基于SolidWorks的机械设计基础课程设计的改革与实践

顾艳红 刘占民 张建军 徐林林 蔡晓君 姬宜朋

北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617

基于SolidWorks的机械设计基础课程设计的改革与实践

顾艳红 刘占民 张建军 徐林林 蔡晓君 姬宜朋

北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617

运用SolidWorks三维设计软件设计机械设计基础课程 (一级斜齿圆柱齿轮减速器部分)是一项新的实践。传统的手工绘图费时费力，即使是AutoCAD绘图错误也不容易修改，学生缺乏与空间三维实体的关联，倍感枯燥。利用SolidWorks软件对减速器进行参数化设计，通过零件的三维建模、装配、运动仿真及动画，给学生带来了真实的视觉效果，通过三维零件的装配形象地对零件进行修改以达到正确的配合，有助于提高教学质量。

机械设计基础；SolidWorks；斜齿圆柱齿轮减速器；齿轮配合

机械设计基础是我校环境工程、热能与动力工程及油气储运工程3个近机类专业的核心课程， 主要介绍常用机构和通用机械零件的基本知识和基本设计方法，研究机械组成原理、运动学和动力学、组成机械的通用零件设计以及机械总体设计中的一些问题，主要培养学生设计简单传动机械装置的能力[1]。作为一门重要的专业技术基础课程，机械设计基础的课程设计具有很强的工程实践性和综合性[2]。传统的课程设计(减速器设计)多以设计计算为主，图纸均采用手工草绘及二维CAD绘图，缺乏与三维实体之间的关联，因而学生设计时感到枯燥，设计零部件时缺乏全面考虑，绘制工程图错误较多且很难查出并解决问题。可见，此方法不利于学生创新能力的培养和训练，其教学已明显落后于企业产品设计对工科学生专业素质的要求。

目前，对于三维设计软件，国内外主要有来自美国PTC公司的高端PRO/E，美国UGS公司的高端UG和中端Solidedge，法国Dassault公司的高端CATIA和中端SolidWorks以及Autodesk公司的Inventor[3]。这几款软件各具优缺点，例如：UG软件和Pro/E软件一种基于参数化的三维实体设计软件，共有近30个大模块，其功能非常强大，几乎涵盖了机械学科的各个专业，其如此丰富的功能，专业程度较高，不适宜初学者[4-6]。SolidWorks 是在Windows环境下开发的三维工程设计软件[7-10]，与传统参数化造型系统如Pro/E，UG相比，其易学，易用，界面友好，操作过程直观简单，适合本科生初学者使用；其具有灵活的草图绘制和检查功能，具有强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能。在装配中可以实现智能化装配，装配体操作简便、高效；可以进行动态装配干涉检查和间隙检测以及静态干涉检查；自动生成工程图。

SolidWorks软件如此强大的功能，受到了众多教师和学生的亲睐，例如，熊敏等运用SolidWorks对行星齿轮式的车辆差速器设计[3]；梁泽明等利用SolidWorks二维工程图参数可修改的优点，初算主要零件的结构尺寸，建立装配工程草图后，通过关键零件的强度校核，确定关键零件的主要结构尺寸[11]；王久贵等运用SolidWorks的运动仿真功能实现曲柄摇杆机构的急回特性及死点位置[12]；毛文斌等基于SolidWorks 三维建模对机械测绘进行课程设计[13]。因此，基于SolidWorks软件对机械设计基础课程设计进行实践，是提高教学品质及学生的工程素质的一项重要举措。以下重点介绍利用SolidWorks对减速器主要零件进行设计、装配、仿真模拟、动画制作及常见难题的解决方案。

1 主要零件的三维建模

1.1 斜齿轮的零件设计

斜齿轮可以通过两种方式获得：设计库和基于SolidWorks二次开发的麦迪三维设计工具插件。

1.1.1 通过设计库设计斜齿轮

根据课程设计的参数要求，适当地选取斜齿轮的模数、齿数、螺旋方向、螺旋角、压力角、齿宽、标称轴直径、轮毂宽及键槽的形式，用SolidWorks中自带的toolbox 工具生成斜齿轮：

(1)在SolidWorks右侧设计库工具栏中，点击

前的“+”号，选择Gb，在下方会出现各种标准件的文件夹，点击“动力传动”中的齿轮文件夹。

(2)选择螺旋齿轮传动，右键选择生成零件。

(3)在SolidWorks左侧工具栏中会出现配置零部件，然后输入斜齿轮的各参数。选择好设计参数后，点击确定，生成斜齿轮。此时的斜齿轮是实心的，然后对斜齿轮的齿宽端面为基准面阵列孔生成孔板式斜齿轮。

