基于Solidworks外啮合齿轮泵的动态仿真
2022-06-09
摘 要：文章通过对外啮合齿轮泵的的工作原理及结构进行分析，运用SolidWorks软件实现三维建模、虚拟装配。通过SolidWorks的模拟模块对齿轮泵的运动进行模拟计算，利用Animator插件动态仿真齿轮泵的工作过程。采用爆炸视图模块生成爆炸视图路径，结合Animator插件动态演示齿轮泵零部件的装配关系及过程。它使学生对外啮合齿轮泵工作过程和结构有了更直观的认识，为后续的计算机辅助教学提供了技术支持。
关键词：外啮合齿轮泵;三维建模;动态仿真
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0096-02
齿轮泵是液压系统中常用的液压泵，通过一对相互啮合的齿轮将电动机所输出的机械能转化为液压能的能量装置。在机床或其他机械的液压系统中作为提供一定流量、压力的液压能源。齿轮泵广泛应用于工程机械、工业专用车辆、石油机械等行业和领域。通过齿轮泵的运转将机械设备的润滑系统输送润滑油。作为液压系统的典型设备，为了使学生在教学中对其结构和工作过程有直观而清晰地认识，本文提出了利用SolidWorks软件对外啮合齿轮泵进行三维建模及动态仿真。以动画视频的形式辅助教学，使教学内容生动形象，极大激发学生的学习兴趣，从而提高教学质量，为信息化教学奠定了基础。
1 齿轮泵的工作原理
齿轮泵按其结构不同可分为外啮合和内啮合两大类。其中外啮合齿轮泵是应用最广泛的一种，由两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，内部类似“8”字形，安装在壳体内，且齿轮的外径及端面与壳体紧密配合。传送介质从进油口进入，随着参数相同的两个主、从动齿轮在泵体内做啮合运动，最后从出油口排除，将介质的压力转化成机械能进行做功。随着驱动轴的不间断转动，泵就不间断地排除流体。
2 基于Solidworks齿轮泵的三维建模及虚拟装配
本文采用SolidWorks软件对外啮合齿轮泵进行三维实体建模。齿轮泵主要由齿轮泵前盖、后盖、基座、传动轴装配体、支撑轴装配体、紧固件等构成。由于其零部件较多，限于篇幅，就不详细介绍了。Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图;其次利用拉伸、旋转、切除、特征扫描、放样等命令完成零件的基本特征造型;最后利用倒角、圆角等命令完成局部造型。
2.1 传动轴的虚拟装配
点击新建装配体，先插入传动轴，然后将圆柱齿轮、长平键、短平键、添加进来，用轴线重合、面重合、宽度配合完成传动轴的装配，如图1所示。
2.2 支撑轴的虚拟装配
点击新建装配体，先插入支撑轴，然后将圆柱齿轮添加进来，用轴线重合、面重合完成传动轴的装配，如图2所示。
2.3 齿轮泵的虚拟装配
新建装配体，在SolidWorks装配体界面插入基座，利用整体坐标与局部坐标原点重合，将基座作为机架固定[1]。
然后将齿轮泵前盖添加进来，通过同轴心和面重合的关系完成前盖与基座的配合。
再依次插入支撑轴装配体和传动轴装配体，利用同轴心和面重合，将传动轴及支撑轴装配体装入齿轮泵基座内。
由于齿轮泵为外啮合式，传动轴、支撑轴装配体装配到基座内，还需添加一个齿轮配合，满足主、从动齿轮外啮合时传动比i=1。最后依次将后盖、压紧螺母、锥齿轮、垫片、螺母、螺钉等紧固件添加进来，采用同轴心、面重合、宽度配合依次装配，齿轮泵装配体[2]，如图3所示。
3 齿轮泵的动态仿真
3.1 干涉检查
在进行齿轮泵动态仿真之前，首先对零部件进行干涉检查。在装配体模式下进行干涉检查，系统生成干涉分析结果，该结果可以对相关结构的参数进行优化处理。
3.2 动态仿真
在装配体模式下，单击“模拟” →“旋转马达”，拾取主动轮内孔边线，确认此次操作。然后点击“模拟” →“计算模拟”。再启动Animator插件，单击菜单“工具”→“插件”，单击Animator前的选项栏。
在生成齿轮泵仿真动画时，用Animator插件对零部件实现以下步骤的操作：①切换到动画界面;②点击Animator插件上的动画向导图标，在动画类型对话框里选择“物理模拟”。这样就实现了齿轮泵工作的动态仿真[3]。
为了加深学生对齿轮泵内部结构的理解，在装配体模式下点击爆炸视图，按照零部件装配的先后顺序生成爆炸视图路径。再启动Animator插件，将视图切换到动画界面，点击动画向导，在动画类型对话框里选择“爆炸视图”。这样就生成了齿轮泵爆炸视图的动画。仿真动画以AVI格式保存，使学生对齿轮泵的工作原理及内部结构有了直观认识，这为后续的计算机辅助教学提供了技术支持。
4 结 语
①利用Solidworks软件实现了齿轮泵的三维特征建模。在装配体环境下，采用多种配合关系，实现了齿轮泵的动态装配。
②通过Solidworks装配体界面下的“模拟”模块，对齿轮泵的运动进行模拟计算，并结合Animator插件对其工作过程进行动态仿真。
③通过Solidworks装配体界面下的爆炸视图模块，按照零部件装配的先后顺序生成爆炸视图路径。利用Animator插件，动态演示齿轮泵零部件的装配关系及过程，使学生对齿轮泵结构有了更深的认识。
参考文献：
[1] 叶修梓，陈超祥.SolidWorks基础教程：零件与装配体[M].北京：机械工业 出版社，2009.
