王增勝 張洛明 李亞南

摘 要：針對目前機械專業(yè)教學(xué)中存在的理論教學(xué)、機械設(shè)計手冊應(yīng)用、建模軟件應(yīng)用三者各自脫節(jié)的現(xiàn)象及由此產(chǎn)生的問題，提出將理論教學(xué)、設(shè)計計算軟件和建模軟件相結(jié)合的“理論知識+設(shè)計技能+建模技能”三位一體的教學(xué)方法和手段，并以V帶傳動設(shè)計為研究對象，闡明了基于機械設(shè)計手冊軟件版和SolidWorks進(jìn)行設(shè)計和建模的過程。實踐證明，“理論知識+設(shè)計技能+建模技能”三位一體的教學(xué)方法能夠有效的改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；機械設(shè)計手冊軟件版；SolidWorks；V帶傳動；三位一體

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.109

1 機械專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

《機械設(shè)計》是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門重要的骨干核心課程，該課程的主要任務(wù)中，有一項是培養(yǎng)學(xué)生具有運用手冊查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。在機械類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)中，“培養(yǎng)規(guī)格”-“人才培養(yǎng)基本要求”-“業(yè)務(wù)方面”第（4）、（5）條，專門提到要求學(xué)生具有對工程問題進(jìn)行建模求解的能力、應(yīng)用現(xiàn)代工程工具的能力。實際教學(xué)中，這些能力的培養(yǎng)往往分散在不同的課程當(dāng)中進(jìn)行，是相互割裂、離散的，缺少及時的系統(tǒng)訓(xùn)練，學(xué)生做不到學(xué)以致用，未能形成綜合能力。以手冊使用和實體建模能力的培養(yǎng)落實情況為例，其現(xiàn)狀及由此產(chǎn)生的問題如下：

（1）《機械設(shè)計》理論課程教學(xué)中，機械設(shè)計過程的教學(xué)以講解例題為主，學(xué)生完成作業(yè)以手算為主，基本不涉及手冊的使用。一方面這種方式導(dǎo)致學(xué)生未能盡早訓(xùn)練熟悉手冊并運用手冊查閱資料、解決問題的能力；另一方面由于機械系統(tǒng)設(shè)計的過程一般步驟較多，計算量大，因此在《機械設(shè)計》理論課程中學(xué)習(xí)時，學(xué)生往往會覺得枯燥、繁瑣，從而失去學(xué)習(xí)興趣。

（2）手冊的使用多在《機械設(shè)計課程設(shè)計》階段和《畢業(yè)設(shè)計》階段，手冊一般以紙質(zhì)版和電子版為主。紙質(zhì)版手冊數(shù)量不足，無法滿足學(xué)生使用；電子版手冊也無自動計算功能，多依賴手算。導(dǎo)致設(shè)計效率低下，計算容易出錯。

（3）二維或三維軟件課程的學(xué)習(xí)在《機械設(shè)計》課程之后，比較滯后。在建模軟件類課程學(xué)習(xí)時，學(xué)生往往是練習(xí)書中有現(xiàn)成尺寸和建模步驟的例子，缺乏應(yīng)用軟件解決具體實際問題的訓(xùn)練。

（4）畢業(yè)設(shè)計階段須要綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識、手冊、建模軟件解決問題，而之前缺乏這種“集成”式的訓(xùn)練，導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度滯后，效果不佳。

（5）由于專業(yè)綜合能力訓(xùn)練不足，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)時對自己的專業(yè)能力沒有信心，影響就業(yè)質(zhì)量。

為解決以上問題，筆者提出在《機械設(shè)計》課程理論教學(xué)中引入機械設(shè)計手冊軟件版和建模軟件SolidWorks的教學(xué)方式，及早訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計、建模等專業(yè)綜合能力?，F(xiàn)以V帶傳動的設(shè)計，加以說明。

