“計算機工程應用基礎”課程模塊化教學改革實踐
——基于Solidworks軟件的齒輪泵設計

吳昊榮 張權浩 蒲九州 李曉曉

（1.成都大學電子信息與電氣工程學院,四川 成都 610106；2.成都大學機械工程學院,四川 成都 610106）

1 引言

“計算機工程應用基礎”課程的主要教學目的是教授學生計算機輔助三維建模、裝配、工程圖、工程分析等相關理論和知識，培養學生使用計算機三維設計軟件解決機械工程領域中的設計、計算、分析的能力，從而達到提高設計、制造機械產品和裝備的工作效率的目的[1]。該課程的主要任務是使學生理解和掌握使用典型計算機三維設計軟件進行機械輔助設計的基本理論、知識和方法，從而培養學生針對機械工程實踐問題的三維建模、三維裝配仿真、工程圖投影、工程力學的分析能力。在Solidworks三維設計軟件的學習中，學生需要通過不斷實踐才可以理解并掌握繪圖的方法和技巧。減速器作為一種傳動裝置，主要被用來降低轉速和增大轉矩，廣泛應用于冶金、礦山、化工、紡織等領域[2]。作為常見的機械結構，齒輪泵包含了上下箱體、軸和軸承、前后端蓋、大小齒輪等典型零部件，非常適合學生練習三維建模使用。以齒輪泵模型為例，通過對齒輪泵進行建模、裝配、出工程圖和仿真分析，學生能夠掌握Solidworks軟件的基本使用技能。

2 課程目標

（1）熟悉常用三維設計軟件Solidworks的界面、菜單使用和主要工作環境設置，掌握其基本使用方法；理解和掌握面向對象的計算機輔助設計的基本思路、方法和手段，包括三維設計的建模、裝配、工程圖、分析、改錯等知識內容。

（2）具備初步的計算機輔助設計能力，以及初步的工程問題計算機設計分析和解決能力。

3 基于Solidworks軟件的齒輪泵模塊化設計

3.1 齒輪泵箱體類零件的三維建模

齒輪泵箱體分為前蓋、基座和后蓋三個部分。基座整體結構是利用“拉伸”和“切除”完成的，基座端面的螺紋孔可以先畫一個，然后利用“圓周陣列”和“鏡像”的方式繪制，兩側的進油口和排油口也可以利用“拉伸”→“鏡像”→“切除”來完成。進油口和排油口與基座整體結構間的連接部分通過“倒圓”繪制。同樣，齒輪泵前蓋和后蓋的箱體和箱蓋的主體外形是通過“拉伸”與“切除”完成的。二者中的螺紋孔和銷孔可以通過多次“切除”繪制，但最好通過“異形孔向導”一次性繪制，然后通過“圓周陣列”和“鏡像”生成。其中，后蓋凸出部分的大螺紋孔可以直接通過“螺紋修飾”工具生成。齒輪泵基座、前蓋和后蓋如圖1所示。

圖1 齒輪泵箱體類零件

3.2 標準件的三維建模

Toolbox是Solidworks的標準零件庫，其中包含了各種標準件，齒輪泵中的螺栓、螺母、墊圈和鍵等標準件都可以直接調用。從Toolbox零件庫中調用的標準件設定好相關尺寸參數后，直接另存為三維零件，將其導入到裝配圖中即可使用。齒輪泵通過標準零件庫Toolbox生成的部分標準件如圖2所示。

圖2 Toolbox生成的部分標準件

3.3 齒輪泵回轉體類零件的三維建模

回轉體類結構在機械結構中占了很大一部分，其主體部分可使用“旋轉”工具建模，“旋轉”的關鍵在于選定一根軸線。以軸類零件為例，除了主體部分使用“旋轉”命令，繪制軸類零件通常還需要繪制鍵槽等結構。繪制鍵槽時，最直觀的繪制方法是先新建一個平鍵下表面的基準面，然后在基準面上繪制鍵的草圖輪廓，通過“切除”來繪制。如果是螺紋軸，可通過“螺紋修飾”特征繪制螺紋。螺紋軸示意圖如圖3所示。

圖3 螺紋軸

3.4 齒輪泵齒輪類零件的三維建模

齒輪類零件三維建模的重點在于輪齒的繪制，齒輪包括直齒輪、斜齒輪和錐齒輪等類型。常用的漸開線齒輪的設計關鍵在于漸開線輪齒的繪制。繪制漸開線齒輪時需要使用“全局變量”和“方程式”命令，而“全局變量”和“方程式”又涉及零件建模的參數化設計。通過“全局變量”和“方程式”建立的函數關系繪制出輪齒輪廓，再通過“拉伸”和“切除”等命令，就可以繪制出如圖4所示的直齒輪和錐齒輪。

圖4 齒輪泵齒輪類零件

3.5 齒輪泵的裝配

“自下而上”設計的主要設計思路是先做零部件，然后將零部件插入裝配體文件中進行組裝，從而得到整個裝配體[3]。這種方法在零件之間不存在任何參數關聯，僅僅存在簡單的裝配關系。在繪制好所有零部件后，采用“自下而上”的裝配方法對齒輪泵進行裝配。裝配時，點擊“插入零部件”后，在提示框中選擇齒輪泵的基座，第一個插入的零部件會被默認為“固定”的約束關系；接著將前蓋、墊片、齒輪、齒輪軸等零件逐個裝配到圖中，約束關系主要利用同軸心、平行或重合等配合方法；最后，將后蓋配合到箱體上，再插入螺栓等緊固件完成裝配工作。為了便于裝配，裝配過程中，還可以對三維模型進行上色、隱藏和更改透明度等處理。圖5為安裝好的齒輪泵。為了便于觀察裝配體，還會對裝配好的模型進行“爆炸”操作，齒輪泵爆炸視圖如圖6所示。

圖5 齒輪泵總裝配圖

圖6 齒輪泵爆炸視圖

為了保證裝配體的機構運動仿真過程順利進行，要對已裝配的裝配體要進行碰撞干涉檢查。利用Solidwork軟件的干涉檢查功能確定裝配體各零件是否發生干涉現象，可以簡化產品的設計開發過程。進行干涉檢查時，打開Solidwork軟件界面的“評估”中的“干涉檢查”，選擇整個裝配體進行所有零件的干涉檢查。干涉檢查后的結果如圖7所示。

圖7 齒輪泵裝配體干涉檢查結果圖

3.6 工程圖繪制

作為一名工程設計人員，建立三維模型只是前期工作，為了便于后期的加工制作，必須用三維模型繪制出工程圖。利用AutoCAD軟件進行工程圖繪制時，要求設計師對每個視圖都進行繪制，很占用時間，但是利用Solidworks軟件進行工程圖繪制時，通過將三維模型導入的方法，可以直接將模型的視圖表達出來，大大節省了出圖人員的精力。通過Solidworks軟件導出的齒輪泵軸套的工程圖如圖8所示。

圖8 齒輪泵齒輪泵軸套的工程圖

4 總結與建議

利用Solidworks軟件可以對齒輪泵進行零件建模、出工程圖和虛擬裝配，還可以對裝配體進行干涉檢查、制作裝拆過程的仿真動畫。基于Solidworks軟件在三維實體設計上的優越性，越來越多的制造業工程師都在使用Solidworks軟件。對“計算機工程應用基礎”課程進行模塊化教學改革實踐，它有利于初學者熟練掌握Solidworks軟件使用方法技巧，值得進一步推廣。