第三章 基于SolidWorks 的三维建模
3.1 SolidWorks 软件介绍
SolidWorks 软件是由SolidWorks 公司开发的，SolidWorks 公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，从1993 年，PTC 公司与CV 公司成立SolidWorks 公司，并于1995 年推出该软件，引起设计相关领域的一片惊叹。现在SolidWorks 最新版为2009 SP0 多国语言版， 本次毕业设计用的是SolidWorks2008 SP0 版本。
SolidWorks 软件集三维建模、装配、工程图于一身，功能强大、易学易用和技术创新，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。具有零件建模、曲面建模、钣金设计、有限元分析、注塑分析、消费产品设计工具、模具设计工具、焊件设计工具和装配设计等功能。
该软件将各个专业领域的世界级顶尖产品连接到一起，具备全面的实体建模功能，可快速生成完整的工程图纸，还可以进行模具制造及计算机辅助工程分析、虚拟装配、动态仿真等一些其他CAD 软件无法完成的工作。
该软件本身集成了较多的插件，方便设计者利用，降低了设计劳动，本次毕业设计用到如下的插件：GearTrax 主要用于精确齿轮的自动设计和齿轮副的设计，通过指定齿轮类型、齿轮的模数和齿数、压力角以及其它相关参数，GearTrax 可以自动生成具有精确齿形的齿轮。
toolbox 提供了如iso、din 等多标准的标准件库。利用标准件库，设计人员不需要对标准件进行建模，在装配中直接采用拖动操作就可以在模型的相应位置装配指定类型、指定规格的标准件。
3.1.1 对齿轮、轴及小齿轮轴的三维建模
Ⅰ、齿轮三维模型的形成
SolidWorks 的插件GearTrax 用以生成各种齿轮模型，如图3.1。根据机械设计数据，选择直齿，输入齿轮的模数m = 2，大小齿轮齿数88和22，点击齿面厚，键入大小齿轮的齿轮宽度b 50mm ， 。分别点1 = b 44mm 2 =击激活大小齿轮后，点击完成，插件自动将成型的齿轮导入SolidWorks 中，从而完成齿轮建模,如图3.2 和图3.3。
图3.1 GearTrax2008 操作
图3.3 大齿轮的大体建模
图3.3 大齿轮的大体建模
得到了大齿轮的大体建模，然后修改大齿轮：
① 通过【拉伸切除】命令构造轮毂直径为50mm，键槽高、宽分别为5mm、10mm。如图3.5。
② 修改大齿轮，按工程图画减重槽和减重孔，利用【拉伸切除】命令，先画减重槽，深度为10mm,如图3.6，利用基准面通过【镜像】命令，画出另一侧。
③ 通过【拉伸切除】命令打一个减重孔，孔径为36mm,如图3.7，【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆心为基准轴，如图3.8，通过【圆周阵列】命令，选择基准轴和阵列的数目，完成多个减重孔成型如图3.9。
④ 通过【倒角】命令倒角，最后成型,如图3.10。
图3.4 齿轮的工程图
图3.5 加工轮毂和键糟 图3.6 加工减重槽
图3.7 加工减重孔 图3.8 插入基准轴
图3.9 减重孔圆周整列 图3.10 大齿轮的三维建模
Ⅱ、小齿轮轴的三维建模
在Ⅰ中GearTrax 导入小齿轮的基础上,按照二维工程图进行建模，如图3.11。
① 依次用【拉伸】命令构造小齿轮轴，完成小齿轮轴的大体建模，如图3.12。 ② 然后利用【插入】-【参考几何体】-【基准面】命令，在小齿轮轴的外伸端建立基准平面1,如图3.13，再在该基准平面上利用【拉伸切除】命令，按照高速轴和V 带轮联接键的尺寸：高速轴和V 带轮联接键为：键8X28 GB1096-79b ×h = 8×7,L = 28，绘制草图，选择切除厚度，完成键槽的成型，如图3.14。
③ 利用【倒角】和【倒圆角】命令修改小齿轮轴，完成建模如图3.15。
图3.11 小齿轮轴工程图
3.12 图3.13 建立基准面1
齿轮拉伸
图3.14 拉伸键 图3.15 小齿轮轴的三维建模
Ⅲ、轴的三维建模
