宋爱荣　赵慧娟

摘 要： 轴系结构是机械的重要组成部分， 也是机械设计课程的核心教学内容。 创意组合式轴系结构设计实验装置， 是完成包含多种不同轴系固定、 各类轴承定位、 各种轴上零件的轴向定位和周向固定的轴系结构设计。 应用Solidworks软件开发的三维模型， 使所展示的物体外形更形象， 结构更加清晰， 动画装拆更形象直观。 创意组合式轴系结构设计实验装置为提高学生的轴系结构创意设计能力， 提供了较完善的软硬结合的实验环境。

关键词： 轴系， 实践教学， 结构设计， 创新能力

Abstract：Shafting is a very important part of a machinery and also the core content of mechanical design.Many mechanical experiments such as fixing and positioning of bearings and other parts can be carried out using the combined innovative shafting installation discussed in this paper.3D models plotted using Solidworks can show the machines more visually and more clearly and the assembling／disassembling process can be shown too.The experimental installa-tion may help the students to improve their innovation and practical abilities.

Keywords：shafting， practical teaching， structural design， innovation ability

一、 引言

轴系结构设计是 “机械设计” 课程的重点内容之一， 轴系结构创新设计实验是学生将理论应用于实践的很必要的一个环节， 该实验涵盖了轴、 轴承、 联轴器、 键与花键连接、 螺纹连接及支承座等设计内容。 虽然通过课堂教学的讲解， 通过作业做轴的结构设计或改错题， 基本掌握教材相关内容， 但学生在实际设计中总存在一些问题，如轴系配置方案不合理， 轴承没有轴向固定， 轴肩过高不便轴承拆卸， 轴阶梯设计不合理， 零件装配困难或无法装配等问题。 确实， 轴系结构设计也是 “机械设计” 课程的难点内容之一， 轴系结构设计正是实践性很强的内容， 仅靠 “讲” “做” 这样的纸上作业是不够的。 感性认识和实践知识的不足影响常规设计的顺利进行， 更无法实现设计上的 “创新”。 为了提高学生的轴系设计水平与能力有必要开设 “轴系结构设计”实验。 在学生没有实际操作能力的情况下， 多媒体教学已经成为当今教学的重要辅助手段， 尤其是应用SolidWorks软件开发的三维模型， 使所展示的物体外形更形象， 结构更加清晰， 动画装拆更形象直观。 三维动画技术在机械类课程教学中的应用为机械类课程教学注入了新的活力， 有效地提高了教学质量， 促进了教学手段的现代化， 对教学改革起到十分重要的作用。

二、 创意组合式轴系结构设计实验装置

在机械设计这门课程中， 为了提高学生的轴系设计水平与能力有必要开设 “创意组合式轴系结构设计” 实验。 该实验课程， 将为学生的设计能力与创新能力的培养提供必要的实验环境。 本实验装置共由40余种100多个基本零件组成， 可组成8类轴系，可用于基本轴系结构学习和轴系创意设计。 实验装置设计主要考虑轴的固定方式、 轴上零件的固定、 轴系零件的配合与密封， 以及联轴器的连接等。 如图1、 图2所示， 应用不同类型轴承的轴系结构设计平面图。 创意组合式轴系结构设计实验装置， 在实验室学生需要对零部件进行组成及装配， 教师如果用上述的二维平面图去讲授， 则学生理解这些知识需要有丰富的空间想象力。 虽然可以借助教学实物模型， 但拆卸和解剖非常不方便， 且操作较为费时。 如果使用三维动画技术则可以很好地解决此类矛盾。

图1 圆锥滚子轴承—轴系结构 （脂润滑方式）

图2 球轴承—轴系结构 （稀油润滑方式）

如图1所示， 教师可以使用含三维动画的多媒体课件逐一讲解齿轮轴的组成及其装配方法， 也可以用半剖的形式向学生讲解。 通过这些手段， 就可以把减速器的轴系构造及装配方法表现得淋漓尽致， 学生通过观察轴系的三维动画片断不仅掌握了其构造， 还能掌握其装配方法， 一些实物无法体现的东西在动画中都可以很直观地表现出来。

三、 SolidWorks软件应用于轴系结构的设计

SolidWorks是功能强大、 易学易用和高效创新的三维CAD系统， 可进行机械设计、零件设计、 模具设计、 装配体和工程图设计等。 此软件已成为机械设计领域中的三维绘图最常用的软件之一， 众多工程师都能快捷上手。 采用虚拟装配技术可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性， 保证设计的正确性， SolidWorks装配较为灵活， 采用树形方式表达装配体中的层次和约束关系， 在动态拖动零部件的同时， 可自动捕捉适当的配合关系， 在进行零件间三维装配的同时， 可进行零部件之间的干涉检查， 计算装配体的各种物理属性， 再通过装配验证设计的正确性。(www.daowen.com)

