基于Solidworks的减速器拆装虚拟仿真实验教学方法

基于Solidworks的减速器拆装虚拟仿真实验教学方法

杨杰   张振山*

上海工程技术大学机械与汽车工程学院  上海  201620

摘要：本文根据教学内容提供一种减速器拆装虚拟实验教学方法，利用Solidworks软件对典型的单级圆柱齿轮减速器进行三维建模，并进行虚拟装配过程的仿真，作为丰富教学手段的一种途径，也为机械设计基础课程教学质量的提高奠定基础。

关键词：Solidworks；减速器拆装；仿真实验

1、引言

虚拟实验是信息化发展的重要产物，也是实验教学的一个重要组成部分，在疫情防控阶段其作用尤为突出。网络虚拟实验能实现教学资源的充分共享，丰富线上教学的实践性和趣味性。2021年，《机械设计》成为我校获教委推荐申报国家级一流课程的第一门线下课程，接下来，课程建设再出发，需要进行课内实验的再建设。减速器拆装实验是《机械设计》课程中一个重要的综合性实验项目，通过减速器拆装实验可以将课程中的各章节所讲授的知识成体系地展现出来，对于学生了解机器的组成、工作原理和结构设计都具有十分重要的意义。

2、教学现状

机械专业的学生在学习了机械制图、工程力学、互换性与技术测量、机械原理、机械设计、机械CAD等课程以后，为进一步培养学生独立设计的能力，还要进行为期2-3周的综合设计能力训练。而减速器是一种普遍通用的机械设备，其结构包括了传统件设计（直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、蜗杆等），支撑件设计（轴、轴承等），箱体设计及密封等，是培养学生首次独立完成设计任务的良好参照设备。

由于学生是首次独立进行机械设计，对齿轮结构、加工过程、安装形式不熟悉；对轴的结构、加工过程、选材、热处理不熟悉；对箱体结构、铸造（焊接）过程不熟悉；对轴承型号选择、密封形式选择、连接件选择与安装没有经验。所以让学生了解减速器的结构组成及装配关系很有必要。另外，实验教学是培养学生实践能力与创新精神的重要教学环节，而减速器是机械设计课程中典型的实验设备，拆装过程十分重要。通过减速器拆装实验，可以使学生对减速器各个零部件有一个直观认识，进一步了解和掌握各零部件的结构意义、加工工艺、安装方法及工作原理。尤其是运动件与运动件之间的安装要求、运动件与固定件之间的安装要求、轴承的拆装等，通过拆装实验，都可以起到事半功倍的作用。

3、实验教学目标

实验后应该达到的知识、能力水平包括：加深对减速器的感性认识与实际概念，为后续课程设计作好准备工作；了解各种不同类型减速器的整体结构形式，熟悉各零件的名称、形状、用途及各零件之间的装配关系，以及减速器各附件的名称、结构、安装位置及作用；了解轴承的安装尺寸和拆装方法，轴上零件的固定和调整方法；了解减速器中各种传动件的啮合情况及轴承游隙的测量和调整；了解齿轮、轴承等主要零部件的润滑、冷却及密封等；了解并掌握减速器的拆装与调整过程，以虚拟的操作方式提升学生的学习体验，并加深学生对机械设备的了解和认知。

4、实验原理

使用本虚拟仿真实验教学方法，可以对减速器整体及各个分部件、零件进行实时缩放、移动、旋转等操作，拆分后可快速复位。除基本交互功能外，本虚拟试验教学方法还具有能对对减速器的装拆过程进行动画演示录制，该功能由solidworks motion插件实现，特别需要指出的是，本虚拟试验的演示过程并不是简单的视频播放，而是与试验界面中的零件树有机配合。在演示过程中，每当拆装到某个零件时，零件树中该零件名称会突出显示。这一动态显示的功能让使用者的学习不再孤立，而通过零件名称的突出显示，对减速器的结构和拆装过程理解更加深刻。

图1 减速器模型图          图2 减速器拆装过程图

5、预期的实验教学过程与实验方法

（1）预期的实验教学过程：

① 观察减速器外形，了解并记录减速器铭牌标出的各项性能参数；② 拆装减速器，了解各种减速器的箱体零件、轴、齿轮等主要零部件的结构及加工工艺；③ 了解箱体与箱盖结构，筋板分布情况，测量有关数据；④ 了解滚动轴承的安装、拆卸、固定、调整对结构设计提出的要求；了解减速器的润滑及密封方式、密封装置；绘制高速轴及其轴承组合的结构草图（包括轴、轴承、轴承端盖、调整垫片、密封垫圈、挡油板等）；⑤ 了解减速器主要零部件及整机的装配工艺；⑥ 观察了解减速器各种附件的用途、结构和对安装位置的要求（各种附件包括通气器、窥视孔、吊钩或环首螺钉与吊装孔、起盖螺钉、定位销、调整垫片、挡油板、油面指示器、油塞等）。

（2）实验方法描述：

虚拟仿真实验教学可采用如下教学方法：① 理论教学+学生课下自学：学生在理论课堂学习相关理论知识，在课下进入虚拟仿真实验教学平台，进行研究性自学。② 实验教学：在实验课堂上，通过教师引导，完成实验教学内容。③ 案例教学：进入软件，结合教师分配的教学任务，进行案例分析。

6、实验结果与结论

本虚拟试验教学方法在提高学生对减速器的认知度、了解减速器的结构组成及工作原理等方面效果显著。在课程实践环节，学生在装配图制作方面会更加得心应手，对齿轮、轴、轴承等关键零件的加工、装配工艺会有更深刻的认识；在课堂讲授环节，教师可应用本虚拟试验中丰富的素材，提高课堂的实践性和趣味性，课堂表现形式更加丰富。

该教学方法能够真实、生动、形象地模拟整个减速器拆装的实验过程，很好地满足实验教学的要求。再结合仪器实验，学生的实验兴趣更浓，可以大大提高实验效率，降低实验成本。该虚拟实验系统运用在理论课堂教学中，能够促进学生全面理解和掌握减速器相关理论知识。随着现代计算机技术和网络技术的发展，该系统将不断被完善，并结合仪器实验，提高课堂教学、实验教学质量和水平，充分发挥虚拟技术在实验教学中的应用。同时该系统的设计思想也可用在其他课程虚拟实验系统设计中。