蜗杆传动的三维建模与动态仿真

    蜗杆传动是齿轮传动的一种，主要用于交错轴间传递运动和动力。最常用的是两轴交错角为90°的减速传动。与其他传齿轮动相比，蜗杆传动传动比大，传动平稳可靠，噪声小，可实现反向自锁。但是由于蜗杆传动属于滑动摩擦且速度较大，因而传动效率低。在平面绘图中，只能用分度圆、齿顶圆、齿根圆来表示齿形，为了克服蜗杆传动平面绘图的缺点，本文提出了一种基于SolidWorks的三维实体建模方法，这样可使抽象的问题直观化。我们还可以利于Animator插件来制作动画，它能实时录制蜗杆传动机构的工作过程，增强了对蜗杆传动机构的理解。

1 蜗轮蜗杆的实体建模

    SolidWorks软件具有人性化的用户界面，操作简便，使用非常广泛。在SolidWorks的标准菜单中包含了草图绘制工具栏和特征工具栏，其中特征工具栏有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体。在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项，包括扫描、放样凸台/基体等。合理运用上述特征造型技术就能设计出蜗杆传动的实体模型。

    由于阿基米德蜗杆最为简单，且有关阿基米德蜗杆传动的一些基本知识也适用于其他型式的蜗杆传动，故下面以阿基米德蜗杆传动为例说明建模过程。

    先确定模数、中心距、传动比、蜗杆头数、变位系数等基础参数，再分别算出蜗杆和蜗轮的分度圆、齿顶圆、齿根圆的大小。然后选择“曲线”中的“螺旋线/涡状线”按钮，在蜗杆的分度圆上绘制螺旋线，在中心平面绘制齿槽轮廓线，选择“扫描切除”按钮，就能得到蜗杆模型，如图1。同理，在齿坯上先切出一个齿槽，选择“圆周阵列”按钮得到所需蜗轮，如图2。注意在设置螺旋线参数时，蜗杆和蜗轮的螺距和旋向必须相同。

图1  蜗杆实体模型

图2  蜗轮实体模型

2 蜗轮蜗杆的虚拟装配

    在虚拟装配前先设计一个机架，使它能把蜗轮蜗杆约束到所需的中心距和交错角。然后单击“新建”按钮，打开一个装配体文件，先插入机架，依次蜗轮和蜗杆，因为SolidWorks默认第一个零件是固定的，不能运动，其他的零件都是以它为装配参照体。调入零件后，选择“配合”按钮，利用同轴心、平行标准配合，精确地把蜗轮蜗杆约束在机架上，最后将机架设置成隐藏。蜗轮蜗杆的装配图如图3所示。

图3 蜗轮蜗杆装配图

3 蜗轮蜗杆动态仿真

    在动态仿真前，先在装配体中对蜗轮蜗杆进行动态模拟。单击装配体中“模拟”按钮，选择“旋转马达”，分别设置蜗轮蜗杆的旋转方向和角速度。

选择工作区底部的“动画”标签切换到动画操作界面。在SolidWorks  Animator工具栏上，单击“动画向导”按钮，选择“物理模拟”，单击“下一步”，然后设置开始时间和动画时间长度，单击“完成”。最后，点击SolidWorks  Animator工具栏左侧的“播放”按钮观看动画。还可以单击“保存”按钮可将制作的动画以AVI格式保存。

4 总结

   本文采用SolidWorks三维实体造型软件，通过定义蜗轮蜗杆的相对位置，设置蜗轮蜗杆的旋转方向和角速度以实现蜗轮蜗杆的动态仿真，使设计人员能够全方位地观察蜗轮蜗杆的运动状态。