基于SolidWorks的凸轮轴三维实体设计.docx
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基于SolidWorks的凸轮轴三维实体设计
毕业论文
论文题目:
基于solidworks的凸轮轴三位实体设计
年级专业:
2010级电气自动化
学生姓名:
杨强
指导教师:
顾旭
完成日期:
2012年10月25日
摘要
SolidWorks是一个全方位的3D产品开发软件,集合了零件设计、零件装配、模具开发、NC加工、自行测量于一身。
它采用参数化设计。
具有单一数据库。
可极大缩短人为的设计计算时间,给设计者前所未有的建议、灵活和高效。
本说明书正事鉴于SolidWorks的强大功能,详细阐述说明了SolidWorks在三维设计方面的应用情况。
本设计说明书以凸轮轴设计为实例,阐述了实用SolidWorks设计凸轮轴的全过程,这当中包括凸轮轴的结构分析,学会实用SolidWorks的各种创建特征,建零件库与二维工程图输出等多方面的工作。
重点介绍了实用SolidWorks设计凸轮轴和建零件库两方面的情况,说明了汝伦州造型的基本思路。
比较详细介绍了建零件库的主要步骤。
关键词:
SolidWorks;凸轮轴;特征;系列零件设计表
引言
目前,有多种基于不同CAD支撑软件的标准件库,每种CAD撑软件下又有不同的建库方式[1]。
例如,AutoCAD环境下的建库,是利用AutoCAD提供的图块功能,但是由于插入是不能对实体的局部尺寸进行修改,一般只用于诸如符号的简单图形库,此外,还可以利用AutoCAD提供的Autolisp,VBA等编程工具,通过编辑的方式对零件描述其图形。
这种方式可以实现参数化绘图,而且调用方便,但这种建库方式变成的工作量相当大,曾加和修改零件时都需修改程序。
这些基于AutoCAD的图形库大都是二维图形库。
三维标准库以基于SolidWorks和MDT居多。
例如,基于SolidWorks的标准件库设计可通过系列零件设计表和驱动功能,使用该表对标准件模型内的各种尺寸进行驱动。
SolidWorks还提供了许多API函数作为OLE程序借口,用户作为二次开发是可以在VisualBasic与visualC++环境下调用他们开发自己的程序,不过是用API函数出需要开发人员具备Windows编程的能力外,过程也比较复杂。
在MDT平台上建立图形库同在SolidWorks平台上相类似[2],总之,三维标准库的优点是创建尽管容易,但具体操作视不同系统而定。
SolidWorks有全面的零件实体建模功能,变量化的草图轮廓绘制,并能够自动进行动态过约束检查。
用SolidWorks拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆角等功能可以更简便地得到要设计的实体模型。
高级的抽壳可以在同一实体上定义不同的抽壳壁厚。
在用户可定义坐标系,能自动计算零部件的物性和进行可控制的几何测量。
用高级放样、扫描和曲面拱顶等功能可以生成性状复杂的构造曲面。
通过直接对曲面的操作,能控制参数曲面的形状。
通过简单地点取并延伸分型线,能生成非平面的分型面。
典型应用是模具的设计。
在三维建模上标注,标注的内容支持超级连接。
把有公共边界线的曲面缝接成单一曲面。
所有特征都可以用拖动手柄改变尺寸,并有动态的形状变化预览。
从独特的特征模板中用拖动放置的操作引用特征,变半径倒圆、指定区域倒圆、填角和圆角过渡。
特征管理器(FeatureManager)对模型捕捉设计意图,双重支持几何选择,拖动放置特征换序。
支持产品配置的控制和设计表的系列定义[3]。
本设计以SolidWorks为平台,利用其强大的参数化造型技术和SolidWorks提供的二次开发模块,建立汽车的图州轮三维实体参数化设计,以适应机车新产品的设计和开发,与CAD软件建库方案相比较,SolidWorks具有基于特征,全尺寸的约束,尺寸驱动设计修改,全数据相关等等特点,并因其基于参数化的设计思想,目前已成为业界应用最广,技术相对成熟的专业CAM软件之一[4]。
我认为应用软件因尽量采用最先进的版本从而在应用时更加直观、方便。
软件应用人员应对开应用对象和应用工具有足够的了解,以避免应用思想不明确,应用工具不能充分利用,造成不必要的资源浪费。
进行软件应用时,应不同人员负责不同模块,这样不仅节省时间,而且可使功能更加完善,所以进行合理的人员分工合作,这对缺乏开发经验的我们尤其重要。
