轴系组合设计虚拟实验的设计与实践——基于Solidworks

杨文敏，刘大为，吴志立

（湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128）

实验教学是课程教学的重要教学环节之一，传统的实验教学离不开实验教学设备，不过，随着计算机技术和虚拟样机技术的发展，虚拟实验及其平台正在多个学科和学校推广开来。教育部办公厅印发的《2017年教育信息化工作要点》中提出要深化数字教育资源开发与应用，遴选一批典型虚拟仿真实验项目，开展虚拟仿真实验共享平台建设。2018年教育部下发了开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知，并公布105个首批国家虚拟仿真实验教学项目。教师根据实际教学的需要，对抽象的实验过程以生动逼真的动画表现形式进行展示，虚实结合，最大限度发挥虚拟仿真实验的优势，提高教学效果[1]。

国内许多学者研究和开发了机械基础的虚拟实验。吴青凤等开发了基于VB的减速器虚拟拆装平台，弥补了传统减速器拆装实验的不足[2]。邬宗鹏基于Virtool软件开发了减速器的拆装实验[3]。李梦如等采用SolidWorks创建实验设备的三维模型，以C#和VRML相结合的方式搭建虚拟场景和编制人机交互界面，开发了机械设计虚拟实验教学平台[4]。常金光等基于web虚拟现实技术、信息技术、网络技术等设计了一套适具有开放式教学功能的虚拟实验平台[5]。熊平原运用Unity3D软件，结合Pro/E、3D Studio Max及Java等工具，构建机械运动方案虚拟创新设计实验平台，在三维虚拟场景中实现了对平面机械模型的拆装、旋转、缩放和运动仿真等功能[6]。轴系组合设计实验是机械设计课程实验项目之一[7]，本文利用Solidworks作为软件平台开发轴系组合设计虚拟实验。

1 轴系组合设计实验开设现状

轴系组合设计是设计性、创新性实验。该实验主要目的是要求学生根据轴的转速高低、轴上传动零件所承受的外载荷等条件，选择轴承的型号、拟定轴系组合设计方案。现有的实验设备是JK-1型创意组合式轴系结构设计实验箱，实验箱配置有各种轴系零件110多件。开设方式为分组实验，4名学生一组，根据指导教师分配的试验题号开展实验，主要有方案设计、实物组装、测绘绘图等试验步骤。该实验既应要求学生动脑，也要动手，同学们参与实验的积极性很高，实验效果较好，但在实验开设中也发现一些问题：一是由于实验设备连续使用，实验零件有缺失，影响学生所拟实验方案的拼装；二是实验箱中零件较多，还有和其他组的实验箱中的零件相互混杂的现象，学生并不能够很快地找到所需要的实物零件，实验耗费时间较长，一般在4小时左右。为了提高实验效率，我们设计开发了轴系组合设计虚拟实验，并在机制专业中试用。

2 轴系组合设计虚拟实验设计方案

2.1 轴系组合设计虚拟实验总体设计方案

在Solidworks三维设计软件中建立轴系组合设计的虚拟零件库，并将该虚拟零件库配置到C：SolidWorks Data文件夹中。开设实验时，学生根据题目中的已知条件，选定传动零件和滚动轴承，确定支承方式、内外圈的紧固方式、润滑和密封方式等。从虚拟零件库中间将所需要的零件拖到装配环境中间来，再灵活应用Solidworks装配工具，进行装配，实施干涉检查，生成编辑二维工程图，完成实验报告。

2.2 轴系组合设计的主要内容

轴系组合设计，主要根据载荷、转速等工作条件，选择滚动轴承的型号，确定滚动轴承的支承方式，正确解决滚动轴承的安装、紧固、游隙调整、润滑、密封等问题。设计的虚拟实验必须配置多个必要的零件，组成零件库，以便在实验开设过程中，对轴承组合设计的所有知识点实施训练和考核。

