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        軸系組合設計虛擬實驗的設計與實踐
        ——基于Solidworks

        2019-10-12 09:29:44楊文敏劉大為吳志立
        時代農(nóng)機 2019年6期
        關鍵詞:蝸桿軸系墊片

        楊文敏,劉大為,吳志立

        (湖南農(nóng)業(yè)大學工學院,湖南 長沙 410128)

        實驗教學是課程教學的重要教學環(huán)節(jié)之一,傳統(tǒng)的實驗教學離不開實驗教學設備,不過,隨著計算機技術和虛擬樣機技術的發(fā)展,虛擬實驗及其平臺正在多個學科和學校推廣開來。教育部辦公廳印發(fā)的《2017年教育信息化工作要點》中提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應用,遴選一批典型虛擬仿真實驗項目,開展虛擬仿真實驗共享平臺建設。2018年教育部下發(fā)了開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知,并公布105個首批國家虛擬仿真實驗教學項目。教師根據(jù)實際教學的需要,對抽象的實驗過程以生動逼真的動畫表現(xiàn)形式進行展示,虛實結合,最大限度發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢,提高教學效果[1]。

        國內許多學者研究和開發(fā)了機械基礎的虛擬實驗。吳青鳳等開發(fā)了基于VB的減速器虛擬拆裝平臺,彌補了傳統(tǒng)減速器拆裝實驗的不足[2]。鄔宗鵬基于Virtool軟件開發(fā)了減速器的拆裝實驗[3]。李夢如等采用SolidWorks創(chuàng)建實驗設備的三維模型,以C#和VRML相結合的方式搭建虛擬場景和編制人機交互界面,開發(fā)了機械設計虛擬實驗教學平臺[4]。常金光等基于web虛擬現(xiàn)實技術、信息技術、網(wǎng)絡技術等設計了一套適具有開放式教學功能的虛擬實驗平臺[5]。熊平原運用Unity3D軟件,結合Pro/E、3D Studio Max及Java等工具,構建機械運動方案虛擬創(chuàng)新設計實驗平臺,在三維虛擬場景中實現(xiàn)了對平面機械模型的拆裝、旋轉、縮放和運動仿真等功能[6]。軸系組合設計實驗是機械設計課程實驗項目之一[7],本文利用Solidworks作為軟件平臺開發(fā)軸系組合設計虛擬實驗。

        1 軸系組合設計實驗開設現(xiàn)狀

        軸系組合設計是設計性、創(chuàng)新性實驗。該實驗主要目的是要求學生根據(jù)軸的轉速高低、軸上傳動零件所承受的外載荷等條件,選擇軸承的型號、擬定軸系組合設計方案?,F(xiàn)有的實驗設備是JK-1型創(chuàng)意組合式軸系結構設計實驗箱,實驗箱配置有各種軸系零件110多件。開設方式為分組實驗,4名學生一組,根據(jù)指導教師分配的試驗題號開展實驗,主要有方案設計、實物組裝、測繪繪圖等試驗步驟。該實驗既應要求學生動腦,也要動手,同學們參與實驗的積極性很高,實驗效果較好,但在實驗開設中也發(fā)現(xiàn)一些問題:一是由于實驗設備連續(xù)使用,實驗零件有缺失,影響學生所擬實驗方案的拼裝;二是實驗箱中零件較多,還有和其他組的實驗箱中的零件相互混雜的現(xiàn)象,學生并不能夠很快地找到所需要的實物零件,實驗耗費時間較長,一般在4小時左右。為了提高實驗效率,我們設計開發(fā)了軸系組合設計虛擬實驗,并在機制專業(yè)中試用。

        2 軸系組合設計虛擬實驗設計方案

        2.1 軸系組合設計虛擬實驗總體設計方案

        在Solidworks三維設計軟件中建立軸系組合設計的虛擬零件庫,并將該虛擬零件庫配置到C:SolidWorks Data文件夾中。開設實驗時,學生根據(jù)題目中的已知條件,選定傳動零件和滾動軸承,確定支承方式、內外圈的緊固方式、潤滑和密封方式等。從虛擬零件庫中間將所需要的零件拖到裝配環(huán)境中間來,再靈活應用Solidworks裝配工具,進行裝配,實施干涉檢查,生成編輯二維工程圖,完成實驗報告。

        2.2 軸系組合設計的主要內容

        軸系組合設計,主要根據(jù)載荷、轉速等工作條件,選擇滾動軸承的型號,確定滾動軸承的支承方式,正確解決滾動軸承的安裝、緊固、游隙調整、潤滑、密封等問題。設計的虛擬實驗必須配置多個必要的零件,組成零件庫,以便在實驗開設過程中,對軸承組合設計的所有知識點實施訓練和考核。

