基于机械设计手册软件版和SolidWorks的V带传动设计研究

王增胜 张洛明 李亚南

摘 要：针对目前机械专业教学中存在的理论教学、机械设计手册应用、建模软件应用三者各自脱节的现象及由此产生的问题，提出将理论教学、设计计算软件和建模软件相结合的“理论知识+设计技能+建模技能”三位一体的教学方法和手段，并以V带传动设计为研究对象，阐明了基于机械设计手册软件版和SolidWorks进行设计和建模的过程。实践证明，“理论知识+设计技能+建模技能”三位一体的教学方法能够有效的改善教学效果。

关键词：机械设计；机械设计手册软件版；SolidWorks；V带传动；三位一体

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.109

1 机械专业课程教学现状及存在的问题

《机械设计》是机械设计制造及其自动化专业的一门重要的骨干核心课程，该课程的主要任务中，有一项是培养学生具有运用手册查阅有关技术资料的能力。在机械类教学质量国家标准中，“培养规格”-“人才培养基本要求”-“业务方面”第（4）、（5）条，专门提到要求学生具有对工程问题进行建模求解的能力、应用现代工程工具的能力。实际教学中，这些能力的培养往往分散在不同的课程当中进行，是相互割裂、离散的，缺少及时的系统训练，学生做不到学以致用，未能形成综合能力。以手册使用和实体建模能力的培养落实情况为例，其现状及由此产生的问题如下：

（1）《机械设计》理论课程教学中，机械设计过程的教学以讲解例题为主，学生完成作业以手算为主，基本不涉及手册的使用。一方面这种方式导致学生未能尽早训练熟悉手册并运用手册查阅资料、解决问题的能力；另一方面由于机械系统设计的过程一般步骤较多，计算量大，因此在《机械设计》理论课程中学习时，学生往往会觉得枯燥、繁琐，从而失去学习兴趣。

（2）手册的使用多在《机械设计课程设计》阶段和《毕业设计》阶段，手册一般以纸质版和电子版为主。纸质版手册数量不足，无法满足学生使用；电子版手册也无自动计算功能，多依赖手算。导致设计效率低下，计算容易出错。

（3）二维或三维软件课程的学习在《机械设计》课程之后，比较滞后。在建模软件类课程学习时，学生往往是练习书中有现成尺寸和建模步骤的例子，缺乏应用软件解决具体实际问题的训练。

（4）毕业设计阶段须要综合应用所学理论知识、手册、建模软件解决问题，而之前缺乏这种“集成”式的训练，导致毕业设计进度滞后，效果不佳。

（5）由于专业综合能力训练不足，导致学生毕业时对自己的专业能力没有信心，影响就业质量。

为解决以上问题，笔者提出在《机械设计》课程理论教学中引入机械设计手册软件版和建模软件SolidWorks的教学方式，及早训练学生的设计、建模等专业综合能力。现以V带传动的设计，加以说明。

2 利用机械设计手册软件版实现V带传动的设计计算

V带传动的设计一般是在已知工况、功率、转速/传动比及外轮廓尺寸等的情况下，设计确定带的型号、长度、根数、中心距、带轮结构和尺寸、张紧力和压轴力等。据统计，V带传动的设计至少包含9大步骤，须要用到10个公式及12个图表才能完成，如果用手算，则计算量较大，查找图表费时。

以某带式输送机传动装置用V带传动为例，已知V带轮传动功率为4kW，小带轮转速n=960r/min，传动比i=2.34，初定中心距1000mm，要求设计该V带传动。以下以机械设计手册（新编软件版）2008为工具，说明其设计过程。

启动机械设计手册软件版，点击菜单栏[常用设计计算程序]，选择[带传动设计]，进入带传动设计模块。面板左侧依次出现带传动的设计步骤，点击进入相应流程，完成后点击确定按钮则进入下一流程，直至设计结束。具体过程如下：

（1）开始新的计算：输入设计者、单位等信息。

（2）选择带传动类型：选择V型带设计—普通V带。

（3）初始条件：在输入初始参数文本框中分别输入：传动功率P1：4kW；主动轴转速n1：960r/min；传动比i：2.34；此时会自动计算出从动轴转速n2：410.256r/min，如图1所示。

（4）选定带型和基准直径：在设计功率一项中点选查询，选择工况系数，根据带式输送机，两班制工作，选择工况系数KA=1.2，点击计算按钮，自动计算出Pd=4.8kW；在选择带型面板中，点击查询按钮，在弹出的普通V带选型图中，根据设计功率和小带轮转速，选择A型带，并且dd=112～140；在小带轮的基准直径面板中，点击查询按钮，在普通V带直径系列中选取112，点击计算按钮，得大带轮直径为dd2=258.15，点击查询按钮，选择大带轮基准直径250。

