机械基础课程教学的应用设计

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Inventor软件具有三维建模、装配、动画、参数化设计的强大计算机辅助设计功能[1]，可模拟机械真实运动、有效分析机械内部零件分布和受力情况等，被广泛应用于农业工程、机械制造等领域，尤其在机械类专业教学中的应用极为重要。罗红旗等[2]在农业领域利用Inventor软件对播种机进行了仿真与优化设计；郑毅峰[3]在制造业中运用Inventor软件对斯特林发动机进行设计仿真并提出了优化方案；王秋冬[4]和宁家喜[5]分别对Inventor软件在钳工实训和数控加工课程中的应用进行了分析和研究；陈建宇[6]在机械基础云课堂中使用Inventor软件建立了各类机构模型，通过展示模型讲解课程知识；刘海宁等[7]阐述了Inventor软件在《机械制图》课程中的应用价值，但缺少课程案例支撑；刘志龙[8]基于Inventor软件的表达视图模块制作了齿轮传动模拟动画，该方法虽然操作简单但形式单调，不适合教学使用。针对上述问题，文章将Inventor软件引入教学，以“手摇砂轮”为例对机械基础课程进行教学应用设计。机械基础课程主要分为机械零部件、机械传动和机械原理三模块。在机械零部件模块中手摇砂轮作为典型零部件，通过Inventor软件对其建模可用于齿轮机构教学；机械传动模块中重点内容为齿轮传动，可利用Inventor软件的动画设计功能对手摇砂轮进行运动和拆装模拟设计来讲解；机械原理模块难点是明确机械的受力情况，结合Inventor软件的应力分析功能对手摇砂轮中齿轮机构进行受力分析，以具象化形式探究齿轮的受力情况，降低教学难度。

1手摇砂轮建模

齿轮机构是机械基础课程中的重难点内容，手摇砂轮作为齿轮机构的典型应用案例，在教学中较为常见。文章通过齿轮设计、特征建模和装配三个步骤实现手摇砂轮建模。

1.1齿轮设计齿轮作为该机构的主体零件，在设计时可以直接使用Inventor自带的“设计加速器”设定参数。以中心距为导向，输入手摇砂轮已知参数：m=2mm，z1=48ul、z2=24ul，α=20°，软件自动生成其余参数。最终生成两个相互啮合的齿轮，如图1所示。在课堂教学中通过齿轮预览图和计算结果向学生讲解齿轮的基本参数。同时可更改设计加速器中各个参数的数值，展示齿轮几何参数的变化，进而引出齿轮几何尺寸计算问题。

1.2特征建模主体零件建模完成后，通过绘制草图并使用拉伸、旋转、镜像、螺纹等特征工具创建手摇砂轮其他零件的三维模型，如图2所示。在课堂教学中通过对手摇砂轮模型缩放、旋转和剖切等功能将无法全面观察到的零件的角度和细节进行展示，学生可以清楚地观察到各零件的结构与形状，结合二维工程图的讲解，使学生逐步建立起二维与三维之间的有效联系，改善识图能力不足的问题。

1.3装配创建完手摇砂轮各零件后，进入装配环境组装零件。以该零件为装配基础，其余零件以此为准，选择配合、插入等不同约束方式对零件进行装配。为了便于观察，在“外观”中为零件赋予不同的材质和颜色。手摇砂轮最终模型完成图如图3所示。

2手摇砂轮动画设计

Inventor软件的动画设计功能主要用于机构运动仿真动画和拆装动画的制作。手摇砂轮建模完成后，根据其工作原理和装配顺序，对其进行仿真动画设计。

2.1运动仿真动画设计Inventor软件中的InventorStudio功能可以模拟机构的真实运动状态并制作运动仿真动画。在手摇砂轮模型中的齿轮槽和水平面之间设置角度约束，利用“约束动画”驱动机构运动，设置角度为360°×N（N即为两啮合齿轮运动的圈数）、“相机动画”设置旋转轴为Y原点，方向为顺时针；“淡显动画”设置壳体为淡显对象，透明度为100%～20%。最后点击渲染保存并导出动画，如图4所示。课堂教学中，利用运动模拟动画呈现手摇砂轮的工作原理，对部分零件的隐藏可让学生清晰地观察到主动轮与从动轮的啮合运动状态，进而对齿轮传动的特点、正确啮合状态及连续传动条件等问题进行讲解。