（1）滚动轴承的选用。轴承所受载荷的大小、方向、性质是选择轴承类型的主要依据。载荷大小、转速的高低由实验题目中指定。为训练设计不同传动零件的支承方式，虚拟零件库需配置直齿圆柱齿轮、斜圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆传动等传动零件。圆锥齿轮、蜗杆的支承用到套杯，因此要配置不同结构形式的套杯。另外，还得配备齿轮轴、实心式、腹板式等不同结构形式的齿轮。

（2）滚动轴承配置。根据工作情况不同，滚动轴承有双支点单向固定、单支点双向固定和两端游动支承三种配置。不同的配置方式，轴的结构形式也不同，因此需要配置各种结构形式的轴。

（3）滚动轴承的轴向紧固。滚动轴承内圈与轴的轴向紧固方式有轴肩、轴用弹性挡圈、轴端挡圈、圆螺母和止动垫圈、紧定衬套和圆螺母和止动垫圈；滚动轴承外圈与轴的轴向紧固方式有孔用弹性挡圈、止动环、轴承端盖、螺纹环等。因此，虚拟实验台需配置不同规格的轴用弹性挡圈、轴端挡圈、圆螺母、止动垫圈、紧定衬套、孔用弹性挡圈、止动环、轴承端盖、螺纹环等。其中端盖根据结构型式又有凸缘式端盖和嵌入式端盖之分，根据是否穿孔，又分为透盖和闷盖。

（4）轴承游隙及轴上零件的位置调整。轴承的游隙一般是靠调整端盖下垫片的厚度来调整。为了调整轴承的游隙，因此虚拟零件库得配置不同厚度的垫片及调整环。

（5）滚动轴承的配合和装拆。滚动轴承内圈和轴的配合采用的是采用基孔制，外圈和轴承座孔的配合采用基轴制。因此，虚拟零件库中轴颈的外径尺寸和轴承的内径尺寸就要协调一致，轴承座孔的内径尺寸与轴承的外径尺寸就要协调配合。

（6）滚动轴承的润滑和密封。滚动轴承分为油润滑和脂润滑。润滑方式不一样，保证润滑的附件也不一样。如油润滑的轴承，其轴承座和轴承盖上有油沟油槽，另外还有必要的挡油环；脂润滑的轴承，就必须配套封油环。密封的方式分为接触式密封和非接触式密封两大类。接触式密封油有毛毡圈密封、唇形密封圈密封和密封环密封。非接触式密封有缝隙密封、甩油密封和曲路密封。因此虚拟零件库要配置毛毡圈、唇形密封圈、压环、密封环、套筒、甩油环、曲路密封旋转件和固定件（端盖）等零件。

2.3 虚拟零件库中零件类型及数目的确定

为了对上述轴系组合设计的内容进行实验训练，尽量减少虚拟零件库的数目，将各类滚动轴承的内径限定为30mm，各根轴的轴颈依此设计为30mm。各齿轮均为标准齿轮，模数为3mm、齿数为17或32、齿宽20mm或40mm，以保证整个装配体外形尺寸不至于太大。拟定的虚拟零件库中零件分为支座类、轴类、齿轮类、轴承类、端盖等八大类共123件，虚拟零件库中的零件类型及数目见表1。

表1 虚拟零件类型及数目

序号系列数类别 零件名称15 22206 C、52206、N A 4906 各 116 联轴器 联轴器A 117 联轴器B 1轴承18甩油环19 挡油环20 轴套21 调整环22 调整垫片23 压环轴套类24 曲路动圈 1直齿轮用支座 128 锥齿轮用支座 129 蜗杆轴用支座 125 锥齿轮轴用套杯 126 蜗杆用套杯 127支座类30 底板 131联接件螺母M 832 圆螺母M 30×1.533 螺栓M 8×20 134 2平键 8×35、8×20

3 轴系组合设计虚拟实验设计的关键技术

3.1 虚拟实验用户界面的设计

为了Solidworks用户界面协调，将轴系零件库配置在C：SolidWorks Data文件中，轴系组合设计虚拟实验的用户界面就在“任务窗格”中显示出来，如图1所示。用户只要从“轴系零件库”中选用所需要的零件复制到“我的方案”中，即可实施装配、装配检查、生成二维工程图等。

