機(jī)械系統(tǒng)仿真課程與其他課程聯(lián)系的教學(xué)探索

喬印虎，張春燕，張樹鋒

（安徽科技學(xué)院 工學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

機(jī)械系統(tǒng)仿真課程與其他課程聯(lián)系的教學(xué)探索

喬印虎，張春燕，張樹鋒

（安徽科技學(xué)院 工學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

機(jī)械系統(tǒng)仿真課程是一門車輛工程專業(yè)大四的專業(yè)方向課程，涉及的知識(shí)面廣且泛，課時(shí)較少，單從課程內(nèi)容或者教材內(nèi)容講解學(xué)生理解比較困難，而且很難調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為了便于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握、理解課程知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，作者嘗試在上課過程的知識(shí)點(diǎn)講解中引用案例和前期課程相聯(lián)系，讓廣而泛的知識(shí)點(diǎn)更加具體化，易于理解、掌握，取得了較好的效果.

機(jī)械系統(tǒng)仿真課程；案例；教學(xué)

1 引言

機(jī)械系統(tǒng)仿真課程是我校車輛工程專業(yè)大四學(xué)生的一門專業(yè)方向課，這門課程涉及的知識(shí)面廣，從課程表面看好像和前期課程及專業(yè)沒有太大的關(guān)聯(lián)，而且課時(shí)較少，18個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，18個(gè)理論課時(shí)，共36課時(shí)，學(xué)生到了大四精力分散嚴(yán)重，同時(shí)學(xué)習(xí)的選擇性和主動(dòng)性有所提高，如果單從這門課程內(nèi)容或者教材本身去講解，學(xué)生理解起來比較困難，很難吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，作者在認(rèn)真分析以上情況后，嘗試在上課過程中講解主要知識(shí)點(diǎn)后，主要引用一些與前期課程、專業(yè)等相關(guān)的實(shí)例分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化內(nèi)容，提出具有拓展思維的問題留給學(xué)生課下去完成，并以創(chuàng)新分成績(jī)加到學(xué)生平時(shí)成績(jī)，這樣，既便于學(xué)生很快掌握這門課程，在短時(shí)間內(nèi)理解、掌握課程的知識(shí)點(diǎn)，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)思維方法，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，通過學(xué)生作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)及學(xué)期末老師和學(xué)生交談、學(xué)生評(píng)教、考試成績(jī)等綜合分析，作者的嘗試取得了較好的效果.

2 實(shí)施方案

表1 機(jī)械系統(tǒng)仿真課程實(shí)施方案

機(jī)械系統(tǒng)仿真課程理論與實(shí)驗(yàn)均為18個(gè)課時(shí)，為了使理論與實(shí)踐結(jié)合，理論與實(shí)驗(yàn)都按照2課時(shí)/次安排，實(shí)驗(yàn)和理論各為8次，實(shí)驗(yàn)課晚于理論課1次，實(shí)驗(yàn)課程教材是作者自己編寫，使理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，根據(jù)課程次數(shù)，把這門課程的知識(shí)點(diǎn)歸為8大類，每次課程一個(gè)大的知識(shí)點(diǎn)，知識(shí)點(diǎn)后講解一個(gè)和前期課程、專業(yè)或?qū)嵺`等相關(guān)且又便于理解的實(shí)例，具體安排參見表1.

3 具體案例

3.1 與前期課程聯(lián)系

以第2次課程實(shí)例為例進(jìn)行闡述.

3.1.1 案例內(nèi)容

設(shè)一個(gè)直齒二級(jí)齒輪減速器，基本結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下：第一級(jí)：模數(shù) m=4mm，z1=20，z2=50；齒寬 B=40mm；第二級(jí)：模數(shù) m=4mm，z1=30，z2=70；齒寬 B=40mm；則第一級(jí)傳動(dòng)小齒輪分度圓直徑為d1=m×z1=80mm,d2=m×z2=200mm；第二級(jí)傳動(dòng)小齒輪分度圓直徑為 d1=m×z1=120mm，d2=m×z2=280mm.

3.1.2 減速器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

首先根據(jù)題目要求建立減速器虛擬樣機(jī)模型[3]如圖1所示，然后設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，包括4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、1個(gè)固定副及2個(gè)齒輪副，如圖2所示，最后設(shè)置仿真參數(shù)，在ADAMS/View驅(qū)動(dòng)庫(kù)中選擇旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)（Rotational Joint Motion）按鈕，在Speed一欄中輸入3000，表示旋轉(zhuǎn)速度3000度/秒.左鍵選小齒輪軸JOINT_1作為驅(qū)動(dòng).為便于計(jì)算，設(shè)置仿真終止時(shí)間（End Time）為 1，仿真工作步長(zhǎng)（Step Size）為 0.01.