        (1)滾動軸承的選用。軸承所受載荷的大小、方向、性質是選擇軸承類型的主要依據(jù)。載荷大小、轉速的高低由實驗題目中指定。為訓練設計不同傳動零件的支承方式,虛擬零件庫需配置直齒圓柱齒輪、斜圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿傳動等傳動零件。圓錐齒輪、蝸桿的支承用到套杯,因此要配置不同結構形式的套杯。另外,還得配備齒輪軸、實心式、腹板式等不同結構形式的齒輪。

        (2)滾動軸承配置。根據(jù)工作情況不同,滾動軸承有雙支點單向固定、單支點雙向固定和兩端游動支承三種配置。不同的配置方式,軸的結構形式也不同,因此需要配置各種結構形式的軸。

        (3)滾動軸承的軸向緊固。滾動軸承內圈與軸的軸向緊固方式有軸肩、軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母和止動墊圈、緊定襯套和圓螺母和止動墊圈;滾動軸承外圈與軸的軸向緊固方式有孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。因此,虛擬實驗臺需配置不同規(guī)格的軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母、止動墊圈、緊定襯套、孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。其中端蓋根據(jù)結構型式又有凸緣式端蓋和嵌入式端蓋之分,根據(jù)是否穿孔,又分為透蓋和悶蓋。

        (4)軸承游隙及軸上零件的位置調整。軸承的游隙一般是靠調整端蓋下墊片的厚度來調整。為了調整軸承的游隙,因此虛擬零件庫得配置不同厚度的墊片及調整環(huán)。

        (5)滾動軸承的配合和裝拆。滾動軸承內圈和軸的配合采用的是采用基孔制,外圈和軸承座孔的配合采用基軸制。因此,虛擬零件庫中軸頸的外徑尺寸和軸承的內徑尺寸就要協(xié)調一致,軸承座孔的內徑尺寸與軸承的外徑尺寸就要協(xié)調配合。

        (6)滾動軸承的潤滑和密封。滾動軸承分為油潤滑和脂潤滑。潤滑方式不一樣,保證潤滑的附件也不一樣。如油潤滑的軸承,其軸承座和軸承蓋上有油溝油槽,另外還有必要的擋油環(huán);脂潤滑的軸承,就必須配套封油環(huán)。密封的方式分為接觸式密封和非接觸式密封兩大類。接觸式密封油有毛氈圈密封、唇形密封圈密封和密封環(huán)密封。非接觸式密封有縫隙密封、甩油密封和曲路密封。因此虛擬零件庫要配置毛氈圈、唇形密封圈、壓環(huán)、密封環(huán)、套筒、甩油環(huán)、曲路密封旋轉件和固定件(端蓋)等零件。

        2.3 虛擬零件庫中零件類型及數(shù)目的確定

        為了對上述軸系組合設計的內容進行實驗訓練,盡量減少虛擬零件庫的數(shù)目,將各類滾動軸承的內徑限定為30mm,各根軸的軸頸依此設計為30mm。各齒輪均為標準齒輪,模數(shù)為3mm、齒數(shù)為17或32、齒寬20mm或40mm,以保證整個裝配體外形尺寸不至于太大。擬定的虛擬零件庫中零件分為支座類、軸類、齒輪類、軸承類、端蓋等八大類共123件,虛擬零件庫中的零件類型及數(shù)目見表1。

        表1 虛擬零件類型及數(shù)目

        序號系列數(shù)類別 零件名稱15 22206 C、52206、N A 4906 各 116 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器A 117 聯(lián)軸器B 1軸承18甩油環(huán)19 擋油環(huán)20 軸套21 調整環(huán)22 調整墊片23 壓環(huán)軸套類24 曲路動圈 1直齒輪用支座 128 錐齒輪用支座 129 蝸桿軸用支座 125 錐齒輪軸用套杯 126 蝸桿用套杯 127支座類30 底板 131聯(lián)接件螺母M 832 圓螺母M 30×1.533 螺栓M 8×20 134 2平鍵 8×35、8×20

        3 軸系組合設計虛擬實驗設計的關鍵技術

        3.1 虛擬實驗用戶界面的設計

        為了Solidworks用戶界面協(xié)調,將軸系零件庫配置在C:SolidWorks Data文件中,軸系組合設計虛擬實驗的用戶界面就在“任務窗格”中顯示出來,如圖1所示。用戶只要從“軸系零件庫”中選用所需要的零件復制到“我的方案”中,即可實施裝配、裝配檢查、生成二維工程圖等。

