SolidWorks軟件在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用*

陳賽克

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

1 概 述

機(jī)械原理課程是大學(xué)本科機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它具有很強(qiáng)的工程性、實踐性和應(yīng)用性，對培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計意識和解決問題的能力具有重要的作用。機(jī)械原理課程教學(xué)中涉及大量的機(jī)構(gòu)運動分析以及運動設(shè)計的內(nèi)容，目前對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動、動力分析的主要方法有圖解法和解析法。圖解法的特點是形象直觀，但大都是用于構(gòu)件少的平面簡單機(jī)構(gòu)，通常只是對機(jī)構(gòu)運動到某幾個特定位置進(jìn)行分析，且精度差。解析法的特點是可以獲得精確的計算結(jié)果，但由于機(jī)構(gòu)的多樣性和組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件尺寸參數(shù)的復(fù)雜性，教學(xué)模型的建立和計算程序的編制相當(dāng)繁瑣，更難將分析結(jié)果在課堂上用圖表的方式形象直觀地展現(xiàn)出來，這在很大程度上影響到這門程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

實踐表明，在教學(xué)中適當(dāng)引入工程類軟件如SolidWorks對課程中涉及的一些復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真，不僅可以把一些抽象的概念、原理轉(zhuǎn)化成為生動形象的內(nèi)容，直觀地表達(dá)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，顯示機(jī)構(gòu)的運動過程，而且還可以分析機(jī)構(gòu)的運動學(xué)或動力學(xué)特性，具有直觀易懂的優(yōu)點，彌補傳統(tǒng)教學(xué)中的不足。同時，結(jié)合現(xiàn)實生產(chǎn)或生活中各種常見機(jī)械的結(jié)構(gòu),將其形象直觀地展現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這在增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念 ,提高其創(chuàng)新設(shè)計能力方面有著很大促進(jìn)作用。

SolidWorks造型的最大特點是尺寸驅(qū)動，零件和裝配體相互關(guān)聯(lián)，為有機(jī)整體。此特點在分析構(gòu)件尺寸等參數(shù)變化對機(jī)構(gòu)運動特性的影響時尤為有用。當(dāng)某個零件的尺度參數(shù)需修改時，只需對尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，不需重新造型和裝，之前建好的裝配體會隨著零件的修改自動更新。這時再進(jìn)行新的運動仿真，就可以獲得修改參數(shù)后的結(jié)果。

2 應(yīng)用實例

2.1 雙重周轉(zhuǎn)輪系[1]

雙重周轉(zhuǎn)輪系其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有雙重系桿，輪系中至少有一個行星輪同時要繞著兩個運動的軸線轉(zhuǎn)動。這增加了對此類復(fù)雜組合輪系運動分析和傳動比計算的難度。圖1、2為用于隧道掘進(jìn)機(jī)的雙重周轉(zhuǎn)輪系，輪系中的齒輪5，在自轉(zhuǎn)同時還要繞O1-O1軸線和O-O軸線轉(zhuǎn)動。按照周轉(zhuǎn)輪系傳動比通用計算方法來計算，不僅計算較麻煩，而且很容易出差錯。

根據(jù)圖1所示的該周轉(zhuǎn)輪系的運動簡圖及輪系中各齒輪的齒數(shù)、模數(shù)等數(shù)據(jù)，利用SolidWorks創(chuàng)建該輪系的虛擬樣機(jī)?？紤]到創(chuàng)建虛擬樣機(jī)的目的只是進(jìn)行運動仿真，而不是進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，故在建立虛擬樣機(jī)時，只要滿足機(jī)構(gòu)的尺度和運動副要求即可。

首先，建立該周轉(zhuǎn)輪系中主要零件如齒輪、轉(zhuǎn)軸的模型。創(chuàng)建齒輪模型可利用SolidWorks的toolbox插件中的齒輪造型工具，只需輸入模數(shù)、齒數(shù)、軸徑等參數(shù)后，就會自動完成直齒圓柱外齒輪或內(nèi)齒輪的造型。而轉(zhuǎn)軸可以造型一個圓柱體代替之。然后創(chuàng)建裝配體，即根據(jù)零件間的連接關(guān)系(即運動副)將所有的零件裝配在一起。裝配時通過添加適當(dāng)?shù)呐浜详P(guān)系，會自動映射成相應(yīng)的運動副，如轉(zhuǎn)動副是通過添加重合配合和同心配合來實現(xiàn)，1個同心配合和1個重合配合映射成1個轉(zhuǎn)動副；齒輪副是通過添加機(jī)械配合中的齒輪配合，選擇相嚙合的兩個齒輪的分度圓來實現(xiàn)。這樣創(chuàng)建好的雙重周轉(zhuǎn)輪系的裝配體見圖2所示。

圖1 雙重周轉(zhuǎn)輪系運動簡圖 圖2 雙重周轉(zhuǎn)輪系虛擬樣機(jī)

利用motion插件對建好的裝配體進(jìn)行運動仿真，不僅可顯示該輪系的整個運動過程，得到的各輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到實現(xiàn)傳動比計算的目的，而且還可將整個運動過程記錄下來，存為AVI格式，供多媒體課件制作使用。通過逼真的動畫演示，能使學(xué)生對該復(fù)雜輪系運動過程一目了然，大大提高學(xué)生的形象思維能力。

2.2 齒輪連桿機(jī)構(gòu)

在工程實踐中，齒輪連桿機(jī)構(gòu)是種類最多，應(yīng)用廣泛的一種組合機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)較復(fù)雜的運動規(guī)律和軌跡。

2.2.1齒輪五桿機(jī)構(gòu)[2]

鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線比傳統(tǒng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的更為復(fù)雜，形式更加多樣化。但由于它具有兩個自由度，運動時，需要其中兩根桿件作為驅(qū)動構(gòu)件。為此，往往與齒輪傳動進(jìn)行組合，形成齒輪連桿機(jī)構(gòu)，這樣，機(jī)構(gòu)的自由度只有一個。教科書上往往只是給出了這種機(jī)構(gòu)的解析表達(dá)式，從中可以看出，機(jī)構(gòu)各桿件的長度、初始相位角、齒數(shù)比等參數(shù)對連桿曲線均有影響，難于用圖表的方式展現(xiàn)出來，看不到直觀的結(jié)果。即使用圖解法來展示，以增加學(xué)生的直觀認(rèn)識，也只能對機(jī)構(gòu)運動到某些特定位置時進(jìn)行分析，而且精度也因制圖誤差難以保證。

按上述同樣的方式，基于SolidWorks平臺，建立齒輪五桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)(如圖3)，進(jìn)行運動仿真，分析各種參數(shù)對連桿曲線的影響。例如，在取兩齒輪的齒數(shù)比為1，機(jī)構(gòu)如圖3(b)所示，兩連架桿的初始相位角為0°，改變曲柄長度，而其余桿長不變的條件下的運動仿真結(jié)果表明，隨著曲柄(主動件)長度的增大，連桿C點的軌跡曲線輪廓逐漸增大，由扁平的類似橢圓形向近似圓形過渡；當(dāng)兩連桿的長度差別不大，以及兩曲柄的長度也相近時，C的軌跡曲線便接近于圓，如圖4所示。

如去掉圖3(b)中的惰性輪，將機(jī)構(gòu)改成圖3(a)的形式，這時，兩齒輪的轉(zhuǎn)動方向相反。在其它條件不變的情況下，C點的軌跡則變成了近視倒8字形，如圖3(a)所示。且隨著曲柄長度的增大，倒8字形的形狀會由細(xì)窄變寬大。同學(xué)們看見機(jī)構(gòu)參數(shù)變化，會引起連桿曲線會發(fā)生如此神奇的變化，深深感受到尺度等參數(shù)在機(jī)構(gòu)原理設(shè)計中的重要作用。

圖3 齒輪五桿機(jī)構(gòu)裝配體

圖4 曲柄長度對C點運動軌跡的影響

2.2.2三齒輪連桿機(jī)構(gòu)[3]

三齒輪連桿機(jī)構(gòu)圖5所示，它可實現(xiàn)間歇瞬時停歇運動，常用在食品包裝機(jī)械中。如包裝材料的供送及無需定位的切斷，糖果的拉條成型及切斷分割等，均需要執(zhí)行構(gòu)件作間歇瞬時停歇運動來滿足這樣的動作要求。這種機(jī)構(gòu)由齒輪機(jī)構(gòu)及四桿機(jī)構(gòu)組合而成，圖中曲柄AB為主動件?；剞D(zhuǎn)副B、C、D上分別裝有三個直齒圓柱齒輪。齒輪1與曲柄固連，即齒輪1跟隨曲柄一起繞回轉(zhuǎn)副A作勻速轉(zhuǎn)動。齒輪3為輸出件。由于齒輪1不會繞其輪心B轉(zhuǎn)動，使得齒輪的嚙合傳動形式有了很大變化，齒輪3會出現(xiàn)三種不同的運動規(guī)律：①不等速單向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向與輪1

的相同；②在作單向不等速轉(zhuǎn)動期間會出現(xiàn)一次瞬時停歇現(xiàn)象；③在作單向不等速轉(zhuǎn)動期間會出現(xiàn)兩次瞬時停歇，并在這兩次瞬時停歇期間作反向轉(zhuǎn)動，即出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。正是由于運動的復(fù)雜性，以往教學(xué)無法演示其運動過程，只給出其解析式，在很大程度上影響學(xué)生對這種機(jī)構(gòu)的認(rèn)識與理解。應(yīng)用SolidWorks motion 模塊對創(chuàng)建的機(jī)構(gòu)裝配體(見圖6)進(jìn)行運動仿真，通過逼真的運動展示，和得到的各種運動參數(shù)，如速度、加速度、位移等，可獲得良好的教學(xué)效果。

圖5 三齒輪連桿機(jī)構(gòu)運動簡圖 圖6 三齒輪連桿機(jī)構(gòu)裝配體

3 結(jié) 語

使用SolidWorks軟件對機(jī)械原理課程中所涉及的復(fù)雜機(jī)構(gòu)或組合機(jī)構(gòu)建立其裝配體，并利用其motion插件進(jìn)行運動仿真，不僅可以獲得機(jī)構(gòu)的各種運動參數(shù)，如速度、加速度、位移等，使學(xué)生能夠更好地掌握與理解機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律或運動特性，而且還可以將機(jī)構(gòu)的運動過程以AVI格式保存，供多媒體課件制作使用。通過逼真的動畫演示，能使學(xué)生對其運動過程一目了然，大大提高學(xué)生的形象思維能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳賽克，凌 軒.基于SolidWorks雙重周轉(zhuǎn)輪系的運動仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(5)：1-2.

[2] 陳賽克，凌 軒.基于SolidWorks的齒輪五桿機(jī)構(gòu)運動仿真[J]. 機(jī)械，2011(12)：27-29.

[3] 陳賽克，凌 軒. 基于SolidWorks齒輪連桿機(jī)構(gòu)的運動仿真[J] .食品與機(jī)械，2012(6):177-179.