2 利用機械設(shè)計手冊軟件版實現(xiàn)V帶傳動的設(shè)計計算

V帶傳動的設(shè)計一般是在已知工況、功率、轉(zhuǎn)速/傳動比及外輪廓尺寸等的情況下，設(shè)計確定帶的型號、長度、根數(shù)、中心距、帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸、張緊力和壓軸力等。據(jù)統(tǒng)計，V帶傳動的設(shè)計至少包含9大步驟，須要用到10個公式及12個圖表才能完成，如果用手算，則計算量較大，查找圖表費時。

以某帶式輸送機傳動裝置用V帶傳動為例，已知V帶輪傳動功率為4kW，小帶輪轉(zhuǎn)速n=960r/min，傳動比i=2.34，初定中心距1000mm，要求設(shè)計該V帶傳動。以下以機械設(shè)計手冊（新編軟件版）2008為工具，說明其設(shè)計過程。

啟動機械設(shè)計手冊軟件版，點擊菜單欄[常用設(shè)計計算程序]，選擇[帶傳動設(shè)計]，進(jìn)入帶傳動設(shè)計模塊。面板左側(cè)依次出現(xiàn)帶傳動的設(shè)計步驟，點擊進(jìn)入相應(yīng)流程，完成后點擊確定按鈕則進(jìn)入下一流程，直至設(shè)計結(jié)束。具體過程如下：

（1）開始新的計算：輸入設(shè)計者、單位等信息。

（2）選擇帶傳動類型：選擇V型帶設(shè)計—普通V帶。

（3）初始條件：在輸入初始參數(shù)文本框中分別輸入：傳動功率P1：4kW；主動軸轉(zhuǎn)速n1：960r/min；傳動比i：2.34；此時會自動計算出從動軸轉(zhuǎn)速n2：410.256r/min，如圖1所示。

（4）選定帶型和基準(zhǔn)直徑：在設(shè)計功率一項中點選查詢，選擇工況系數(shù)，根據(jù)帶式輸送機，兩班制工作，選擇工況系數(shù)KA=1.2，點擊計算按鈕，自動計算出Pd=4.8kW；在選擇帶型面板中，點擊查詢按鈕，在彈出的普通V帶選型圖中，根據(jù)設(shè)計功率和小帶輪轉(zhuǎn)速，選擇A型帶，并且dd=112～140；在小帶輪的基準(zhǔn)直徑面板中，點擊查詢按鈕，在普通V帶直徑系列中選取112，點擊計算按鈕，得大帶輪直徑為dd2=258.15，點擊查詢按鈕，選擇大帶輪基準(zhǔn)直徑250。

（5）軸間距的確定：在初定軸間距面板中選擇根據(jù)結(jié)構(gòu)要求定，取a0=1000mm；在所需基準(zhǔn)長度面板中，點擊計算按鈕，得到Ld0=2573.39mm，點擊查詢按鈕，選取基準(zhǔn)長度Ld=2480mm；在實際軸間距面板中，點擊計算按鈕，得a≈963mm。

（6）額定功率及增量的確定：查詢并輸入P1=1.15kW；△P1=0.11kW。

（7）帶速、包角和V帶根數(shù)：點擊計算按鈕，得到帶速v=5.63m/s，包角α=171.7°，在確定參數(shù)面板中查詢并輸入Kα=0.98， KL=1.09，再次點擊計算按鈕，得到根數(shù)z=4。如圖2所示。

（8）各項力的計算：點擊查詢按鈕，選擇V帶每米質(zhì)量為0.1，點擊計算按鈕，得到初拉力F0=168.46N， 壓軸力Fr=1344.15N。如圖3所示。

（9）結(jié)束：點擊結(jié)束，生成設(shè)計結(jié)果。如圖4所示。也可點擊菜單欄—報表—結(jié)果報表輸出—詳細(xì)報表，獲得詳細(xì)報表。

（10）帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計：在帶傳動設(shè)計模塊面板中點擊左側(cè)[查詢]→[V帶輪輪緣尺寸]，得輪槽參數(shù)如下，輪緣結(jié)構(gòu)如圖5所示（單位：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