随着社会节奏的不断加快,企业中的工程设计人员必须准确高效的设计出适合社会需求的产品,设计人员对标准件库的应用越来越广泛,从而避免了对一些标准件的频繁建模,提高了设计效率。
1汽车凸轮轴需求分析
1.1开发目标
参数化设计是SolidWorks的最基本的设计思想。
通过SolidWorks对零件参数化设计,可使得在机械设计时,对一些复杂件或性能要求高的零件、类似性大的零件不必重复建模,只要在应用时调出零件表中任意零件的名称即可产生一个照零件表所示尺寸比例的零件,从而大大提高了设计效率[5],对于企业来说,大大缩短了产品的设计周期。
企业中的工程设计人员必须准确高效地设计出适合社会需求的产品,提高了设计效率,提高了企业的市场竞争力。
1.2开发设计思想
尽量利用市场上现有的软硬件环境,采用先进的软件开发方案,从而达到充分利用现有的资源,以提高开发水平和应用效果的目的,从而提高工程设计人员的设计效率,缩短设计周期,满足工业企业使用的需要,使企业在激烈的竞争中立于不败之地。
1.3开发工具的选择
1.3.1SolidWorks简介
SolidWorks有全面的零件实体建模功能,变量化的草图轮廓绘制,并能够自动进行动态过约束检查。
用SolidWorks的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等功能可以更简便地得到要设计的实体模型。
高级的抽壳可以在同一实体上定义不同的抽壳壁厚。
在用户可定义坐标系,能自动计算零部件的物性和进行可控制的几何测量。
用高级放样、扫描和曲面拱顶等功能可以生成形状复杂的构造曲面。
通过直接对曲面的操作,能控制参数曲面的形状。
通过简单地点取并延伸分型线,能生成非平面的分型面。
典型应用是模具的设计。
在三维模型上标注,标注的内容支持超级连接。
把有公共边界线的曲面缝接成单一曲面。
所有特征都可以用拖动手柄改变尺寸,并有动态的形状变化预览。
从独特的的特征模板中用拖动放置的操作引用特征。
变半径倒圆、指定区域倒圆、填角和圆角过渡。
特征管理器(FeatureManager)对模型捕捉设计意图,双重支持几何选择,拖动放置特征换序。
支持产品配置的控制和设计表的系列定义。
其优点有:
(1)全动感的用户界面
(2)配置管理
(3)协同工作
(4)按照工程设计思路进行设计
(5)全相关性
(6)基于特征的参数化造型
(7)数据管理
(8)容易使用
1.3.2SolidWorks的功能与作用
(1)该软件可以直接画出三维图形的零件,屏幕上可以直接显示,设计尺寸、结构等方面是否合理、规范。
(2)组建设计的三维视图,方法是将该机械零件装配后,形成三维组件,通过组合键我们可以从任何一个位置或角度去观察单个零件或三维视图,如果设计结构不合理或比例失调,很容易就被发现,并对零件加以修改,既可以保证零件组合的协调性,又可避免出现零件在结构上的相互干涉,如果出现零件的相互干涉,可以与时进行修改,且在修改中极为方便,只要将尺寸结构错误的零件相应部分进行秀父爱,就能达到目的要求,这比手工绘图节省热力、物力、财力,减少浪费。
(3)计算机组件、零件重量和表面积。
当我们设计完成机器的一个零件,一个组件后,在很多时候要确定它的外形尺寸、整体重量、外表面积等外观因素。
1.3.3确定设计工具
正是SolidWorks软件本身所具有的强大功能与其优点,我最终决定使用它来完成我的毕业设计。
1.4软硬件环境的选择[6][7]
1.4.1软件环境
WINDOWS9.X、WINNT4.0(PACK3)、WINDOWS2000SERVER、WINDOWS2000STATION操作系统。
1.4.2硬件环境
本系统需在IBM或兼容机586与以上微机上运行;主机需要有16M与以上内存;硬盘需要至少有50M以上可用空间;并且配有光驱。
显示器要求VGA、SVGA、TVGA、PVGA以上彩色显示器;显示卡内存1M以上。
2凸轮轴三维实体设计
2.1凸轮轴的功用和工作条件
2.1.1凸轮轴的功用
凸轮轴是气门传动组主要零件。
它对气门的运动规律和配气系统的工作性能具有非常重要的影响。
它的基本功用是根据内燃机工作过程的需要有序有规律地开启和关闭气门。
2.1.2工作条件
凸轮轴在工作中主要承受气门间歇开闭的周期性冲击载荷。
凸轮轴与挺柱之间有很高的接触应力和相对滑动速度,而润滑条件交差,故要求凸轮轴具有足够的韧性和刚度的同时,凸轮工作表面具有高的带模型耐磨性。