[2] 胡仁喜，王克印.SolidWorks2012中文版标准实例教程[M].北京：机械 工业出版社，2012.
[3] 江洪.SolidWorks动画演示与运动分析解析[M].北京：机械工业出版社，
2005.
关键词：外啮合齿轮泵;三维建模;动态仿真
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0096-02
齿轮泵是液压系统中常用的液压泵，通过一对相互啮合的齿轮将电动机所输出的机械能转化为液压能的能量装置。在机床或其他机械的液压系统中作为提供一定流量、压力的液压能源。齿轮泵广泛应用于工程机械、工业专用车辆、石油机械等行业和领域。通过齿轮泵的运转将机械设备的润滑系统输送润滑油。作为液压系统的典型设备，为了使学生在教学中对其结构和工作过程有直观而清晰地认识，本文提出了利用SolidWorks软件对外啮合齿轮泵进行三维建模及动态仿真。以动画视频的形式辅助教学，使教学内容生动形象，极大激发学生的学习兴趣，从而提高教学质量，为信息化教学奠定了基础。
1 齿轮泵的工作原理
齿轮泵按其结构不同可分为外啮合和内啮合两大类。其中外啮合齿轮泵是应用最广泛的一种，由两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，内部类似“8”字形，安装在壳体内，且齿轮的外径及端面与壳体紧密配合。传送介质从进油口进入，随着参数相同的两个主、从动齿轮在泵体内做啮合运动，最后从出油口排除，将介质的压力转化成机械能进行做功。随着驱动轴的不间断转动，泵就不间断地排除流体。
2 基于Solidworks齿轮泵的三维建模及虚拟装配
本文采用SolidWorks软件对外啮合齿轮泵进行三维实体建模。齿轮泵主要由齿轮泵前盖、后盖、基座、传动轴装配体、支撑轴装配体、紧固件等构成。由于其零部件较多，限于篇幅，就不详细介绍了。Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图;其次利用拉伸、旋转、切除、特征扫描、放样等命令完成零件的基本特征造型;最后利用倒角、圆角等命令完成局部造型。
2.1 传动轴的虚拟装配
点击新建装配体，先插入传动轴，然后将圆柱齿轮、长平键、短平键、添加进来，用轴线重合、面重合、宽度配合完成传动轴的装配，如图1所示。
2.2 支撑轴的虚拟装配
点击新建装配体，先插入支撑轴，然后将圆柱齿轮添加进来，用轴线重合、面重合完成传动轴的装配，如图2所示。
2.3 齿轮泵的虚拟装配
新建装配体，在SolidWorks装配体界面插入基座，利用整体坐标与局部坐标原点重合，将基座作为机架固定[1]。
然后将齿轮泵前盖添加进来，通过同轴心和面重合的关系完成前盖与基座的配合。
再依次插入支撑轴装配体和传动轴装配体，利用同轴心和面重合，将传动轴及支撑轴装配体装入齿轮泵基座内。
由于齿轮泵为外啮合式，传动轴、支撑轴装配体装配到基座内，还需添加一个齿轮配合，满足主、从动齿轮外啮合时传动比i=1。最后依次将后盖、压紧螺母、锥齿轮、垫片、螺母、螺钉等紧固件添加进来，采用同轴心、面重合、宽度配合依次装配，齿轮泵装配体[2]，如图3所示。
3 齿轮泵的动态仿真
3.1 干涉检查
在进行齿轮泵动态仿真之前，首先对零部件进行干涉检查。在装配体模式下进行干涉检查，系统生成干涉分析结果，该结果可以对相关结构的参数进行优化处理。
3.2 动态仿真
在装配体模式下，单击“模拟” →“旋转马达”，拾取主动轮内孔边线，确认此次操作。然后点击“模拟” →“计算模拟”。再启动Animator插件，单击菜单“工具”→“插件”，单击Animator前的选项栏。
在生成齿轮泵仿真动画时，用Animator插件对零部件实现以下步骤的操作：①切换到动画界面;②点击Animator插件上的动画向导图标，在动画类型对话框里选择“物理模拟”。这样就实现了齿轮泵工作的动态仿真[3]。
为了加深学生对齿轮泵内部结构的理解，在装配体模式下点击爆炸视图，按照零部件装配的先后顺序生成爆炸视图路径。再启动Animator插件，将视图切换到动画界面，点击动画向导，在动画类型对话框里选择“爆炸视图”。这样就生成了齿轮泵爆炸视图的动画。仿真动画以AVI格式保存，使学生对齿轮泵的工作原理及内部结构有了直观认识，这为后续的计算机辅助教学提供了技术支持。
4 结 语
①利用Solidworks软件实现了齿轮泵的三维特征建模。在装配体环境下，采用多种配合关系，实现了齿轮泵的动态装配。
②通过Solidworks装配体界面下的“模拟”模块，对齿轮泵的运动进行模拟计算，并结合Animator插件对其工作过程进行动态仿真。
③通过Solidworks装配体界面下的爆炸视图模块，按照零部件装配的先后顺序生成爆炸视图路径。利用Animator插件，动态演示齿轮泵零部件的装配关系及过程，使学生对齿轮泵结构有了更深的认识。
参考文献：
[1] 叶修梓，陈超祥.SolidWorks基础教程：零件与装配体[M].北京：机械工业 出版社，2009.
[2] 胡仁喜，王克印.SolidWorks2012中文版标准实例教程[M].北京：机械 工业出版社，2012.
[3] 江洪.SolidWorks动画演示与运动分析解析[M].北京：机械工业出版社，
2005.