① 用【拉伸】命令，选择任意基准平面，按照设计尺寸依次拉伸成型，如图3.16。
② 通过【插入】-【参考几何体】-【基准面】命令，在齿轮安装段和外伸端建立两个基础平面，如图3.17，依次用【拉伸切除】命令切出大齿轮与轴的键槽和低速轴（如图3.18）和联轴器的联接键键槽（如图3.19）。 ③ 用【倒角】和【倒圆角】命令修改轴，完成建模，如图3.20。
图3.16 轴的工程图
图3.17 轴的拉伸图 3.18 建立两个基准面
图3.19 齿轮键拉伸 图3.20 联轴器的键拉伸
图3.21 轴的三维建模
3.1.2 对箱体、箱盖的三维建模
Ⅰ、箱体三维建模
① 根据箱体的二维图，如图3.22，图3.23，图3.24，用【拉伸】命令，选择任意基准面，构造箱体大体立方体，如图3.25 用【圆角】命令将立方体四个棱边倒R=20mm 的圆角。
② 利用【抽壳】命令，选择壁厚度8mm，选择挖出材料面，完成抽壳，如图3.26。
③ 在抽壳选择面使用【拉伸】命令，拉伸出顶面凸缘，厚度为12mm，如图3.27，选择底面拉伸出箱体底板厚度为20mm，如图3.28，并【拉伸切除】底面通槽如图3.29。在凸缘下面【拉伸】轴承座凸台（如图3.30）和凸台（如图3.31），在轴承座凸台上用【拉伸切除】命令切出轴承槽，如图3.32。
④ 用【插入】-【参考几何体】-【基准面】命令分别在两个轴承座建立基准平面1 和基准平面2，如图3.33，用【筋】命令，绘制轴承座凸台的加强筋，如图3.34。
⑤ 用【镜像】命令选择镜像对称平面，镜像凸台、轴承座凸台、加强筋和轴承槽，如图3.35。
⑥ 选择中间基准平面，用【筋】命令构造两个吊耳，如图3.36。 ⑦ 用【扫描切除】命令，绘制油沟，绘制扫描路线和扫描截面，如图3.37，用【异形孔向导】在轴承槽端面上打M8 的螺纹孔，如图3.38，【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，分别建立基准轴1 和2，圆周阵列螺纹孔，等间距，孔数为6，如图3.39。
⑧ 用【拉伸切除】命令在顶面凸台上打d=13mm 起盖螺钉孔和销孔，在凸台上打d=17mm 螺栓孔，在底板上打d=18mm 地脚螺钉孔。
⑨ 用【插入】-【参考几何体】-【基准面】命令在箱体后端面建立一个45°平面作为基准，如图3.40，用【拉伸】命令构造凸台，如图3.41，在凸台上打油标尺M12 的螺纹孔。在后端面上拉伸的d=30mm 的凸台，在凸台上打M20 的油塞孔。用【倒圆角】对箱体各处进行R=10mm 倒圆角，完成建模，如图3.42。
图3.22 箱体主视图
图3.23 箱体俯视图
图3.24 箱体左视图
图3.25 拉伸长方体 3.26 长方体的抽壳
图3.27 拉伸凸缘 图3.28 拉伸底板
图3.29 拉伸切除通糟 图3.30 拉伸轴承座
图3.31 拉伸凸台 图3.32 拉伸切除轴承安装槽
图3.33 建立两个基准图 3.34 轴承座加强筋
图3.41 拉伸油标尺凸台 图3.42 箱体三维建模
Ⅱ、箱盖的三维建模
根据减速器箱盖二维工程图进行建模，如图3.43，图3.44,图3.45。
① 【拉伸】构造箱盖的大体轮廓，如图3.46，【抽壳】命令，选壁厚为8mm ,选择底面为去除材料面，如图3.47，在去除材料面【拉伸】凸缘，厚度为12mm,如图3.48，在凸缘上【拉伸】出轴承座（图3.49）和凸台(图3.50)，【拉伸切除】打52mm 和80mm 的轴承安装槽,如图3.51。
② 【镜像】，选择凸台、轴承座和轴承安装槽为对象，选择箱体对称面为基准面，构造另一侧，如图3.52。
③ 【筋】命令，构造吊耳，选择箱盖的对称面做草图，如图3.53。 ④ 用【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1，用【异形孔向导】选择在轴承侧面打M8 的螺纹孔，【圆周阵列】选择基准轴1 为旋转轴，螺纹孔为阵列对象，数目选择为6，如图3.54。
⑤ 【拉伸切除】在吊耳上打10mm 的孔，在凸缘上打四个13mm 的起盖螺钉孔，在凸台上打六个17mm 螺栓通孔，再【旋转切除】出两个8mm 销孔。