因已知所選電機伸出端直徑為38mm，長度為80mm，故小帶輪直徑應(yīng)取d0=38mm，轂長應(yīng)小于80mm，查表得小帶輪結(jié)構(gòu)為實心輪。

大帶輪外徑尺寸為：da2=dd2+2ha=250+2×3=256mm

大帶輪軸孔直徑取減速器高速軸直徑d=24mm，結(jié)構(gòu)為腹板式，故大帶輪腹板小徑為：d1=（1.8～2）d=（1.8～2）×24=43.2～48mm，取d1=45mm

大帶輪腹板大徑為：dr=da-2（H+δ）=256-2×（12+6）=220mm

查帶傳動、鏈傳動-V帶傳動-帶輪-V帶輪的結(jié)構(gòu)形式和腹板厚度得腹板厚度S=15mm。

至此，帶傳動設(shè)計全部完成。

可見，利用機械設(shè)計手冊軟件版進(jìn)行V帶傳動的設(shè)計，可實現(xiàn)自動計算，降低出錯幾率；點擊查詢按鈕，可直接調(diào)出所需圖表，節(jié)省查閱時間，提高設(shè)計效率；點擊說明按鈕，獲取設(shè)計知識，答疑解惑。

3 利用SolidWorks實現(xiàn)V帶傳動的實體建模

3.1 零件建模

根據(jù)利用機械設(shè)計手冊軟件設(shè)計所得的結(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks分別建立大、小帶輪、帶輪軸、機架等零件模型。限于篇幅，建模過程不再贅述，模型如圖6所示。

3.2 裝配

在SolidWorks中新建裝配體文件，依次將大小帶輪支架、大小帶輪和軸插入工作空間，添加配合，完成兩帶輪的裝配。V帶的裝配是在工具欄選擇[裝配體特征]→[皮帶/鏈]，在兩個帶輪上分別點選皮帶通過的圓柱面，并在左側(cè)設(shè)計欄屬性面板中的[生成皮帶零件]前打勾。編輯生成的皮帶零件，選擇上基準(zhǔn)面，繪制V帶截面草圖，完成后利用掃描功能，將V帶截面草圖沿皮帶草圖掃描即可得到一根皮帶，再用線性陣列功能完成所有皮帶模型。至此，完成V帶傳動的模型，如圖7所示。

可見，利用機械設(shè)計軟件設(shè)計的V帶傳動通過SolidWorks以三維模型的形式表達(dá)設(shè)計出結(jié)果，完成了從設(shè)計到建模的完整訓(xùn)練。同時，還可以將三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖，得到各零件的加工圖紙。

4 結(jié)論

（1）由于機械設(shè)計手冊軟件版和SolidWorks的操作均易于上手，經(jīng)過教師的簡單示范加上學(xué)生的自學(xué)，完全可以掌握，所以在《機械設(shè)計》課程教學(xué)中，引入機械手冊軟件版和SolidWorks軟件是可行的。

（2）在《機械設(shè)計》理論課中引入機械設(shè)計手冊軟件版，可有效解決紙質(zhì)版手冊數(shù)量不足及電子版手冊無法自動計算的問題，既教會學(xué)生使用手冊的方法，又克服了學(xué)生面對繁瑣設(shè)計過程、復(fù)雜計算公式時的畏難情緒，提高了設(shè)計效率，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)積極性，為后續(xù)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和將來的工作實踐打下基礎(chǔ)。

（3）在《機械設(shè)計》理論課中引入三維建模軟件SolidWorks，讓學(xué)生在利用SolidWorks完成作業(yè)，可及早訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代工程工具解決實際問題的能力。

（4）將設(shè)計理論、手冊應(yīng)用、建立模型三者結(jié)有機結(jié)合，在《機械設(shè)計》課程中貫徹了手冊的應(yīng)用能力和建模技能培養(yǎng)，增強了學(xué)生的專業(yè)綜合能力。

參考文獻(xiàn)

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