劉忠澤

摘要：為縮短農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)周期，介紹一種可與AutoCAD無縫結(jié)合的三維參數(shù)化實(shí)體模擬設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor。以農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的軸設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹Inventor軟件的具體應(yīng)用步驟及方法，為提高農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率及準(zhǔn)確性提供參考。

關(guān)鍵詞：Inventor軟件；設(shè)計(jì)加速器；軸；生成器

中圖分類號(hào)：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）01-0035-04

近年來，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械逐步向大型化、智能化、高效化方向發(fā)展，農(nóng)機(jī)研究方法也隨之而變化。長(zhǎng)期以來，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)對(duì)象（土地和作物）具有特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)創(chuàng)新存在較大困難。每次產(chǎn)品的研發(fā)到定型，均需經(jīng)過設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、試驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、再試驗(yàn)等過程，研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、設(shè)計(jì)精度低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多新成果被引入優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)了設(shè)計(jì)方法的革命。在二維制圖軟件中，CAD應(yīng)用較為廣泛，對(duì)整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)有很大影響。Autodesk Inventor軟件是一種三維參數(shù)化實(shí)體模擬設(shè)計(jì)軟件，可與AutoCAD無縫結(jié)合，操作簡(jiǎn)單，工程圖可以直接轉(zhuǎn)化為CAD圖紙，既簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，又提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，還節(jié)約大量設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 Inventor 軟件設(shè)計(jì)加速器概述

Inventor軟件中的設(shè)計(jì)加速器能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)過程提供決策支持和設(shè)計(jì)計(jì)算，使設(shè)計(jì)者不必花費(fèi)大量的時(shí)間翻查手冊(cè)，以及進(jìn)行繁瑣的設(shè)計(jì)計(jì)算，且避免在建模上浪費(fèi)時(shí)間，可達(dá)到設(shè)計(jì)加速的目的。

設(shè)計(jì)加速器為使用者提供一組零件生成器和計(jì)算器，此為功能設(shè)計(jì)的重要組件之一。它提供工程計(jì)算和決策支持，可以識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)零部件或創(chuàng)建基于標(biāo)準(zhǔn)的幾何圖元，并驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，通過改進(jìn)初始設(shè)計(jì)參數(shù)修正設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。使用設(shè)計(jì)加速器工作時(shí)，僅需要根據(jù)窗口提示輸入相應(yīng)的機(jī)械屬性，就可以自動(dòng)創(chuàng)建符合機(jī)械原理的零部件或得到一組計(jì)算數(shù)據(jù)。例如：設(shè)計(jì)者選擇零件、螺栓安裝孔，并將零部件裝配在一起后，使用螺栓聯(lián)接生成器就可以插入螺栓連接。通過輸入相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)螺栓連接設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)加速器必須在部件環(huán)境或焊接件環(huán)境中工作，在功能區(qū)上單擊“設(shè)計(jì)”選項(xiàng)卡，將會(huì)顯示可用的生成器和計(jì)算器命令。生成器和計(jì)算器根據(jù)功能區(qū)域編組，例如將所有焊縫功能編為一組。在工作中，只有生成器調(diào)入軟件資源中心的文件才能完成設(shè)計(jì)，因此，在開始使用任意生成器或計(jì)算器前，必須先保存部件。

2 Inventor 軟件設(shè)計(jì)加速器應(yīng)用實(shí)例

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，軸是最常應(yīng)用的部件之一。軸是組成機(jī)具的重要零件，主要功能是傳遞機(jī)具的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際應(yīng)用中，一般把軸設(shè)計(jì)成階梯軸，這是因?yàn)殡A梯軸的強(qiáng)度接近于等強(qiáng)度，容易加工，也便于軸上零部件的裝配。在機(jī)具設(shè)計(jì)中，影響軸結(jié)構(gòu)的因素很多，需要根據(jù)軸的受力情況和安裝條件確定其構(gòu)造外形和尺寸。在確定軸的構(gòu)造外形和尺寸時(shí)，還要考慮軸和安裝在軸上的零件裝配位置、軸的強(qiáng)度和剛度、軸加工和裝配的工藝、減少應(yīng)力集中等諸多因素?，F(xiàn)以開溝機(jī)變速箱的軸設(shè)計(jì)為例，介紹Inventor軟件設(shè)計(jì)加速器的應(yīng)用。

拖拉機(jī)后輸出軸的轉(zhuǎn)速為540 r/min，開溝機(jī)所需動(dòng)力18 kW。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用的軸一般開有鍵槽（平鍵、花鍵），用以傳遞扭矩，所以設(shè)計(jì)加速器的生成器應(yīng)包括軸生成器和各種鍵生成器。如果軸上有凸輪等，設(shè)計(jì)加速器中還應(yīng)包含凸輪生成器?，F(xiàn)主要介紹軸和鍵的生成方法（凸輪等生成器的應(yīng)用與之相類似，可參照使用）。

