SolidWorks软件在机械原理教学中的应用*

陈赛克

(仲恺农业工程学院 机电工程学院，广东 广州 510225)

1 概 述

机械原理课程是大学本科机械类专业的重要专业基础课，它具有很强的工程性、实践性和应用性，对培养学生的机械创新设计意识和解决问题的能力具有重要的作用。机械原理课程教学中涉及大量的机构运动分析以及运动设计的内容，目前对机构进行运动、动力分析的主要方法有图解法和解析法。图解法的特点是形象直观，但大都是用于构件少的平面简单机构，通常只是对机构运动到某几个特定位置进行分析，且精度差。解析法的特点是可以获得精确的计算结果，但由于机构的多样性和组成机构的构件尺寸参数的复杂性，教学模型的建立和计算程序的编制相当繁琐，更难将分析结果在课堂上用图表的方式形象直观地展现出来，这在很大程度上影响到这门程的教学效果和学生的学习积极性。

实践表明，在教学中适当引入工程类软件如SolidWorks对课程中涉及的一些复杂机构进行建模和仿真，不仅可以把一些抽象的概念、原理转化成为生动形象的内容，直观地表达机构的结构组成，显示机构的运动过程，而且还可以分析机构的运动学或动力学特性，具有直观易懂的优点，弥补传统教学中的不足。同时，结合现实生产或生活中各种常见机械的结构,将其形象直观地展现出来，引导学生思考，激发

学生的学习兴趣，这在增强学生对理论知识的理解，培养学生的工程观念 ,提高其创新设计能力方面有着很大促进作用。

SolidWorks造型的最大特点是尺寸驱动，零件和装配体相互关联，为有机整体。此特点在分析构件尺寸等参数变化对机构运动特性的影响时尤为有用。当某个零件的尺度参数需修改时，只需对尺寸数据进行修改，不需重新造型和装，之前建好的装配体会随着零件的修改自动更新。这时再进行新的运动仿真，就可以获得修改参数后的结果。

2 应用实例

2.1 双重周转轮系[1]

双重周转轮系其结构复杂，具有双重系杆，轮系中至少有一个行星轮同时要绕着两个运动的轴线转动。这增加了对此类复杂组合轮系运动分析和传动比计算的难度。图1、2为用于隧道掘进机的双重周转轮系，轮系中的齿轮5，在自转同时还要绕O1-O1轴线和O-O轴线转动。按照周转轮系传动比通用计算方法来计算，不仅计算较麻烦，而且很容易出差错。

根据图1所示的该周转轮系的运动简图及轮系中各齿轮的齿数、模数等数据，利用SolidWorks创建该轮系的虚拟样机。考虑到创建虚拟样机的目的只是进行运动仿真，而不是进行具体的结构设计，故在建立虚拟样机时，只要满足机构的尺度和运动副要求即可。

首先，建立该周转轮系中主要零件如齿轮、转轴的模型。创建齿轮模型可利用SolidWorks的toolbox插件中的齿轮造型工具，只需输入模数、齿数、轴径等参数后，就会自动完成直齿圆柱外齿轮或内齿轮的造型。而转轴可以造型一个圆柱体代替之。然后创建装配体，即根据零件间的连接关系(即运动副)将所有的零件装配在一起。装配时通过添加适当的配合关系，会自动映射成相应的运动副，如转动副是通过添加重合配合和同心配合来实现，1个同心配合和1个重合配合映射成1个转动副；齿轮副是通过添加机械配合中的齿轮配合，选择相啮合的两个齿轮的分度圆来实现。这样创建好的双重周转轮系的装配体见图2所示。

图1 双重周转轮系运动简图 图2 双重周转轮系虚拟样机

利用motion插件对建好的装配体进行运动仿真，不仅可显示该轮系的整个运动过程，得到的各轮的转速达到实现传动比计算的目的，而且还可将整个运动过程记录下来，存为AVI格式，供多媒体课件制作使用。通过逼真的动画演示，能使学生对该复杂轮系运动过程一目了然，大大提高学生的形象思维能力。

2.2 齿轮连杆机构

在工程实践中，齿轮连杆机构是种类最多，应用广泛的一种组合机构，可实现较复杂的运动规律和轨迹。

2.2.1齿轮五杆机构[2]