⑥ 选择箱盖上表面为基准面，先【拉伸】出90X60 的，厚度为4mm 的凸台，如图3.55，再【拉伸切除】出观察孔，如图3.56，再在观察盖凸台上【异形孔向导】打四个M6 螺纹孔。
⑦ 【倒圆角】、【倒角】命令，对箱盖进行R5mm 和1mm 的倒角，完成建模，如图3.57。
图3.43 箱盖的主视图
图3.44 箱盖的俯视图
图3.45 箱盖的左视图
图3.46 构造大体轮廓 图3.47 抽壳
图3.48 拉伸凸缘图 3.49 拉伸轴承座
图3.50 拉伸凸台 图3.51 拉伸轴承槽
图3.52 镜像凸台凸缘 图3.53 建立吊耳
图3.54 整列M8 螺纹孔 图3.55 拉伸观察盖凸台
图3.56 拉伸切除观察 图3.57 箱盖的三维建模
3.1.3 对轴承的三维建模
Ⅰ.保持架：
① 【拉伸】选择任意基准面，在草图上画一个内径为38mm 和外径40mm 的圆环，对称拉伸，拉伸厚度为5mm，如图3.58。
② 【旋转】，对称拉伸面作为基准面，画通过中心的虚线为旋转轴，画直径12mm 的半圆为旋转截面，如图3.59，用【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1，【圆周阵列】命令，选择基准轴1 为旋转轴，阵列对象为旋转、拉伸出的实体，如图3.60，【旋转切除】，仍然选择对称拉伸面为基准面，在刚才旋转出的圆体内切出一个空心为8mm 的球体，如图3.61，然后再次整列空心球体。【拉伸切除】切掉圆环外多余的材料，即完成建模，如图3.62。
图3.58 拉伸圆环 图3.59 旋转球体
图3.60 整列球体 图3.61 旋转切除
图3.62 保持架的三维建模
Ⅱ.滚动体：
【旋转】，选择任意基准面，画出虚线旋转轴，半径为4mm 的半圆截面，如图，3.63，完成建模，如图3.64。
Ⅲ.内圈、外圈：
【旋转】，选择任意基准面，画出虚线旋转轴，画出内圈外圈的截面草图如图3.65 和图3.66，即完成建模如图3.67 和图3.68。
图3.63 旋转拉伸滚动体 图3.64 滚动体的三维建模
图3.65 外圈的草图 图3.67 外圈的三维建模
图3.66 内圈的草图 图3.68 内圈的三维建模
3.1.4 油标尺、观察盖、油塞和通孔器的三维建模
1.端盖：
① 【旋转】命令，任意选择基准面，建立选线基准轴，画出端盖的截面草图，旋转得到实体，如图3.69。
② 用【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准
轴1，【拉伸切除】在端盖上打9mm 的孔，【圆周阵列】命令，基准轴1 为旋转轴，9mm 的孔为阵列对象，数目为6，完成建模，如图3.70。
图3.69 端盖的旋转草图 图3.70 端盖的三维建模
2.油标尺：
① 【旋转】，任意选择基准面，建立选线基准轴，画出油标尺的截面草图，旋转得到实体，如图3.71。
② 在螺纹面，【插入】-【注释】-【装饰螺纹线】，选择Ｍ１２螺纹，完成建模，如图3.72。
图3.71 油标尺的旋转草图 图3.72 油标尺的三维建模
3.观察盖：
① 【拉伸】厚度为4mm,长X 宽为60Ｘ90 的实体，如图3.73。 ② 【拉伸切除】在观察盖4 个角切4 个7mm 的通孔。
③ 在观察盖上【拉伸】凸台，【异形孔向导】在凸台上打M12 的螺纹孔。 ④ 对4 条侧棱进行【倒圆角】R10mm.完成建模，如图3.74，
图3.73 拉伸观察盖 图3.74 观察盖的三维建模
4.油塞: ① 【拉伸】,任意选择基准面，在草图上画六边形，完成拉伸。
② 用【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1【旋转切除】切出螺帽的形状，选择中间对称面画1.5X1.5 的直角三角的旋转截面，选择基准轴1 为旋转轴，如图3.75。
③ 【拉伸】构造剩下的实体，在待加工螺纹面，【插入】-【注释】-【装饰螺纹线】，完成建模，如图3.76。
图3.75 螺帽旋转切除 图3.76 油塞的三维建模
5.通气器：
