Solidworks应用于《机械设计课程设计》课程教学

余 丽，伍 哲，施冠羽，郭文勇

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

1 引言

《机械设计课程设计》是工科类专业的一门主干技术基础课程，又是一项重要的实践教学环节，这门机械类必修实践教学课程主要培养学生分析和解决工程设计的能力［1］。为满足社会需求，积极推进教育和教学改革，以“打牢基础、通专结合、强化实践”为指导，在课程设计教学中，除具有综合应用机械基础等先修课程和查阅《机械零件手册》等设计技术资料进行简单设计的能力外，还应能结合所学熟练运用计算机辅助软件进行机械产品设计，具备机械创新设计的基本素质。

2 教学分析

2.1 课程设计内容

以“舰艇锚机系缆装置”为课程设计的设计对象，其传动原理，如图1所示。应用Solidworks软件进行虚拟设计和运动仿真。设计内容包括：根据工作条件确定电机和各级传动比，进行电机和各级齿轮传动建模，对传动系统进行运动仿真，得到传动装置的整体结构，对主要零部件进行运动分析。

图1 舰艇锚机系缆装置Fig.1 Mooring Device of Ship Windlass

该课程的教学目的是让学生能够借助所学机械方面的基础知识，设计出一套涵盖常用动力传动机构、通用机械零部件和普通连接方式的简单机械传动系统，以锻炼其机械设计和实际应用相结合的能力［2］。

通过课程设计，可以培养学生学习机械设计的一般方法，掌握常用机械零部件、机械传动装置的设计过程和方式，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料等，也是培养学生机械设计兴趣和锻炼他们机械设计能力的重要途径［3］。

Solidworks软件以其优异的设计性能、易用性和创新性，提高了机械设计的设计效率和质量，缩短了新产品的开发周期，降低了设计难度和成本，增强了设计的创新能力。

2.2 计算机辅助软件教学现状

随着计算机软件技术的发展和互联网的广泛应用，设计手段也发生了根本性变化。机械行业中所使用的虚拟仿真软件也日渐丰富，几乎囊括了从二维设计到三维实体建模、运动学仿真、动力学仿真、强度及疲劳分析等机械设计所有的方方面面。文献［4-5］联合应用Solidworks、Adams 和Ansys 三种软件对100kN 混合驱动九杆压力机和100kN六连杆机械压力机实验平台进行虚拟设计和虚拟仿真。文献［6］详细阐述了在机械专业课程教学与实践环节的实施过程中引入Solidworks、Ansys、Adams 和Matlab这四种软件。文献［7］在机械设计基础教学中引入Solidworks三维建模的教学方法，对高速潜航器中舵面结构进行优化设计。文献［8］运用Solidworks软件进行减速器三维设计及运动仿真。

各高等院校以工程软件为纽带，将机械设计基础课程有效的串联起来，让学生在学习过程中将学过的机械基础知识灵活运用到实践中，提升学生的软件应用水平的同时，又培养了他们机械设计的兴趣，还锻炼了他们机械设计的实践能力，这其中又以Solidworks应用最为广泛。Solidworks灵活的草图绘制功能、特征功能和零件装配控制功能十分强大，还可以进行静态干涉检查、动态装配干涉检查和间隙检测等，借此也能科学合理地引导学生实现“三边”设计［9］。

3 Solidworks在课程设计中应用

机械课程设计通常要进行如下4个阶段：设计准备—方案设计—技术设计—文件编制，在设计准备阶段要明确传动系统要用到的机构和具备的功能，如在该传动装置中为实现低速绞缆并正反双向传动，可考虑是用齿轮、带轮或是四杆、凸轮等机构组合来实现降速传动；在方案设计阶段要明确传动比的分配及各级传输方案的实现，如分几级传输、效率损耗多大等；技术设计就是指具体的零件设计、三维建模等，如每一级传动机构参数、材料、强度、运动仿真等；技术文件编制包括设计说明书、使用手册等。以下主要介绍技术设计阶段Solidworks软件的设计应用。

3.1 零件的设计与建模

Solidworks创建零件模型的方法十分灵活，下面以传动装置中的部分零件为例，详细叙述不同的建模方法。

3.1.1 轴类零件的设计

轴类零件是常用的典型零件之一，在确定轴的径向尺寸和结构时，要在预估轴径的基础上考虑轴承型号选择、轴的强度以及轴上零件的安装和定位，以便于加工装配，其建模最常用的方法是“搭积木”式的方法。这是大部分机械零件的实体三维模型的创建方法。