铰链五杆机构的连杆曲线比传统铰链四杆机构的更为复杂，形式更加多样化。但由于它具有两个自由度，运动时，需要其中两根杆件作为驱动构件。为此，往往与齿轮传动进行组合，形成齿轮连杆机构，这样，机构的自由度只有一个。教科书上往往只是给出了这种机构的解析表达式，从中可以看出，机构各杆件的长度、初始相位角、齿数比等参数对连杆曲线均有影响，难于用图表的方式展现出来，看不到直观的结果。即使用图解法来展示，以增加学生的直观认识，也只能对机构运动到某些特定位置时进行分析，而且精度也因制图误差难以保证。

按上述同样的方式，基于SolidWorks平台，建立齿轮五杆机构的虚拟样机(如图3)，进行运动仿真，分析各种参数对连杆曲线的影响。例如，在取两齿轮的齿数比为1，机构如图3(b)所示，两连架杆的初始相位角为0°，改变曲柄长度，而其余杆长不变的条件下的运动仿真结果表明，随着曲柄(主动件)长度的增大，连杆C点的轨迹曲线轮廓逐渐增大，由扁平的类似椭圆形向近似圆形过渡；当两连杆的长度差别不大，以及两曲柄的长度也相近时，C的轨迹曲线便接近于圆，如图4所示。

如去掉图3(b)中的惰性轮，将机构改成图3(a)的形式，这时，两齿轮的转动方向相反。在其它条件不变的情况下，C点的轨迹则变成了近视倒8字形，如图3(a)所示。且随着曲柄长度的增大，倒8字形的形状会由细窄变宽大。同学们看见机构参数变化，会引起连杆曲线会发生如此神奇的变化，深深感受到尺度等参数在机构原理设计中的重要作用。

图3 齿轮五杆机构装配体

图4 曲柄长度对C点运动轨迹的影响

2.2.2三齿轮连杆机构[3]

三齿轮连杆机构图5所示，它可实现间歇瞬时停歇运动，常用在食品包装机械中。如包装材料的供送及无需定位的切断，糖果的拉条成型及切断分割等，均需要执行构件作间歇瞬时停歇运动来满足这样的动作要求。这种机构由齿轮机构及四杆机构组合而成，图中曲柄AB为主动件。回转副B、C、D上分别装有三个直齿圆柱齿轮。齿轮1与曲柄固连，即齿轮1跟随曲柄一起绕回转副A作匀速转动。齿轮3为输出件。由于齿轮1不会绕其轮心B转动，使得齿轮的啮合传动形式有了很大变化，齿轮3会出现三种不同的运动规律：①不等速单向转动，转动方向与轮1

的相同；②在作单向不等速转动期间会出现一次瞬时停歇现象；③在作单向不等速转动期间会出现两次瞬时停歇，并在这两次瞬时停歇期间作反向转动，即出现倒转现象。正是由于运动的复杂性，以往教学无法演示其运动过程，只给出其解析式，在很大程度上影响学生对这种机构的认识与理解。应用SolidWorks motion 模块对创建的机构装配体(见图6)进行运动仿真，通过逼真的运动展示，和得到的各种运动参数，如速度、加速度、位移等，可获得良好的教学效果。

图5 三齿轮连杆机构运动简图 图6 三齿轮连杆机构装配体

3 结 语

使用SolidWorks软件对机械原理课程中所涉及的复杂机构或组合机构建立其装配体，并利用其motion插件进行运动仿真，不仅可以获得机构的各种运动参数，如速度、加速度、位移等，使学生能够更好地掌握与理解机构的运动规律或运动特性，而且还可以将机构的运动过程以AVI格式保存，供多媒体课件制作使用。通过逼真的动画演示，能使学生对其运动过程一目了然，大大提高学生的形象思维能力，激发学生学习机械原理课程的兴趣。

参考文献：

[1] 陈赛克，凌 轩.基于SolidWorks双重周转轮系的运动仿真[J]. 机械研究与应用，2012(5)：1-2.

[2] 陈赛克，凌 轩.基于SolidWorks的齿轮五杆机构运动仿真[J]. 机械，2011(12)：27-29.

[3] 陈赛克，凌 轩. 基于SolidWorks齿轮连杆机构的运动仿真[J] .食品与机械，2012(6):177-179.