① 【拉伸】,任意选择基准面，在草图上画六边形，完成拉伸，如图3.76。 ② 用【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1【旋转切除】切出螺帽的形状，选择中间对称面画1.5X1.5 的直角三角的旋转截面，选择基准轴1 为旋转轴。
③ 【拉伸】构造剩下的实体，在待加工螺纹面，【插入】-【注释】-【装饰螺纹线】。
④ 【拉伸切除】打两个交叉的4mm 的通孔，完成建模，如图3.77。
图3.76 螺帽拉伸 图3.77 通气器三维建模
第四章减速器的装配和仿真
4.1 减速器的装配
装配是将各种零件模型插入到装配体文件中，利用零件的相应结构来限制各零件的相对位置，使构成机构的某部分，或者是一个完整的机构或机器。Solidworks 允许用户在装配体文件中插入数目众多的零件进行组装配合。
4.1.1 轴承的装配
首先组装轴承，【新建装配体】。
【插入】：内圈，外圈，保持架，滚动体，如图4.1。
【配合】：选择滚动体和保持架的小圈内圈，同心约束，【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1，【圆周整列】，选择基准轴1 为旋转轴，滚动体为阵列对象，数目为12个。【配合】内圈与保持架同心、对称面重合约束，外圈与保持架同心、对称面重合约束，完成轴承的装配，如图4.2。
图4.1 轴承的爆炸视图 图4.2 轴承的装配体
4.1.2 小齿轮轴的装配
接着装配小齿轮轴，在完成轴承的装配基础上。
【插入】：小齿轮轴，V 带轮和减速器联接键，套筒，如图4.3。 【配合】：
① 小齿轮轴和套筒同心、面重合约束。
② 轴承和小齿轮轴同心约束，与套筒面重合约束。利用小齿轮的对称面【镜像】第二轴承。
③ V 带轮和减速器联接键和键槽面重合、同心、对称面重合约束。
图4.3 小齿轮轴的爆炸视图
4.1.3 齿轮轴的装配
装配完小齿轮轴，装配齿轮轴。
【插入】：齿轮轴的轴承的保持架、内圈、外圈、滚动体，完成轴承的装配，再插入轴、齿轮、齿轮和轴联接键、轴和联轴器联接键、套筒，如图4.4。
【配合】：
①轴和联轴器联接键、齿轮和轴联接键和轴的键槽面重合、同心、对称面重合约束。
②齿轮键槽与齿轮和轴联接键面平行约束，轮毂与轴同心约束，齿轮侧面与轴肩面重合约束。
③套筒和轴同心重合，与齿轮面重合约束。
④轴承与轴同心重合，与套筒面重合约束，利用大齿轮的对称面为基准， 【镜像】轴承，完成装配。
图4.4 齿轮轴的爆炸视图
4.1.4 齿轮轴与箱体的装配
完成两个轴的装配，把轴安装进齿轮箱体内。 【插入】：箱体如图4.5。 【配合】： ① 约束。 ② 束。 大齿轮轴上的轴承与轴承安装槽同心重合，大齿轮和箱的对称面重合约小齿轮轴上的轴承与轴承安装槽同心重合，大齿轮和箱体的对称面重合
图4.5 轴和箱体的装配图
4.1.5 箱盖、端盖、观察盖等的装配
盖上箱盖，安装上一系列的附件，完成齿轮箱大体装配。
【插入】：箱盖、端盖、观察盖、通孔器、油塞、油标尺，如图4.6。 【配合】：
①
箱盖与箱体对称面重合、接触面面重合、同心约束。
②
端盖与箱体同心约束，与轴承座的对称面重合，与箱体接触面重合约束。 ③
观察盖和箱盖接触面重合、对称面重合约束。 ④
通孔器于观察盖面重合、同心约束。 ⑤ 油塞和油标分别与箱体面重合、同心约束。
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图4.6 箱盖、端盖、观察盖等的爆炸视图
4.1.6 M
6、M8 螺钉的装配
完成箱体大体装配，装上螺钉固定。 【插入】： M6 螺钉，M8 螺钉，如图4.7。 【装配】：
① M6 螺钉与观察盖接触面重合、同心约束。
② M8 螺钉与轴承端盖接触面重合、同心约束，【镜像】，利用箱体对称面分别镜像大小轴承端盖上的螺钉，【插入】-【参考几何体】-【基准轴】命令，选择圆柱面，建立基准轴1，在每个端盖上分别用【圆周整列】，选择每个轴的基准轴为旋转轴，数目为6，完成M8 螺钉的装配。
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图4.7 M
6、M8 螺钉的爆炸视图
4.1.7 销、螺栓和起盖螺钉的装配