2.2机构拆装动画设计机构拆装动画由Inventor软件中的“表达视图”模块进行制作，分为调整零部件位置、设置动画播放顺序和保存输出视频三个步骤。在调整零部件位置过程中，可选择单个或多个零部件同时进行平移或者旋转，一次拆装动作即被记为一个故事板，记录在故事面板中，如图5所示。最后，单击“发布”渲染为视频或者采取录屏手段对拆装动画进行录制保存。在课堂教学中，据此动画基础演示手摇砂轮的拆卸、装配顺序和过程，介绍其内部各零件间的装配和位置关系并讲清楚手摇砂轮各部分的结构和作用，使学生更具体地了解机构组成与它们的内在联系。

3齿轮受力分析

受力分析是机械基础课程中较为抽象难懂的内容，利用软件的应力分析功能，可以准确地得到零件内部的受力状态，从而实现对机构的优化设计。由于标准直齿轮的受力情况是其中最基础且关键的部分，因此文章选取手摇砂轮中两啮合直齿轮的受力分析进行说明。根据齿轮性质特点，笔者选择合金钢作为本次分析的材料，同时对从动齿轮孔处添加固定约束、主动齿轮孔处添加孔销链接，在主动齿轮孔处施加100N·mm的扭矩并对接触状态进行设置。最后，点击“分析”，得出有限元分析结果，如图6所示。由图中可以看出该齿轮最大形变量为0.00003973mm，最大应力在齿根位置，为0.2495MPa，由此可判断齿轮机构中齿根位置最容易发生断裂失效。在课堂教学中通过展示齿轮应力、应变分析图和变化动画，可直观分析齿轮传动的受力情况。同时，改变齿轮的材料、几何尺寸等参数进行多次应力分析，通过对照探究影响齿轮强度变化的主要因素，讲解齿轮失效形式和设计准则等知识点。

4结论

文章应用Inventor软件的机构建模、动画设计和应力分析功能，结合手摇砂轮案例，对机械基础课程中机械零部件、机械传动和机械原理三部分进行教学应用设计，有助于提高学生的理解和认知水平。（1）通过Inventor软件实现手摇砂轮建模，可以灵活对机构的各个角度进行观察，增强学生的空间想象力。此方式可用于创建各类简单或者复杂的零部件，对于一些不便携带、价格较贵的模型和设备都可以进行设计和展示。（2）基于手摇砂轮模型进行动画设计，制作机构的运动仿真和模拟拆装动画，能够清晰动态地展示出各零件之间的连接关系、位置关系和运动关系，使教学方法由传统的静态变为动态，从而激发学生的学习兴趣，降低教学难度，达到理论与实践相结合的教学效果。（3）通过对手摇砂轮中两啮合直齿轮的应力分析，准确地得到齿轮各部分的受力情况。这种直观形象的方式有利于学生对知识的正确理解与应用，使学生逐步建立起使用三维参数化工具进行机械设计的理念，提升其对实际问题的分析与解决能力。

参考文献

[1]李瑞宁,蒋强,吴玮琴.AutoCAD和Inventor设计软件在机械制图课程教学中的应用[J].造纸装备及材料,2022,51(6):217-219.

[2]罗红旗.基于Inventor的免耕播种机组合式开沟器设计[J].农机化研究,2014,36(4):110-112,116.

[3]郑毅锋.基于Inventor的斯特林发动机仿真分析[J].制造业自动化,2022,44(6):41-44.

[4]王秋冬.Inventor软件在钳工实训教学中的应用[J].新课程(下),2016(3):149.

[5]宁家喜.浅谈Inventor软件在数控加工专业教学中的应用[J].现代职业教育,2021(29):154-155.

作者:刘凯琳 单位:贵州师范大学