（5）轴间距的确定：在初定轴间距面板中选择根据结构要求定，取a0=1000mm；在所需基准长度面板中，点击计算按钮，得到Ld0=2573.39mm，点击查询按钮，选取基准长度Ld=2480mm；在实际轴间距面板中，点击计算按钮，得a≈963mm。

（6）额定功率及增量的确定：查询并输入P1=1.15kW；△P1=0.11kW。

（7）带速、包角和V带根数：点击计算按钮，得到带速v=5.63m/s，包角α=171.7°，在确定参数面板中查询并输入Kα=0.98， KL=1.09，再次点击计算按钮，得到根数z=4。如图2所示。

（8）各项力的计算：点击查询按钮，选择V带每米质量为0.1，点击计算按钮，得到初拉力F0=168.46N， 压轴力Fr=1344.15N。如图3所示。

（9）结束：点击结束，生成设计结果。如图4所示。也可点击菜单栏—报表—结果报表输出—详细报表，获得详细报表。

（10）带轮结构设计：在带传动设计模块面板中点击左侧[查询]→[V带轮轮缘尺寸]，得轮槽参数如下，輪缘结构如图5所示（单位：mm）。

bd=11，hamin=2.75，取ha=3，hfmin=8.7，取hf=9，e=15，f=9，δmin=6。

故，B=z-1e+2f=（4-1）×15+2×9=63，da1=dd1+2ha=112+2×3=118，φ=34°，L=B=63

因已知所选电机伸出端直径为38mm，长度为80mm，故小带轮直径应取d0=38mm，毂长应小于80mm，查表得小带轮结构为实心轮。

大带轮外径尺寸为：da2=dd2+2ha=250+2×3=256mm

大带轮轴孔直径取减速器高速轴直径d=24mm，结构为腹板式，故大带轮腹板小径为：d1=（1.8～2）d=（1.8～2）×24=43.2～48mm，取d1=45mm

大带轮腹板大径为：dr=da-2（H+δ）=256-2×（12+6）=220mm

查带传动、链传动-V带传动-带轮-V带轮的结构形式和腹板厚度得腹板厚度S=15mm。

至此，带传动设计全部完成。

可见，利用机械设计手册软件版进行V带传动的设计，可实现自动计算，降低出错几率；点击查询按钮，可直接调出所需图表，节省查阅时间，提高设计效率；点击说明按钮，获取设计知识，答疑解惑。

3 利用SolidWorks实现V带传动的实体建模

3.1 零件建模

根据利用机械设计手册软件设计所得的结构尺寸，利用SolidWorks分别建立大、小带轮、带轮轴、机架等零件模型。限于篇幅，建模过程不再赘述，模型如图6所示。

3.2 装配

在SolidWorks中新建装配体文件，依次将大小带轮支架、大小带轮和轴插入工作空间，添加配合，完成两带轮的装配。V带的装配是在工具栏选择[装配体特征]→[皮带/链]，在两个带轮上分别点选皮带通过的圆柱面，并在左侧设计栏属性面板中的[生成皮带零件]前打勾。编辑生成的皮带零件，选择上基准面，绘制V带截面草图，完成后利用扫描功能，将V带截面草图沿皮带草图扫描即可得到一根皮带，再用线性阵列功能完成所有皮带模型。至此，完成V带传动的模型，如图7所示。

可见，利用机械设计软件设计的V带传动通过SolidWorks以三维模型的形式表达设计出结果，完成了从设计到建模的完整训练。同时，还可以将三维模型转化为二维工程图，得到各零件的加工图纸。

4 结论

（1）由于机械设计手册软件版和SolidWorks的操作均易于上手，经过教师的简单示范加上学生的自学，完全可以掌握，所以在《机械设计》课程教学中，引入机械手册软件版和SolidWorks软件是可行的。

（2）在《机械设计》理论课中引入机械设计手册软件版，可有效解决纸质版手册数量不足及电子版手册无法自动计算的问题，既教会学生使用手册的方法，又克服了学生面对繁琐设计过程、复杂计算公式时的畏难情绪，提高了设计效率，激发学生兴趣和学习积极性，为后续的课程设计、毕业设计和将来的工作实践打下基础。

（3）在《机械设计》理论课中引入三维建模软件SolidWorks，让学生在利用SolidWorks完成作業，可及早训练学生应用现代工程工具解决实际问题的能力。

（4）将设计理论、手册应用、建立模型三者结有机结合，在《机械设计》课程中贯彻了手册的应用能力和建模技能培养，增强了学生的专业综合能力。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]张锦明 机械设计基础课程设计指导书[M].南京：东南大学出版社，2009.