减速器的轴系结构是由几十个零件组成的， 绘图时要考虑装配工艺。 三维装配比较复杂， 关键在装配时要明确各个零部件间的位置约束关系， 如对齐、 重合、 平行、相切、 同轴等， 并注意装配的前后顺序， 可将其分为主动轴系零件： 主动齿轮轴、 滚动轴承、 挡油环、 调整环、 主动轴透盖、 主动轴闷盖等； 从动轴系零件： 从动轴、 齿轮、 滚动轴承、 定位套筒、 调整环、 从动轴透盖与从动轴闷盖等所制作的仿真装配，真实地再现了各零部件的相对位置、 装配关系及安装顺序， 可反复观看， 以帮助学生了解其结构和装配工艺。

装配爆炸图是将装配到一起的零部件分别移开， 使学生可以更好地对装配结构和装配关系进行分析和观察。 现在不少CAD三维软件， 都可形象地模拟出装配体各零件间的装配和拆卸过程， 并直接转化为动画， 如图3是采用SolidWorks制作的轴系装配体的爆炸图。 制作时， 可采用自动和手动相结合的方法生成爆炸图， 在手动调整中可以对每个零件移出的方向、 距离等进行设定。 这种爆炸图可以清楚地看清零部件装拆的先后顺序， 直观明了， 此技术应用在教学中， 既调动了学生的学习兴趣， 又能取得事半功倍的效果。 图4是整体装配效果。

图3 三维爆炸视图

图4 三维装配体

四、 三维动画应用于实践教学

目前， 实验教学一般都是由教师先讲解，提出实验要求， 然后按教材上给定的实验步骤完成实验。这种教学方法对激发学生的学习积极性， 培养独立思维和解决问题的能力是不利的。实验教学具有直观性、 实践性、 科研性、 综合性等特点， 实验教学对培养学生动手能力和创新能力具有独特的不可替代的作用。 该三维轴系结构的开发， 改善了传统实践的一贯方式，先把携带不方便的实验教具以电子动画的方式带入课堂， 按照教学要求给学生讲解轴系结构的轴上零件的定位与固定方式、 不同轴承的受力特点、 轴承间隙的调整方法、不同的润滑方式带来的结构变化等， 可以多次反复操作， 教学具有直观性、实践性、科研性、综合性等特点， 这种理论讲解—电子动画演示—再通过实物动手操作的实验教学， 可以使学生快速进入实验状态， 以个人的思路组装各种类型的轴系部件， 这对培养学生动手能力和创新能力具有独特的不可替代的作用。

例如， 笔者上 “机械设计基础” 课程的时候， 班级里有几位男生对该门课程不感兴趣， 开始时上课不注意听讲， 提到课程中涉及零件一窍不通， 更别提零件的定位与固定方式、 不同轴承的受力特点、 轴承间隙的调整方法、 润滑方式等， 后来笔者多次给他们辅导， 反复对着动画讲解零件的形状、 作用、 受力方式、 安装和拆卸顺序等，使他们从不感兴趣引导到非常愿意学这门课程， 做实验时， 他们都抢着动手安装和拆卸零件， 分析定位状况等。 班级的其他同学对减速器动画演示也都非常感兴趣， 通过不断地观看动画和到实验室与实物对照，同学们的学习积极性和动手能力都得到了提高。

五、 结束语

为配合实验装置的使用， 开发了轴系结构设计三维虚拟实验环境系统， 在硬件实验条件与软件实验环境相结合的实验模式方面进行了开发。 多媒体教学已经成为当今教学的重要辅助手段， 尤其是对三维模型的进一步加工处理， 使所展示的物体外形更形象， 结构更加清晰。 三维动画技术在机械类课程教学中的应用为机械类课程教学注入了新的活力， 有效地提高了教学质量， 促进了教学手段的现代化， 对教学改革起到十分重要的作用。 创意组合式轴系结构设计实验装置为提高学生的轴系结构创意设计能力， 提供了较完善的软硬结合的实验环境。

参考文献

［1］ 濮良贵， 纪名刚. 机械设计 （第七版） ［M］. 北京： 高等教育出版社，2001.

［2］ SolidWorks公司.SolidWorks基本零件建模 ［M］. 生信实维公司， 编译. 北京： 机械工业出版社，2005.

［3］ 江洪， 江帆， 等.SolidWorks机械设计实例解析 ［M］. 北京： 机械工业出版社，2006.