機械基礎課程教學的應用設計

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Inventor軟件具有三維建模、裝配、動畫、參數化設計的強大計算機輔助設計功能[1]，可模擬機械真實運動、有效分析機械內部零件分布和受力情況等，被廣泛應用于農業工程、機械制造等領域，尤其在機械類專業教學中的應用極為重要。羅紅旗等[2]在農業領域利用Inventor軟件對播種機進行了仿真與優化設計；鄭毅峰[3]在制造業中運用Inventor軟件對斯特林發動機進行設計仿真并提出了優化方案；王秋冬[4]和寧家喜[5]分別對Inventor軟件在鉗工實訓和數控加工課程中的應用進行了分析和研究；陳建宇[6]在機械基礎云課堂中使用Inventor軟件建立了各類機構模型，通過展示模型講解課程知識；劉海寧等[7]闡述了Inventor軟件在《機械制圖》課程中的應用價值，但缺少課程案例支撐；劉志龍[8]基于Inventor軟件的表達視圖模塊制作了齒輪傳動模擬動畫，該方法雖然操作簡單但形式單調，不適合教學使用。針對上述問題，文章將Inventor軟件引入教學，以“手搖砂輪”為例對機械基礎課程進行教學應用設計。機械基礎課程主要分為機械零部件、機械傳動和機械原理三模塊。在機械零部件模塊中手搖砂輪作為典型零部件，通過Inventor軟件對其建模可用于齒輪機構教學；機械傳動模塊中重點內容為齒輪傳動，可利用Inventor軟件的動畫設計功能對手搖砂輪進行運動和拆裝模擬設計來講解；機械原理模塊難點是明確機械的受力情況，結合Inventor軟件的應力分析功能對手搖砂輪中齒輪機構進行受力分析，以具象化形式探究齒輪的受力情況，降低教學難度。

1手搖砂輪建模

齒輪機構是機械基礎課程中的重難點內容，手搖砂輪作為齒輪機構的典型應用案例，在教學中較為常見。文章通過齒輪設計、特征建模和裝配三個步驟實現手搖砂輪建模。

1.1齒輪設計齒輪作為該機構的主體零件，在設計時可以直接使用Inventor自帶的“設計加速器”設定參數。以中心距為導向，輸入手搖砂輪已知參數：m=2mm，z1=48ul、z2=24ul，α=20°，軟件自動生成其余參數。最終生成兩個相互嚙合的齒輪，如圖1所示。在課堂教學中通過齒輪預覽圖和計算結果向學生講解齒輪的基本參數。同時可更改設計加速器中各個參數的數值，展示齒輪幾何參數的變化，進而引出齒輪幾何尺寸計算問題。

1.2特征建模主體零件建模完成后，通過繪制草圖并使用拉伸、旋轉、鏡像、螺紋等特征工具創建手搖砂輪其他零件的三維模型，如圖2所示。在課堂教學中通過對手搖砂輪模型縮放、旋轉和剖切等功能將無法全面觀察到的零件的角度和細節進行展示，學生可以清楚地觀察到各零件的結構與形狀，結合二維工程圖的講解，使學生逐步建立起二維與三維之間的有效聯系，改善識圖能力不足的問題。

1.3裝配創建完手搖砂輪各零件后，進入裝配環境組裝零件。以該零件為裝配基礎，其余零件以此為準，選擇配合、插入等不同約束方式對零件進行裝配。為了便于觀察，在“外觀”中為零件賦予不同的材質和顏色。手搖砂輪最終模型完成圖如圖3所示。

2手搖砂輪動畫設計

Inventor軟件的動畫設計功能主要用于機構運動仿真動畫和拆裝動畫的制作。手搖砂輪建模完成后，根據其工作原理和裝配順序，對其進行仿真動畫設計。

2.1運動仿真動畫設計Inventor軟件中的InventorStudio功能可以模擬機構的真實運動狀態并制作運動仿真動畫。在手搖砂輪模型中的齒輪槽和水平面之間設置角度約束，利用“約束動畫”驅動機構運動，設置角度為360°×N（N即為兩嚙合齒輪運動的圈數）、“相機動畫”設置旋轉軸為Y原點，方向為順時針；“淡顯動畫”設置殼體為淡顯對象，透明度為100%～20%。最后點擊渲染保存并導出動畫，如圖4所示。課堂教學中，利用運動模擬動畫呈現手搖砂輪的工作原理，對部分零件的隱藏可讓學生清晰地觀察到主動輪與從動輪的嚙合運動狀態，進而對齒輪傳動的特點、正確嚙合狀態及連續傳動條件等問題進行講解。