圖1 減速器虛擬樣機(jī)模型

圖2 減速器虛擬樣機(jī)添加運(yùn)動(dòng)副

圖3 減速器仿真結(jié)果

3.1.3 結(jié)果分析

減速器仿真[4]結(jié)果如圖3所示，先對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析.

①第一級(jí)嚙合運(yùn)動(dòng)分析.因小齒輪齒數(shù)20，大齒輪齒數(shù)50，模數(shù)m=4m，據(jù)傳動(dòng)原理知，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)外嚙合漸開線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，大齒輪轉(zhuǎn)速為小齒輪的2/5，即3000×(2/5)=1200deg/s.即當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速3000deg/s時(shí)，一級(jí)減速獲得轉(zhuǎn)速－1200deg/s，負(fù)號(hào)表示方向相反；同樣對(duì)第二級(jí)嚙合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析.因?yàn)樾↓X輪齒數(shù)為30，大齒輪齒數(shù)70，則最后理論上獲得的轉(zhuǎn)速應(yīng)為1200×3/7=514.286deg/s，二級(jí)減速獲得輸出轉(zhuǎn)速514.3deg/s，所建模型正確，符合標(biāo)準(zhǔn)外嚙合直齒齒輪傳動(dòng)角速度與齒輪的分度圓直徑成反比的結(jié)論.

②ADAMS是以相鄰兩回轉(zhuǎn)軸MARKER點(diǎn)與嚙合MARKER點(diǎn)的距離之比確定傳動(dòng)比的，改變回轉(zhuǎn)軸上MARKER點(diǎn)的位置不影響最終結(jié)果.

③以旋轉(zhuǎn)方式建立齒輪模型可以省卻調(diào)整MARKER點(diǎn)位置的麻煩，但MARKER點(diǎn)z軸的指向應(yīng)根據(jù)實(shí)際線速度方向作相應(yīng)的調(diào)整.

④在嚙合點(diǎn)處，將標(biāo)記點(diǎn)(MARKER)的z軸方向旋轉(zhuǎn)一定角度，就可以仿真斜齒齒輪傳動(dòng)情況.

經(jīng)分析及理論計(jì)算驗(yàn)證，仿真結(jié)果合理，用虛擬樣機(jī)技術(shù)既和前期機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)知識(shí)緊密聯(lián)系，又證明了應(yīng)用仿真技術(shù)提高了設(shè)計(jì)效率，并保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，使學(xué)生較輕松的掌握了這種仿真方法及ADAMS軟件的使用.

3.2 與專業(yè)、實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系

以第2次課程實(shí)例為例進(jìn)行闡述.

因ADAMS軟件具有很好的動(dòng)力學(xué)仿真性能，但是其只能建立簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)模型，對(duì)于較復(fù)雜的模型建立費(fèi)時(shí)，所以作者嘗試將三維建模功能較好的CATIA軟件和ADAMS結(jié)合使用，突出二者的優(yōu)點(diǎn)，具體實(shí)施方法是應(yīng)用CATIA等三維建模軟件建立好三維模型后導(dǎo)入ADAMS如圖4是應(yīng)用CATIA軟件建立并通過專用接口導(dǎo)入到ADAMS中的曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)，然后在ADAMS對(duì)導(dǎo)入的活塞連桿機(jī)構(gòu)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副及仿真參數(shù)等，并進(jìn)行仿真求解其運(yùn)動(dòng)等參數(shù)，如圖5所示.

圖4 曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)模型

圖5 曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

將ADAMS軟件和CATIA軟件相結(jié)合，并選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)系密切又易于理解的單缸曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)作為實(shí)例對(duì)象，讓學(xué)生易于接受，并形成較直觀的理解，同時(shí)和前期現(xiàn)代工程圖學(xué)實(shí)訓(xùn)CATIA軟件應(yīng)用結(jié)合，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)前期課程的重要性并加強(qiáng)理解，也間接的培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力.

4 實(shí)施效果

通過學(xué)生作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)及學(xué)期結(jié)束作者和學(xué)生交談、學(xué)生評(píng)教、考試成績(jī)等綜合分析，作者的嘗試取得了較好的效果.

〔1〕余聯(lián)慶,梅順齊，杜利珍，等.ADAMS在機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,3(21):5-8.

〔2〕陳立平,張?jiān)魄?任衛(wèi)群,等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

〔3〕王洪倫,龔烈航,肖斌安.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械仿真分析與應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓，2008,7(36):140-163.

〔4〕宋理敏,湯志遠(yuǎn).產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011,4(2):211-216.

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A < class="emphasis_bold"> 文章編號(hào)：1

1673-260X（2012）07-0225-02

安徽科技學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科（AKXK20102-5）；安徽省教育廳基金項(xiàng)目（KJ2010B051）；安徽科技學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)課程（ZDKC1124）