基于Solid Works的双顶置凸轮轴的设计与建模研究

摘要： 本文以Solid Works为平台，利用其强大的参数化造型技术和Solid Works提供的二次开发模块，建立汽车的双顶置凸轮轴参数化设计与三维实体建模，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，Solid Works具有基于特征，全尺寸的约束，尺寸驱动设计修改，全数据相关等特点，适合标准件的建模，提高了设计效率。

Abstract： Based on the powerful meritorious service capacity， the manual detailed elaborates application situation in three dimensions design. This specification book takes the camshaft as the example， elaborate the full process of using Solid Works to design camshaft. It consists of the camshaft structural analysis， mastering how to create the different features of Solid Works， how to construct date room and two dimension engineering drawing export and so on many-sides work， Using Solid Works to design camshaft and constructing parts date room are the key of the introduction. It illustrates the fundamental train of thought of camshaft model making， detailed introduces how to construct the main step of constricting parts date room.

关键词： Solid Works；凸轮轴；参数化设计；建模

Key words： Solid Works；camshaft；parametric design；modeling

中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0036-03

0 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，Auto CAD环境下的建库，是利用Auto CAD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Auto CAD提供的Auto lisp，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Auto CAD的图形库大都是二维图形库。三维标准库以基于Solid Works和MDT居多。例如，基于Solid Works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。Solid Works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Visual Basic 及 visual C++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Solid Works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。

Solid Works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Solid Works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（Feature Manager）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Solid Works为平台，利用其强大的参数化造型技术和Solid Works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，Solid Works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]。

1 凸轮轴设计

参数化设计是Solid Works的最基本的设计思想。通过Solid Works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。

1.1 凸轮轴的功用和工作条件

1.1.1 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。

1.1.2 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。

1.2 凸轮轴材料[6] 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。凸轮轴化学成分为C含量在3.2%-3.5%，Si含量在1.7%-2.0%，Mn含量在0.7%-0.9%，S含量不大于0.12%，P含量不大于0.3%，Cr含量在0.15%-0.25%，Cu含量在0.6%-0.8%。

1.3 设计步骤及过程[7] 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，以462Q型发动机凸轮轴为例，用拉伸、切除、扫描、旋转、倒角、倒圆角等工具设计，其设计结构图和尺寸如图1和图2所示。

2 凸轮轴参数化设计过程

Solid Works软件在零件设计中提供了一个非常好的置（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。

2.1 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及队零件版本及产品结构进行管理。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，应用配置可以简化装配关系，还可以应用不同的零件配置，不同的特征参数或不同的尺寸来完成产品的系列化设计。因此，Solid Works的配置功能在当今产品的多样化和系列产品中具有重要的应用价值。

2.2 零件设计表配置概述 零件设计表实际上是一个Microsoft Excel电子表格（请在零件表设置之前，在计算机上安装Microsoft Excel 97以上软件），它同样可以在一个零件文件中控制和管理配置的内存和属性，特征的压缩状态等，生成一些列零件配置。零件设计表是用于生成和管理零件配置的，在生成零件设计表时，必须定义生成的配置名称，制定有零件设计表控制的项目及其相应的数值。

2.3 创建零件设计表的主要步骤 在主菜单中选【插入】|【系列零件设计表】|【自动生成】，如图3；然后添加特征尺寸，此时生成一个Excel 电子表格，找到各尺寸之间的关系，在电子表格输入关系式，如图4；在电子表中可以设置自己需要的零件类型，如配置1，配置2等等。

2.4 参数化设计的优点 Solid Works使用用户熟悉的特征作为产品设计集合模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按照预先设置很容易地进行修改。通过给这些特征设置参数（不但包括集合尺寸，而且包括非集合属性），然后修改参数，这样很容易进行多次设计迭代，实现产品开发[8]。在实际设计工作中，经常用到通用件或形状相似的零件，如果把这些零件逐个设计后保存，工作量很大，管理起来很不方便。Solid Works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[9]。

2.5 参数化设计中遇到问题及解决办法 要很好地应用一个新的软件来设计标准件库，首先要对该软件的基本功能有一定的了解，然后设计到具体的东西需要自己摸索。反复试验，这都需要一定的耐心和事件。要建立标准件库需要对模型零件的建模，建模时最重要的是需要考虑建模的最佳途径，从而避免在下一步的建库过程当中对零件尺寸、特征、参数等的选取拖沓、繁杂，使零件库的编辑难以进行。所以在建模当中要对模型进行分析，通过反反复复的实践，通过对大量书籍的学习，通过在实践中积累经验，从而在分析、实践、学习、经验、揣摩当中得到建模最佳途径。

3 结论

三维实体造型和参数化设计已成为现代设计的重要方法。本文利用Solid Works研究了凸轮轴的实体造型和参数化方法，实现了零件的三维实体设计，这种方法会更大程度的地提高产品设计质量和设计效率。

参考文献：

[1]张洪波.Solid works三维软件在汽车设计中的应用[J].重型汽车，2002，（1）：22-23.

[2]王能建，邱长华.标准件库和应用系统研究[J].哈尔滨工程大学学报，2000，21（4）：51-55.

[3]郑芳圃，三维参数化标准件库的研究与实现[J].计算机辅助设计与图形学报，1999，11（3）：218-220.

[4]（美）J厄尔贾维克R沙尔夫.汽车结构与构造[M].2003.

[5]《现代机械传动手册》编辑委员会.现代机械传动手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[6]王敏智，于江，王黎明.微型汽车构造使用与维修[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]赵汝嘉，曹岩.精通与提高篇[M].北京：机械工业出版社，2002.

[8]全宏工作室.Solid Works2000实用入门[M].北京：中国水利水电出版社.

[9]Parametric Technology Corporation. Solid works Modeling User， s Guide（V2000i）[Z].USA：PTC，1999.