2.2機構拆裝動畫設計機構拆裝動畫由Inventor軟件中的“表達視圖”模塊進行制作，分為調整零部件位置、設置動畫播放順序和保存輸出視頻三個步驟。在調整零部件位置過程中，可選擇單個或多個零部件同時進行平移或者旋轉，一次拆裝動作即被記為一個故事板，記錄在故事面板中，如圖5所示。最后，單擊“發布”渲染為視頻或者采取錄屏手段對拆裝動畫進行錄制保存。在課堂教學中，據此動畫基礎演示手搖砂輪的拆卸、裝配順序和過程，介紹其內部各零件間的裝配和位置關系并講清楚手搖砂輪各部分的結構和作用，使學生更具體地了解機構組成與它們的內在聯系。

3齒輪受力分析

受力分析是機械基礎課程中較為抽象難懂的內容，利用軟件的應力分析功能，可以準確地得到零件內部的受力狀態，從而實現對機構的優化設計。由于標準直齒輪的受力情況是其中最基礎且關鍵的部分，因此文章選取手搖砂輪中兩嚙合直齒輪的受力分析進行說明。根據齒輪性質特點，筆者選擇合金鋼作為本次分析的材料，同時對從動齒輪孔處添加固定約束、主動齒輪孔處添加孔銷鏈接，在主動齒輪孔處施加100N·mm的扭矩并對接觸狀態進行設置。最后，點擊“分析”，得出有限元分析結果，如圖6所示。由圖中可以看出該齒輪最大形變量為0.00003973mm，最大應力在齒根位置，為0.2495MPa，由此可判斷齒輪機構中齒根位置最容易發生斷裂失效。在課堂教學中通過展示齒輪應力、應變分析圖和變化動畫，可直觀分析齒輪傳動的受力情況。同時，改變齒輪的材料、幾何尺寸等參數進行多次應力分析，通過對照探究影響齒輪強度變化的主要因素，講解齒輪失效形式和設計準則等知識點。

4結論

文章應用Inventor軟件的機構建模、動畫設計和應力分析功能，結合手搖砂輪案例，對機械基礎課程中機械零部件、機械傳動和機械原理三部分進行教學應用設計，有助于提高學生的理解和認知水平。（1）通過Inventor軟件實現手搖砂輪建模，可以靈活對機構的各個角度進行觀察，增強學生的空間想象力。此方式可用于創建各類簡單或者復雜的零部件，對于一些不便攜帶、價格較貴的模型和設備都可以進行設計和展示。（2）基于手搖砂輪模型進行動畫設計，制作機構的運動仿真和模擬拆裝動畫，能夠清晰動態地展示出各零件之間的連接關系、位置關系和運動關系，使教學方法由傳統的靜態變為動態，從而激發學生的學習興趣，降低教學難度，達到理論與實踐相結合的教學效果。（3）通過對手搖砂輪中兩嚙合直齒輪的應力分析，準確地得到齒輪各部分的受力情況。這種直觀形象的方式有利于學生對知識的正確理解與應用，使學生逐步建立起使用三維參數化工具進行機械設計的理念，提升其對實際問題的分析與解決能力。

參考文獻

[1]李瑞寧,蔣強,吳瑋琴.AutoCAD和Inventor設計軟件在機械制圖課程教學中的應用[J].造紙裝備及材料,2022,51(6):217-219.

[2]羅紅旗.基于Inventor的免耕播種機組合式開溝器設計[J].農機化研究,2014,36(4):110-112,116.

[3]鄭毅鋒.基于Inventor的斯特林發動機仿真分析[J].制造業自動化,2022,44(6):41-44.

[4]王秋冬.Inventor軟件在鉗工實訓教學中的應用[J].新課程(下),2016(3):149.

[5]寧家喜.淺談Inventor軟件在數控加工專業教學中的應用[J].現代職業教育,2021(29):154-155.

作者:劉凱琳 單位:貴州師范大學