基于機械設計手冊軟件版和SolidWorks的V帶傳動設計研究

王增勝 張洛明 李亞南

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

關鍵詞：機械設計；機械設計手冊軟件版；SolidWorks；V帶傳動；三位一體

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.109

1 機械專業課程教學現狀及存在的問題

《機械設計》是機械設計制造及其自動化專業的一門重要的骨干核心課程，該課程的主要任務中，有一項是培養學生具有運用手冊查閱有關技術資料的能力。在機械類教學質量國家標準中，“培養規格”-“人才培養基本要求”-“業務方面”第（4）、（5）條，專門提到要求學生具有對工程問題進行建模求解的能力、應用現代工程工具的能力。實際教學中，這些能力的培養往往分散在不同的課程當中進行，是相互割裂、離散的，缺少及時的系統訓練，學生做不到學以致用，未能形成綜合能力。以手冊使用和實體建模能力的培養落實情況為例，其現狀及由此產生的問題如下：

（1）《機械設計》理論課程教學中，機械設計過程的教學以講解例題為主，學生完成作業以手算為主，基本不涉及手冊的使用。一方面這種方式導致學生未能盡早訓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設計的過程一般步驟較多，計算量大，因此在《機械設計》理論課程中學習時，學生往往會覺得枯燥、繁瑣，從而失去學習興趣。

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

（3）二維或三維軟件課程的學習在《機械設計》課程之后，比較滯后。在建模軟件類課程學習時，學生往往是練習書中有現成尺寸和建模步驟的例子，缺乏應用軟件解決具體實際問題的訓練。

（4）畢業設計階段須要綜合應用所學理論知識、手冊、建模軟件解決問題，而之前缺乏這種“集成”式的訓練，導致畢業設計進度滯后，效果不佳。

（5）由于專業綜合能力訓練不足，導致學生畢業時對自己的專業能力沒有信心，影響就業質量。

為解決以上問題，筆者提出在《機械設計》課程理論教學中引入機械設計手冊軟件版和建模軟件SolidWorks的教學方式，及早訓練學生的設計、建模等專業綜合能力。現以V帶傳動的設計，加以說明。

2 利用機械設計手冊軟件版實現V帶傳動的設計計算

V帶傳動的設計一般是在已知工況、功率、轉速/傳動比及外輪廓尺寸等的情況下，設計確定帶的型號、長度、根數、中心距、帶輪結構和尺寸、張緊力和壓軸力等。據統計，V帶傳動的設計至少包含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，小帶輪轉速n=960r/min，傳動比i=2.34，初定中心距1000mm，要求設計該V帶傳動。以下以機械設計手冊（新編軟件版）2008為工具，說明其設計過程。

啟動機械設計手冊軟件版，點擊菜單欄[常用設計計算程序]，選擇[帶傳動設計]，進入帶傳動設計模塊。面板左側依次出現帶傳動的設計步驟，點擊進入相應流程，完成后點擊確定按鈕則進入下一流程，直至設計結束。具體過程如下：

（1）開始新的計算：輸入設計者、單位等信息。

（2）選擇帶傳動類型：選擇V型帶設計—普通V帶。

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

（4）選定帶型和基準直徑：在設計功率一項中點選查詢，選擇工況系數，根據帶式輸送機，兩班制工作，選擇工況系數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，根據設計功率和小帶輪轉速，選擇A型帶，并且dd=112～140；在小帶輪的基準直徑面板中，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，選擇大帶輪基準直徑250。

（5）軸間距的確定：在初定軸間距面板中選擇根據結構要求定，取a0=1000mm；在所需基準長度面板中，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：點擊計算按鈕，得到帶速v=5.63m/s，包角α=171.7°，在確定參數面板中查詢并輸入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）結束：點擊結束，生成設計結果。如圖4所示。也可點擊菜單欄—報表—結果報表輸出—詳細報表，獲得詳細報表。

（10）帶輪結構設計：在帶傳動設計模塊面板中點擊左側[查詢]→[V帶輪輪緣尺寸]，得輪槽參數如下，輪緣結構如圖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，故小帶輪直徑應取d0=38mm，轂長應小于80mm，查表得小帶輪結構為實心輪。

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，結構為腹板式，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帶輪的結構形式和腹板厚度得腹板厚度S=15mm。

至此，帶傳動設計全部完成。

可見，利用機械設計手冊軟件版進行V帶傳動的設計，可實現自動計算，降低出錯幾率；點擊查詢按鈕，可直接調出所需圖表，節省查閱時間，提高設計效率；點擊說明按鈕，獲取設計知識，答疑解惑。

3 利用SolidWorks實現V帶傳動的實體建模

3.1 零件建模

根據利用機械設計手冊軟件設計所得的結構尺寸，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，并在左側設計欄屬性面板中的[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，利用機械設計軟件設計的V帶傳動通過SolidWorks以三維模型的形式表達設計出結果，完成了從設計到建模的完整訓練。同時，還可以將三維模型轉化為二維工程圖，得到各零件的加工圖紙。

4 結論

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

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

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

（4）將設計理論、手冊應用、建立模型三者結有機結合，在《機械設計》課程中貫徹了手冊的應用能力和建模技能培養，增強了學生的專業綜合能力。

參考文獻

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