2.2凸轮轴材料[8]
凸轮轴材料为HT25-47,GB976-67,冷激铸铁。
铸铁硬度HB240-280,凸轮表面硬度HRC45-55。
基圆硬度层深度1.5-3mm,表面硬度可降低5,桃尖硬度不低于HRC55。
也可用球墨铸铁作为代替。
凸轮轴化学成分见表1。
表1凸轮轴化学成分见
C
Si
Mn
S
P
Cr
Cu
3.2-3.5
1.7-2.0
0.7-0.9
<=0.12
<=0.3
0.15-0.25
0.6-0.8
2.3凸轮轴的结构
凸轮轴是气门传动组主要零件。
它对气门的运动规律和配气系统的工作性能具有非常重要的影响。
凸轮轴在工作中主要承受气门间歇开闭的周期性冲击载荷,其结构如图1所示。
图1
图2
3用SolidWorks创建凸轮轴三维实体设计步骤与过程
3.1熟悉软件环境界面
主菜单的主要功能是在制作模型时控制SolidWorks的整体环境。
其中包括这些菜单的选项:
文件、编辑、视图、插入、工具、窗口、帮助,如图3所示。
图3
图4特征工具条
图5草图绘制工具条
图6软件用户界面
3.2设计步骤与过程[9]
用拉伸、切除、扫描、旋转、倒角、倒圆角等工具设计462Q型发动机凸轮轴,其三维效果图如图7所示。
图7
3.2.1建立新文
启动SolidWorks,在主菜单中选取【文件】|【新建】选项,系统将弹出新建对话框,选中零件单选按钮,在名称文本框中输入新的文件名:
凸轮轴,模板选“零件”,单击确定,如图8。
图8
3.2.2轴段(拉伸1)进入草绘界面,开始绘图。
(1)在草图状态下,单机“草图绘制工具”中的
‘圆’命令在中心绘制一个圆;
(2)设置‘参数’——半径为13.5mm,如图9;
图9
(3)在“特征共具体”选拉伸命令
并设置程度为13mm,单击
确定,完成后如图10;
图10
(4)用鼠标单击实体的左平面,使它成为草绘平面,继续画下一段轴。
3.2.3轴颈5的制作
(1)同理,在新的工作面上画一个圆,半径设为21.925mm;
(2)拉伸长度设为12.5mm,如图11。
图11
3.2.4轴段(拉伸3)的制作
(1)同理,用鼠标单击轴颈实体的左平面,使它成为草绘平面继续画下一段轴;
(2)拉伸长度设为13.5mm,如图12。
图12
3.2.5凸轮(排气门4)的制作
凸轮是凸轮轴上的重要部分,设计要求精度比较高,我们采用图解法绘制草图,轮廓上的点有表上的数据确定[10]凸轮轴的凸轮形状直接影响气门的运动规律,因此,凸轮的升程尺寸要求是严格的,在测量凸轮的外形时,排气凸轮左侧和进气凸轮右侧在0~67°范围内升程误差不大于±0.035mm(但在零时误差不允许超过±0.025mm),且在每5°范围内,相邻升高量误差的差数不得大于0.03mm,在68°~98°范围内,误差不允许超过±0.025mm,且在每3°范围内,相邻升高量误差的差数不得大于0.013mm,排气凸轮右侧和进气凸轮左侧在0~60°范围内,升程误差不大于±0.03mm;在61°~92°范围内,升程误差不允许大于±0.025mm,且在每3°范围内,相邻升高两误差的差数不允许大于0.013mm。
(1)用鼠标单击实体的左平面,使它成为草绘平面,首先绘制凸轮的草图,以中心为圆心,基远半径R=15.5,画一个圆;
(2)用点击“草图绘制工具“中的
直线命令,以中心为起点画一条直线,在‘参数’项中设长度为R+H=15.5+5.1520=20.6520,角度为α=90°,如图13;
图13
(3)同理,做下一条直线,参数见表2,表3;
表2排气凸轮左侧(进气凸轮右侧)升程曲线表2[11]:
α(°)
升程(mm)
α(°)
升程(mm)
α(°)
升程H(mm)
0
5.1520
33
3.5352
66
0.2600
1
5.1510
34
3.4422
67
0.2500
2
5.1468
35
3.3471
68
0.2416
3
5.1392
36
3.2499
69
0.2324
4
5.1283
37
3.1506
70
0.2238
5
5.1141
38
3.0493
71
0.2152
6
5.0965
39
2.9460
72
0.2066
7
5.0756
40
2.8408
73
0.1980
8
5.0514
41
2.7337
74
0.1894
9
5.0240
42
2.6248
75
0.1808
10
4.9935