图1 虚拟实验界面

3.2 虚拟零件库中主要零件的建模方法

虚拟零件库中轴类、支座类、端盖类及联轴器等零件的建模方法比较简单，用拉伸、旋转等常规的建模方法即可得到。在此，主要阐述系列零件、标准件、传动零件的建模方法。

（1）系列零件的建模方法。在上述虚拟零件库中有些零件有多个系列，即外形特征相同或相似，仅有尺寸不相同，如轴套、调整环、调整垫片等，该类零件采用建立多个配置的方式建模。例如将轴套的长度设为“配置尺寸”，分别设20.5mm和17mm，得到两个系列的套筒零件。将调整垫片的内径、厚度设为“配置尺寸”，分别设φ62厚1mm、2mm和φ53mm厚1mm、2mm，得到4个系列的调整垫片零件。

（2）标准件的建模方法。Solidworks软件的Toolbox插件中含丰富的标准件，虚拟零件库中轴承、螺栓、螺母、平键等标准件，均可用Toolbox直成。

（3）齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件用常规的建模方法，步骤较多。用GearTrax、ToolBox、FNT等插件可较快建立这些传动零件的三维实体模型。本虚拟零件库利用GearTrax插件建立传动零件的模型。例如，在插件GearTrax_zh-CN环境中输入蜗杆蜗轮的模数m、压力角α、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2及螺旋线方向等主要参数，点击“在CAD创建”即可生成蜗杆蜗轮的三维实体模型。

4 轴系组合设计虚拟实验的开设

将建设好的虚拟零件库一方面配置到CAD中心的电脑中，另一方面采用网盘共享给选课学生。学生在课前课后可以自选实验题号自由练习。在CAD中心实验开设该实验时，每个学生班一人一台电脑，老师按座位顺序指定实验题目（见表2），保证相邻的学生不重题。下面以实验题号1为例，简要说明虚拟实验使用方法。

实验题号1中，传动零件为小直齿轮，轴上载荷仅为径向载荷，载荷为轻载，轴的转速较低，因此，选用深沟球轴承（6类）；支承跨度较小，选用双支点单向固定；一端采用凸缘式闷盖，另一端采用凸缘式透盖；两端端盖下均采用石棉密封垫圈密封，轴的伸出端采用毛毡圈密封。

从轴系虚拟零件库中，选出底板、直齿轮用支座、直齿轮轴、轴承6205、凸缘式闷盖、凸缘式透盖、调整垫片、毛毡圈、螺栓M8×20、螺母M8、垫圈22等零件。灵活应用Solidworks装配工具，添加重合、同轴心、垂直等配合关系，组装成轴系部件装配体，如图2所示。对整个装配体实施干涉，确保无干涉。之后，可生成爆炸视图和二维工程图。

表2 轴系组合设计实验题目

图2 轴系组合设计示例

5 结论

（1）设计轴系组合设计虚拟实验，方便学生在实物实验前预习，在实物实验后反复练习。每位学生可以在实验前在虚拟平台上完成不同种方案的设计，对不同工况的轴系部件进行组合设计训练，既节约了实验的时间，又能够提高教学效率，也很大程度上保证了实践环节的教学质量。但实物拼装实验给学生提供了较强的感性认识，进一步训练学生装拆、调整装配体的技能。因此，建议虚实结合开设轴系组合设计实验。

（2）在机械设计实践教学中引入了虚拟实验平台和零件库，可以让实验零件类型、数量更加丰富，学生可以根据自己的设计方案增添零件的数目，能够搭建轴系结构方案也不再受到实验箱中所给出零件的限制，拓宽了实验内涵，提高了学生的创新能力。

（3）在一定程度上解决了实验室、实验场地和实验经费紧张的局面，同时也能够很好地解决实验教师、实验室、和学生三者之间时间、空间不同步的问题，能够高效、灵活、自主的开设实验。