2.1 軸生成器

使用軸生成器設(shè)計(jì)的軸可以包含無限多個(gè)截面，每個(gè)截面可以具有2個(gè)邊特征和無限個(gè)中間特征，并在Autodesk Inventor窗口中顯示軸的預(yù)覽。當(dāng)用戶在“設(shè)計(jì)”選項(xiàng)卡（可選）上進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，軸的形狀將根據(jù)“設(shè)計(jì)”選項(xiàng)卡中的設(shè)定（截面數(shù)、截面形狀、空心軸形狀等）而更改。

設(shè)計(jì)者使用軸生成器設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)構(gòu)想和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)插入軸的各個(gè)截面（圓柱、圓錐、多邊形），并給出軸結(jié)構(gòu)特征（倒角、圓角、螺紋），將包含各界面直徑、長(zhǎng)度和特征的軸保存到模板庫。向軸設(shè)計(jì)框內(nèi)添加軸的各種載荷和支承（如生成器執(zhí)行強(qiáng)度校核），并在Inventor中生成軸。根據(jù)減速器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)想軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 啟動(dòng)軸生成器

1） 在啟動(dòng)軸生成器前，在功能區(qū)上單擊“設(shè)計(jì)”選項(xiàng)卡，出現(xiàn)如圖2所示的界面。

2） 在以上界面功能區(qū)上單擊“動(dòng)力傳動(dòng)”面板框內(nèi)的“軸”，出現(xiàn)如圖3所示的界面。

3） 點(diǎn)擊“確認(rèn)”，保存文件，出現(xiàn)如圖4所示的對(duì)話框。

3.3 軸生成器應(yīng)用

設(shè)計(jì)者按照構(gòu)想的草圖添加相應(yīng)的軸段和修改軸端的界面形狀，如圖5所示。

完成軸段輸入后點(diǎn)擊“計(jì)算”，出現(xiàn)如圖6所示的計(jì)算選項(xiàng)卡。

選擇軸的材料，給定徑向力。已知軸傳輸動(dòng)力為18 kW，轉(zhuǎn)速540 r/min，齒輪設(shè)計(jì)分度圓160 mm，則徑向力為A=9 550×=3 979（N）。輸入“徑向力”項(xiàng)，點(diǎn)擊“計(jì)算”，出現(xiàn)如圖7所示設(shè)計(jì)結(jié)果。

通過計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)者可查看所有應(yīng)力系數(shù)，判斷其是否合適，以確定軸設(shè)計(jì)是否合理。也可以點(diǎn)擊“圖形”鈕查看軸的載荷圖（如圖8所示）。通過軸的載荷圖可查看彎矩、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭應(yīng)力、拉伸應(yīng)力等，進(jìn)一步了解所設(shè)計(jì)的軸的受力情況，為軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

4 花鍵連接設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)加速器下選擇“矩形花鍵連接生成器”，彈出如圖9 所示的對(duì)話框。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)選擇花鍵類型。為在軸上放置鍵槽選取幾何圖元，在“引用1”選項(xiàng)中選擇鍵槽所在的圓柱面，在“引用2”選項(xiàng)中選取鍵槽的起始平面，“方向”選擇一個(gè)平面確定鍵槽在軸面的位置，完成后點(diǎn)擊“計(jì)算”，彈出如圖10所示的界面。

輸入傳輸功率、轉(zhuǎn)速、花鍵長(zhǎng)度后，選擇花鍵軸的材料和熱處理狀態(tài)，點(diǎn)擊“計(jì)算”，出現(xiàn)如圖11所示的界面。表明設(shè)計(jì)正確，完成設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

Inventor的設(shè)計(jì)加速器為設(shè)計(jì)過程提供決策支持，使設(shè)計(jì)者不必花費(fèi)大量的時(shí)間和精力查找手冊(cè)和進(jìn)行工程計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率和精準(zhǔn)度，降低計(jì)算誤差。設(shè)計(jì)加速器是功能設(shè)計(jì)的重要組成部分，其通過自動(dòng)提供選項(xiàng)和自動(dòng)創(chuàng)建基于標(biāo)準(zhǔn)的幾何圖元來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，通過確認(rèn)設(shè)計(jì)要求自動(dòng)完成工程計(jì)算，并通過為相同任務(wù)選擇相同的零部件增加標(biāo)準(zhǔn)化，從而使設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮非常重要的作用。

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