43
2.5141
76
0.1722
11
4.9600
44
2.4017
77
0.1636
12
4.9235
45
2.2876
78
0.1550
13
4.8841
46
2.1719
79
0.1464
14
4.8418
47
2.0546
80
0.1378
15
4.7967
48
1.9358
81
0.1292
16
4.7488
49
1.8156
82
0.1206
17
4.6982
50
1.6942
83
0.1120
18
4.6449
51
1.5719
84
0.1034
19
4.5889
52
1.4489
85
0.0946
20
4.5302
53
1.3254
86
0.0860
21
4.4688
54
1.2019
87
0.0774
22
4.4048
55
1.0792
88
0.0688
23
4.3382
56
0.9580
89
0.0602
24
4.2690
57
0.8390
90
0.0516
25
4.1972
58
0.7230
91
0.0475
26
4.1229
59
0.6120
92
0.0434
27
4.0461
60
0.5110
93
0.0285
28
3.9668
61
0.4250
94
0.0172
29
3.8851
62
0.3590
95
0.0099
30
3.8010
63
0.3150
96
0.0046
31
3.7146
64
0.2880
97
0.0013
32
3.6260
65
0.2720
98
0.0000
表3排气凸轮右侧(进排凸轮左侧)升程曲线表3:
α(°)
升程(mm)
α(°)
升程(mm)
α(°)
升程(mm)
0
5.152
33
3.4051
66
0.2030
1
5.151
34
3.2968
67
0.1942
2
5.147
35
3.1855
68
0.1854
3
5.140
36
3.0712
69
0.1766
4
5.130
37
2.9539
70
0.1678
5
5.117
38
2.8336
71
0.1590
6
5.1009
39
2.7104
72
0.1502
7
5.0817
40
2.5844
73
0.1414
8
5.0593
41
2.4557
74
0.1326
9
5.0036
42
2.3244
75
0.1238
10
5.0046
43
2.1906
76
0.1150
11
4.9722
44
2.0544
77
0.1062
12
4.9364
45
1.9518
78
0.0974
13
4.8972
46
1.7750
79
0.0886
14
4.8545
47
1.6320
80
0.0798
15
4.8083
48
1.4870
81
0.0710
16
4.7586
49
1.3400
82
0.0622
17
4.7054
50
1.1920
83
0.0534
18
4.6488
51
1.0440
84
0.0446
19
4.5888
52
0.8920
85
0.0358
20
4.5254
53
0.7520
86
0.0270
21
4.4587
54
0.6110
87
0.0190
22
4.3887
55
0.4800
88
0.0122
23
4.3155
56
0.3740
89
0.0069
24
4.2390
57
0.3160
90
0.0032
25
4.1593
58
0.2880
91
0.0010
26
4.0763
59
0.2700
92
0.0000
27
3.9900
60
0.2570
93
28
3.9004
61
0.2470
94
29
3.8076
62
0.2382
95
30
3.7116
63
0.2294
96
31
3.6125
64
0.2206
97
32
3.5103
65
0.2118
98
图14
(4)用电机“草图绘制工具“中的样调曲线
命令,连接以上各点;
(5)删去没有的辅助线,如直线,如图14;
(6)用点击“草图绘制工具”中的剪切
命令,完成后,如图15;
图15
(7)在草图绘制工具“选‘修改草图’项
。
设置值如图16,完成后,如图17;
图16
图17
(8)拉伸草图深度为16mm,如图18;
图18