1.1.2 通过迈迪三维设计工具生成斜齿轮

迈迪三维设计工具集是济南迈迪数码技术有限公司开发的SolidWorks标准件库，使SolidWorks软件的功能大大增强。此插件安装完成后，会在SolidWorks中出现相应界面。

(1)在麦迪工具栏中，选择设计工具，在弹出的对话框内输入设计的参数，如图1所示。

图1 利用麦迪标准库插件设计齿轮参数界面

(2)输入参数后，点击上方的【计算】，然后点击生成齿轮2。

(3)在弹出的对话框中，输入齿轮的制造方法、要阵列圆的直径和个数等参数，点击确定，生成大齿轮。

1.2 高速轴—凸台拉伸法

一级减速器的高速轴是一个包含齿轮结构的轴类零件，可以利用【拉伸凸台/基体】和【拉伸切除】等命令生成齿轮的基本模型。

(1)利用Toolbox生成一实体斜齿轮后，分别以斜齿轮的左右端面为基准面，通过拉伸凸台的方法，将不同直径的轴段拉伸出所需要的长度。

(2)在轴的最左侧轴段上建立一基准面，在基准面上画出键槽的投影尺寸，通过拉伸切除的方法绘出键槽，如图2所示。

图2 凸台拉伸法绘制高速轴

1.3 低速轴—旋转拉伸法

一级减速器的低速轴除了可以用凸台拉伸的方法绘制，也可以通过旋转拉伸的方法进行。

(1)在SolidWorks中创建一个新的零件文件，单击【草图】绘制，绘制出低速轴草图。

(2)点击【旋转拉伸】按钮，旋转轴选择中心线，旋转角度输入360°，点击确定，生成低速轴草图实体。

(3)在建立键槽的两个轴段上建立基准面，在基准面上绘制键槽的草图，通过拉伸切除的方法绘制出低速轴，如图3所示。

图3 低速轴实体

2 装配体

2.1 低速轴组件

低速轴组件包含轴，轴承，齿轮和挡油环，这些组件通过同轴心、面与面重合约束在一起。

2.2 齿轮配合

直齿轮的啮合是齿面与齿面的啮合，而斜齿轮则是齿面上与分度圆重合的线啮合，因此为了符合齿轮的机械配合关系，需要在两个齿轮的端面画出其分度圆，如图4所示。

图4 斜齿轮分度圆的啮合

点击SolidWorks的配合按钮，选择【机械配合】，勾选【齿轮配合】，然后选择齿轮的两个分度圆，单击确定，即可完成斜齿轮的配合。

2.3 总装配体

当减速器的所有零件及组件完成建模后，进行总体装配。在SolidWorks中新建装配体，将下箱体设置成固定于原点的零件，然后将高速轴组件和低速轴组件装配到下箱体中，调整齿轮的啮合情况。安装上箱盖、高低速轴的闷盖和透盖等各种零部件，完成总装配体，如图5所示。

图5 减速器的整体装配图

2.4 物理模拟及动画

(1)单击SolidWorks下方的【运算算例1】中的马达按钮，选择旋转马达、转速及方向，零部件选择高速轴，然后点击确定。

(2)动画运动完成后，单击上图中的保存按钮，输入文件名称，默认为avi格式，单击确定即完成减速器的物理模拟。这个动画的时间很短，预想延长动画时间，点击动画向导进行设置即可实现。

3 减速器拆装动画制作

减速器的拆装是通过【爆炸】与【解除爆炸】来实现的，下面以低速轴组件的拆装为例。

(1)打开低速轴组件，点击【爆炸】，选取需要爆炸的零件，零件上出现一个XYZ方向的坐标轴，点击X轴，拖动鼠标，零件可以左右移动，同理Y轴零件前后移动，Z轴零件上下移动。

(2)解除爆炸：单击设计树右侧的【配置】，在低速轴装配上单击右键，选择解除爆炸即可恢复低速轴组件的安装。

(3)保存动画：单击【爆炸】与【解除爆炸】动画控制器中的保存按钮，输入文件名称，默认为avi格式，单击确定即可将拆卸和安装的动画保存下来。

4 工程图的实现(以大齿轮为例)