        圖1 虛擬實驗界面

        3.2 虛擬零件庫中主要零件的建模方法

        虛擬零件庫中軸類、支座類、端蓋類及聯(lián)軸器等零件的建模方法比較簡單,用拉伸、旋轉等常規(guī)的建模方法即可得到。在此,主要闡述系列零件、標準件、傳動零件的建模方法。

        (1)系列零件的建模方法。在上述虛擬零件庫中有些零件有多個系列,即外形特征相同或相似,僅有尺寸不相同,如軸套、調整環(huán)、調整墊片等,該類零件采用建立多個配置的方式建模。例如將軸套的長度設為“配置尺寸”,分別設20.5mm和17mm,得到兩個系列的套筒零件。將調整墊片的內徑、厚度設為“配置尺寸”,分別設φ62厚1mm、2mm和φ53mm厚1mm、2mm,得到4個系列的調整墊片零件。

        (2)標準件的建模方法。Solidworks軟件的Toolbox插件中含豐富的標準件,虛擬零件庫中軸承、螺栓、螺母、平鍵等標準件,均可用Toolbox直成。

        (3)齒輪、蝸桿蝸輪等傳動零件用常規(guī)的建模方法,步驟較多。用GearTrax、ToolBox、FNT等插件可較快建立這些傳動零件的三維實體模型。本虛擬零件庫利用GearTrax插件建立傳動零件的模型。例如,在插件GearTrax_zh-CN環(huán)境中輸入蝸桿蝸輪的模數(shù)m、壓力角α、蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2及螺旋線方向等主要參數(shù),點擊“在CAD創(chuàng)建”即可生成蝸桿蝸輪的三維實體模型。

        4 軸系組合設計虛擬實驗的開設

        將建設好的虛擬零件庫一方面配置到CAD中心的電腦中,另一方面采用網(wǎng)盤共享給選課學生。學生在課前課后可以自選實驗題號自由練習。在CAD中心實驗開設該實驗時,每個學生班一人一臺電腦,老師按座位順序指定實驗題目(見表2),保證相鄰的學生不重題。下面以實驗題號1為例,簡要說明虛擬實驗使用方法。

        實驗題號1中,傳動零件為小直齒輪,軸上載荷僅為徑向載荷,載荷為輕載,軸的轉速較低,因此,選用深溝球軸承(6類);支承跨度較小,選用雙支點單向固定;一端采用凸緣式悶蓋,另一端采用凸緣式透蓋;兩端端蓋下均采用石棉密封墊圈密封,軸的伸出端采用毛氈圈密封。

        從軸系虛擬零件庫中,選出底板、直齒輪用支座、直齒輪軸、軸承6205、凸緣式悶蓋、凸緣式透蓋、調整墊片、毛氈圈、螺栓M8×20、螺母M8、墊圈22等零件。靈活應用Solidworks裝配工具,添加重合、同軸心、垂直等配合關系,組裝成軸系部件裝配體,如圖2所示。對整個裝配體實施干涉,確保無干涉。之后,可生成爆炸視圖和二維工程圖。

        表2 軸系組合設計實驗題目

        圖2 軸系組合設計示例

        5 結論

        (1)設計軸系組合設計虛擬實驗,方便學生在實物實驗前預習,在實物實驗后反復練習。每位學生可以在實驗前在虛擬平臺上完成不同種方案的設計,對不同工況的軸系部件進行組合設計訓練,既節(jié)約了實驗的時間,又能夠提高教學效率,也很大程度上保證了實踐環(huán)節(jié)的教學質量。但實物拼裝實驗給學生提供了較強的感性認識,進一步訓練學生裝拆、調整裝配體的技能。因此,建議虛實結合開設軸系組合設計實驗。

        (2)在機械設計實踐教學中引入了虛擬實驗平臺和零件庫,可以讓實驗零件類型、數(shù)量更加豐富,學生可以根據(jù)自己的設計方案增添零件的數(shù)目,能夠搭建軸系結構方案也不再受到實驗箱中所給出零件的限制,拓寬了實驗內涵,提高了學生的創(chuàng)新能力。

        (3)在一定程度上解決了實驗室、實驗場地和實驗經(jīng)費緊張的局面,同時也能夠很好地解決實驗教師、實驗室、和學生三者之間時間、空間不同步的問題,能夠高效、靈活、自主的開設實驗。

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