(9)至此排气门凸轮4就画出了,其它排气门,进气门凸轮的画法类似,只不过旋转的角度不同,462Q发动机凸轮轴有四对进排气凸轮,它们按顺时针方向旋转,并按发动机的各缸工作顺序(1-3-4-2)控制进排气门开闭。
进排气门凸轮各成90°排列,如图19。
图19
表4凸轮轴上个排气凸轮与近期凸轮之间的角度
排气1
232°
进气门1
306.5°
排气2
142°
进气门2
216.5°
排气3
52°
进气门3
126.5°
排气4
-38°
进气门4
36.5°
3.2.6轴(拉伸11)
草图半径是13.5,拉伸深度是5,如图20。
图20
3.2.7凸轮(进气门4)
(1)在编辑窗口用鼠标双击实体排气门4,使其处于选中状态,同时按住Ctrl键不放,拖动凸轮实体到轴(拉伸11)左平面,此时就生成一个新的凸轮了;
(2)调整角度,在“草图绘制工具“选‘修改草图’项
,设置值为74.5°,如图21。
图21
3.2.8轴(拉伸13)
草图半径是13.5,拉伸深度是10,如图22。
图22
表5各段轴集合尺寸
属性
名称
草图半径
mm
拉伸深度
mm
拉伸1
13.5
13
拉伸5
13.5
13.5
拉伸11
13.5
5
拉伸13
13.5
10
拉伸17
13.5
13
拉伸19
13.5
7
拉伸21
13.5
7
拉伸24
13.5
11
拉伸26
13.5
5
拉伸28
13.5
10
拉伸30
13.5
13
拉伸32
13.5
5
拉伸36
13.5
3
拉伸37
12.0
30
拉伸39
13.5
4
拉伸40
13.5
4
拉伸41
11.0
20
属性
名称
草图直径
Mm
拉伸深度
mm
轴颈1
44.25
12.0
轴颈2
44.05
12.0
轴颈3
43.85
17.0
轴颈4
44.85
12.0
轴颈5
43.45
12.5
3.2.9拔模
用同样的方法绘出各段轴,数值参照上表,其中轴(拉伸40)中设置拔模斜度30°,如图23,24,25。
图23
图24
图25
3.2.10键槽
(1)在实体‘拉伸37’上开一个半圆键槽,激活右视图,使其成为草绘平面,使用放大命令
圈选实体‘拉伸37’部使其局部放大,在高出实体2mm开一个R=7.00mm的圆;
(2)在“特征工作条”选切除命令
,设置为如图26。
图26
3.2.11切除-拉伸1
草图圆半径为5mm,切除深度为22mm。
3.2.12螺纹孔
(1)在以上第十部的基础上,画一个同样的圆,在主菜单中选取【插入】-【曲线】-【螺旋线/涡旋线】,如图27、图28;
图27
图28
(2)建立“基准面1”,【插入】-【参考集合体】-【基准面】-【垂直于曲线】,选螺旋线的起点和螺旋线,单击
完成。
如图29。
图29
3.2.13切除-拉伸1
草图半径为5mm,切除深度为12mm;
3.2.14倒角1,倒角2,倒角3
在“特征工具条”选倒角工具
,选取五个支撑轴颈的曲面进行倒角;选取实体‘拉伸37’‘拉伸41’进行再次倒角;
现在已经完成凸轮轴的绘图模型,如图30。
图30
3.2.15编辑颜色
选择标准工具调中的编辑颜色命令,从编辑器中选择自己喜欢的颜色,如图31、图32。
图31
图32
3.2.16对特征命名
单击管理器中特征的名称,此时名称被激活输入熟悉的名字即可,如图33。
图33
4凸轮轴三维实体的参数化设计过程
SolidWorks软件在零件设计中提供了一个非常好的配置(configuration)功能,这个功能允许你建立一个零件而有几个不同的配置,而这个零件在不同配置中可以屏蔽不同的特征;或同样的特征在不同的配置情况下有不同的特征参数值,而这些不同的配置都被保存在同一个文件内;使用时只需选择其中任意一个配置,就可以得到想要的零件。
4.1零件配置的概念
“配置”是指在零件或装配体重通过隐藏或压缩特征(或零部件),或者用设计表控制零件的系列尺寸或参数,完成在单一文件中队零件或产品的系列化设计与队零件版本与产品结构进行管理。
具体来讲,在零件设计中应用配置,可以设计不同尺寸,特征和属性的系列化零件。
在装配体文件中,应用配置可
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部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 SolidWorks 凸轮轴 三维 实体 设计
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