打开齿轮零件图，选择【从零件图制作工程图】，选择A3(GB)图纸，将前视图置于图纸中，再对前视图进行剖视，得到左视图。由此生成的两个视图均不标准(如图6a所示)，故需要对工程图进行处理。先对前视图进行编辑，全选前视图中的所有线条，安装轴孔和键槽线除外，其余都隐藏，如图6c所示。SolidWorks生成的左视图有斜齿的轮廓，也不是标准的工程图(如图7a所示)。现将轮齿廓线和剖面线隐藏，画一条齿根线，再重新添加剖面线，即生成标准的工程图如图7c所示。在此基础上标注尺寸、形位公差、粗糙度、技术要求和明细栏等。其中齿轮明细表可以用SolidWorks的自带表格来添加，但是上下标等复杂代号不好实现。因此，先在Excel文件里编辑好明细栏，然后在SolidWorks工具栏中点击插入对象，选择事先编辑好的Excel文件即可。

图6

图7

5 结束语

一级减速器的设计不是一蹴而就的。中间的设计过程，尤其是高速轴和低速轴的设计需要反复的验算、校核、装配、调整等。利用SolidWorks根据校核及装配的情况对尺寸进行修改，零件图修改后，相关联的装配图也自动修改，避免了传统绘制过程中零件图及装配图需修改的弊端，节约了时间，同时也调动了学生发现问题、解决问题的积极性，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力。

利用SolidWorks对一级斜齿圆柱减速器进行设计过程中，遇到两个难题，即斜齿轮的配合及齿轮工程图不标准的问题，笔者采用简单的方法进行了解决。利用SolidWorks三维设计软件的仿真模块，将一级减速器加上马达转动起来，可以使学生直观地观察斜齿轮之间的啮合关系，提高了学生的学习兴趣和教师的教学效率。实践证明，用SolidWorks三维设计软件进行减速器设计，取得了良好的教学效果，同时激发了学生对三维设计的软件兴趣，建立了机械设备整体设计的思维，这对于一个工科学生毕业后走上工作岗位也是不可缺少的。因此，建议普及利用SolidWorks三维设计软件对机械设计基础课程设计进行改革。

[1] 徐林林，陈家庆，朱江.基于任务驱动的机械设计基础教学改革[J].化工高等教育，2009，26(6)：72-73，108.

[2] 卢雪红，高峰.如何提高机械基础课程设计的效果[J].化工高等教育，2012，29(5)： 95-97.

[3] 熊敏，仲梁维.基于Solidworks的案例教学法在计算机辅助设计课程中的应用[J].软件导刊，2012(2)：166-168.

[4] 朱晓川，谢英星.《UG绘图设计》课程教学改革[J].机械职业教育，2010(10)：58-59.

[5] 邓春晓，胡德平.SolidWorks对工科学校机械专业教学的重大影响[J].机械，2004(11)：32-34，37.

[6] 李万全.基于Pro/E的机械设计课程设计教学改革[J].中国科教创新导刊，2009(28)：192.

[7] 刘馥.基于Solid Works的蜗轮蜗杆减速器设计[J].装备制造技术，2012(3)：143-144.

[8] 卫江红.基于SolidWorks的连杆机构的运动分析与仿真[J].机械工程与自动化， 2008(1)： 77-78，81.

[9] 张淑娟，贾爱莲，段晓峰.基于Solid Works软件的减速器三维设计及运动仿真[J].东华大学学报：自然科学版，2006(5)：105-108.

[10] 陈立东，王仁才，郑立新.基于Solid Works的凸轮轴三维实体设计[J].农业网络信息，2008(10)：102-103.

[11] 梁泽明，陈晓霞.SolidWorks二维工程图在机械零件课程设计中的应用[J].天津职业技术师范大学学报，2011(3)：44-46.

[12] 王久贵.SolidWorks三维设计软件在“机械基础”课程教学中的运用[J].职教通讯，2010(11)：102-104.

[13] 毛文武.基于Solidworks三维建模的机械测绘课程设计改革与实践[J].机械，2007(6)：27-29.

Reform and Practice on the Course Design of Fundamental of Mechanical Design Based on SolidWorks

Gu Yanhong， Liu Zhanmin， Zhang Jianjun， Xu Linlin， Cai Xiaojun， Ji Yipeng
Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing， 102617， China

This paper mainly addresses the reform and practice of the course design of fundamental of mechanical design based on SolidWorks software， ie. The design of a helical cylindrical gear reducer. Traditional manual drawing is time-consuming and error-prone. The advantages of applying SolidWorks on the gear reducer include parametric design， modeling， assembly， and motional simulation， which can solve the existing shortcomings of the traditional manual and AutoCAD design. Meanwhile， dynamic simulation with SolidWorks in the classroom can bring students real visual effects， so as to attract their interest and improve the teaching quality.

fundamental of mechanical design； SolidWorks； helical cylindrical gear reducer；gear assembly

2014-06-26

顾艳红，博士，副教授。

北京石油化工学院校级教育教学改革和研究项目(编号：YB20130205)。