺寸值自動(dòng)賦到模型中重建偏心齒輪模型，此時(shí)查看模型的質(zhì)量屬性可以發(fā)現(xiàn)重心Y已趨于0，如圖9所示：圖9 優(yōu)化后的偏心齒輪重心位置5、優(yōu)化結(jié)果分析得到優(yōu)化后的模型如圖10所示：圖10 優(yōu)化后的偏心齒輪偏心齒輪的質(zhì)量中心隨配重塊的徑向尺寸的變化關(guān)系如圖11所示：圖11 質(zhì)量中心隨徑向尺