不同结构形式的轴类零件存在着一些共同特点，如图2 所示。大部分都由相同或不同直径的圆柱段连接而成。由于装配齿轮、带轮、联轴器等零件的需要，其上一般开有键槽，同时还有轴端倒角、圆角等特征。这些共同的特征是实体建模的基础。先创建一个反映零件主要形状的基础特征—圆形截面，然后在这个基础特征上添加其他的一些特征，如拉伸、旋转、倒角和圆角等特征。轴类零件的总体建模思路有两种：（1）运用拉伸、凸台特征生成轴段；（2）利用旋转凸台特征，先生成轴的纵截面草图，然后一次旋转完成。

图2 轴类零件设计建模Fig.2 Design Modeling of Shaft Parts

3.1.2 齿轮零件的设计

齿轮传动是最常用的传动方式之一，它广泛应用于传递运动和动力。齿轮传动的质量会影响机器的使用性能、寿命和精度，其中应用最为广泛的是渐开线齿轮，而这也是建模的难点。渐开线齿廓生成可以使用外部数据导入，在方程式驱动曲线中输入参数方程；也可以直接使用Solidworks 主程序来生成，采用自带插件、曲面扫描、插值法等；还可以使用第三方软件来生成，在CAXA电子图板或Auto-CAD中产生精确的渐开线齿廓，再导入Solidworks中进行拉伸［10］。直齿轮建模，如图3所示。就是先生成渐开线齿形，再拉伸凸台生成圆柱齿轮，然后旋转切除生成轮辐，切除生成减震孔，再加工轴孔、键槽等。课程教学中，学生可选择自己熟悉的方法来建模。

图3 齿轮零件设计建模Fig.3 Design Modeling of Gear Parts

3.1.3 箱体类零件的设计

箱体是用来支承轴系、固定轴承以及密封和隔振的，一方面其内部要容纳轴系零件，另一方面其外部还要和其他机器连接固定，因而结构复杂，零件模型的创建特征也较多。下箱体零件图设计，如图4所示。其主体结构、凸台结构主要用拉伸特征形成，内部空腔结构主要由抽壳或拉伸切除组成，加强筋形成箱体的筋板，以提高刚度，油槽可由扫描切除或拉伸切除形成，孔特征可形成箱体上的轴孔、安装孔、螺栓孔等。

3.2 装配设计

总体装配是三维实体建模的最后阶段，也是建模过程的关键阶段。在Solidworks 中可以使用自下而上和自上而下两种方法设计装配体，也可两种方法结合使用。将先前生成的零部件逐个插入到装配体中，根据设计要求建立配合关系，将它们组装起来。装配过程主要涉及插入零部件、定义配合、定义平面或轴的平行、平面间距离、对齐等操作，最终完成装配体模型。

3.3 设计修改

基于装配体与零部件的关联性，可以随时对装配体进行反复修改，可以直接在装配体中修改零部件结构，也可在相应的零部件中来修改。对于不再需要的几何关系，也可以轻松删除，给设计带来了极大便利。设计时为了分析各零件间的相互关系，需要分离装配体中的零部件，Solidworks可以轻松的实现爆炸图功能，使得所有装配关系清晰明了。

运用Solidworks 可以对装配好的装配体进行各种类型的分析，如计算装配体的质量特性和干涉检查等。对装配体干涉检查可以发现装配体中零部件时间的干涉情况，找出设计中存在的问题。通过干涉检查命令可以发现装配体中零部件之间的干涉情况，并在检查结果的列表中显示出来，同时在图形区域显示不同颜色的干涉真实体积。齿轮装配时的干涉检查，如图5所示。

图5 齿轮装配干涉检查Fig.5 Interference Inspection of Gear Assembly

结果表明无干涉，这是静态干涉检查，它只能检查一定条件下的干涉情况，若要考察装配体在运动状态下的干涉情况，可利用移动或旋转命令来实现。在动态干涉检查中，旋转一对配副齿轮之一，屏幕上会以“深绿色”显示干涉区域，设计效果直观逼真。

3.4 运动模拟仿真

利用Solidworks物理模拟功能可以模拟电机旋转、齿轮运动和联轴转动总体装配效果，从而录制装配中零部件的运动情况，只是它没有考虑摩擦、动力损耗等。

锚机系缆传动装置总装视频截图，如图6所示。在电机的带动下，经过减速器降速，通过联轴器、离合器来实现多级传动以及带动绞盘和链轮的分离，模拟仿真该传动装置运动，效果直观。

图6 传动系统总装模拟运动Fig.6 Simulation Movement of Transmission System Assembly

4 结束语

将Solidworks软件应用于《机械设计课程设计》课程教学，设计了一套锚机系缆传动装置，实现了传动系统的三维模型生成。课程教学中通过分组合作加强教学过程实施，激发了学生学习的兴趣和热情；通过引入三维设计软件，将参数化设计软件与设计实践相结合，大大改善了课程设计枯燥乏味的局面；通过直观的三维旋转动态形式进行课堂演示，激发了学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。