装好端盖螺钉，开始安装销和螺栓。
【插入】：销、M16（螺栓、螺母、垫片）、M12（螺栓、螺母、垫片），如图4.8。
【装配】：
①
销和销孔同心约束，销基准面和箱体凸缘底面重合约束。
② M12 螺钉与箱盖接触面重合，螺钉与螺纹孔同心约束；垫片与螺钉同心约束，与箱体凸缘下底面面接触；螺母与螺钉的同心约束，与垫片面重合约束。 ③ M16 螺钉与箱盖接触面重合，螺钉与螺纹孔同心约束；垫片与螺钉同心约束，与箱体凸缘下底面面接触；螺母与螺钉的同心约束，与垫片面重合约束。 ④ 将M12 和M16 装配好箱盖的一半，用【镜像】命令，选择箱盖的对称面为基准面，镜像所选螺钉和螺栓等，完成装配，如图4.9。
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图4.8 螺栓和销的爆炸视图
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图4.9 减速器的装配体
4.2 干涉检查
装配完成后，进行零部件之间的干涉检查，以检查装配体有无干涉及干涉位置。步骤：
（1）单击装配体工具栏上的【干涉检查】。 （2）选择需要干涉检查的零部件。
（3）单击【计算】，在结果中即会显示干涉的位置及大小。
（4）存在干涉，使用零部件中的碰撞检查，对干涉的位置进行调整，对干涉零件的尺寸或者位置进行调整，完后再进行（1）的步骤，直到干涉检查结果显示无即可。
通过干涉检查，发现减速器存在的干涉主要是螺纹干涉和齿轮干涉，螺纹干涉，螺纹是固定的，不参与减速器运动，螺纹干涉被忽略不计，齿轮干涉通过碰撞干涉旋转齿轮的位置进行调整，直至消除齿轮干涉，如图4.10。
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图4.10 干涉检查
4.3 Cosmosmotion 插件介绍
Cosmosmotion 三维运动仿真软件，如图4.11，它可以对复杂机构进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各个零部件的运动情况，包块能量、动量、位移、速度、加速度、作用力和反作用力等结果，并能以动画、图表、曲线等形式输出；还可以将零部件在复杂运动情况下的载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中，从而进行正确的强度分析。
允许工程师通过虚拟的产品模型很容易地模拟装配体的复杂运动，保证准确的设计，排队产品设计错误。
图4.11 Cosmosmotion 插件界面
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4.3.1 Cosmosmotion 运动仿真
1) 加载Cosmosmotion:【工具】－【插件】－【COSMOSMotion 2008】，运行插件。
2) 【打开】减速器装配体，点击箱盖，选择【隐藏零部件】，点击【旋转零部件】命令，选择【碰撞检查】，检查范围选择为【这些零部件之间】：大齿轮和小齿轮轴，选上【碰撞时停止】，旋转小齿轮轴，直至小齿轮轴不与大齿轮发生齿面重合为止，选择确定，如图4.12。
3) 单击齿轮轴，选择【隐藏零部件】，单击【配合】-【机械配合】，选择齿轮轮毂和小齿轮轴，点击【齿轮】，比率选为4：1，反转，确定即可，如图4.13。
图4.12 旋转零部件界面 图4.13 齿轮配合界面
4）自由旋转小齿轮轴，大齿轮随即啮合运动，【新建运动算例】-【COSMOSMotion】-【马达】-【旋转马达】，对高速轴添加旋转方向，以及转速为382.4RPM,点击确定后，选定运动时间为8s，点击【计算】即可开始模拟。计算完成后，即可在截面上看到齿轮啮合运动的图像，如图4.14。 5）【保存】即可输出运动动画。
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图4.14 齿轮啮合运动图
参考文献
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