9.設(shè)計(jì)詳解之六：彈簧相關(guān)

    9.1 先建立裝配模型

  新建裝配，裝入009-1和009-2這兩個(gè)與彈簧關(guān)聯(lián)的零件，把它們的裝配約束設(shè)置好。包括軸

線對準(zhǔn)，與彈簧的接觸面相距100mm，固定件009-1的X軸與裝配環(huán)境的原始坐標(biāo)系的X軸重合（這 是為彈簧的草圖準(zhǔn)備基面）。

     9.2 基于裝配關(guān)聯(lián)建立彈簧草圖

  在位創(chuàng)建新零件（009-彈簧.IPT），在裝配環(huán)境的原始坐標(biāo)系的XY面上作草圖，這就確保了彈 簧的幾何位置與現(xiàn)有相關(guān)件的一個(gè)正確約束。

  投影009-1和009-2上與未來彈簧接觸的面得到兩條線；標(biāo)出我們需要的兩線間距計(jì)算尺寸。 參見圖7-78,最后得到計(jì)算尺寸并改名為“高度”。
   

  投影彈簧零件的X軸，作為彈簧軸線；在兩端投影線上接出兩段共線的直線，這是為將來切割 彈簧端面用的草圖線。其它的草圖結(jié)構(gòu)沒什么特殊之處了。

     9.3 創(chuàng)建彈簧特征

  用“螺旋掃掠”完成，參數(shù)參見圖7-79。其中，高度參 數(shù)必須引用前邊草圖中得到的計(jì)算尺寸，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)關(guān) 聯(lián)。因?yàn)樵诓輬D中使用了關(guān)聯(lián)投影，這個(gè)螺旋特征將自動(dòng)成 為“自適應(yīng)”模式。
        

  但是仍不能單獨(dú)設(shè)置螺旋掃掠特征的自適應(yīng)身份。

     9.4 動(dòng)作模擬

  驅(qū)動(dòng)009-1或009-2下屬的“彈簧壓縮”裝配約束，可見動(dòng)態(tài)的結(jié)果，結(jié)果參見009.WMV。

  注意：Inventor會(huì)一邊更新模型，一邊做幾何關(guān)系檢查。

  就是說，如果彈簧圈在壓縮的過程中出現(xiàn)“嵌入其它圈”的情況，將報(bào)錯(cuò)（見圖7-80上）。而Inventor會(huì)停止在這個(gè)位置上，這實(shí)際上是得到了“最大可能壓縮”位置的結(jié)果，參見圖7-80下的情況。
 

  我們準(zhǔn)備壓縮到66mm；Inventor告訴我們，頂多到60mm的位置，再往下就不能保證彈簧的幾 何模型正確性了…

     9.5 點(diǎn)評(píng)—僅僅是為了看起來像

  實(shí)際上，對于彈簧詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)求解，是無法在Inventor中完成的，還是得沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方

法，查手冊和進(jìn)行必要的臺(tái)架試驗(yàn)。即使用了某種分析軟件，其結(jié)果仍然需要臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來最后驗(yàn)證 和確認(rèn)，這是彈簧設(shè)計(jì)的無奈之處。

  上邊的過程，僅僅是一種“演示”，而不是設(shè)計(jì)。
  這種演示效果，對于設(shè)計(jì)師來說并不是很必要的，因?yàn)閺椈蓜?dòng)作的結(jié)果首先產(chǎn)生于設(shè)計(jì)師的頭腦中，之后是設(shè)計(jì)結(jié)果模型，再往后是裝配結(jié)果，而最后才在必要時(shí)做一下動(dòng)作模擬。而動(dòng)作模擬 的結(jié)果，早就在設(shè)計(jì)者的意料之中了。

  說實(shí)在的，對設(shè)計(jì)需求來說這是個(gè)“花架子”。但是對于給客戶看的機(jī)構(gòu)演示，還是十分必要的 功能。這個(gè)例子也表現(xiàn)了“變量化”設(shè)計(jì)模式，是怎樣把幾何參數(shù)和工程條件聯(lián)合求解的先進(jìn)性能。

    9.6 為裝配和零件圖準(zhǔn)備彈簧模型

    以這個(gè)圓柱壓縮彈簧為例，裝配狀態(tài)常常是工作狀態(tài)，也就是被壓縮的狀態(tài)，不需要?jiǎng)討B(tài)模擬；而零件狀態(tài)，則要考慮出零件圖，按自由狀態(tài)繪制。這樣，就需要兩種表達(dá)。

  先按自由尺寸創(chuàng)建彈簧（009-彈簧a.IPT）；將它做成iPart。彈簧高度直接用常量描述，有兩 個(gè)，自由狀態(tài)100mm和壓縮狀態(tài)60mm。參見圖7-81。
     

  以100mm高度存盤，用于創(chuàng)建這個(gè)文件的工程圖，參見“009-彈簧a.IDW”和圖7-82。而將來 的裝配使用中，則使用60mm高度的模型，參見009a.IAM和009a.IDW。
      

  這樣，就完全解決了自由狀態(tài)下的工程圖創(chuàng)建與壓縮狀態(tài)下的裝配使用的矛盾，而且是同一根彈簧的模型，改變彈簧零件模型的設(shè)計(jì)參數(shù)，工程圖和裝配模型將會(huì)自動(dòng)跟隨關(guān)聯(lián)，完成相關(guān)設(shè)計(jì)表達(dá)的正確變化。

      10. 設(shè)計(jì)詳解之七：花鍵關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

  利用花鍵軸的參數(shù)，創(chuàng)建花鍵套。參見010.IAM和圖7-83。
    
 

  從中可以清楚地看到，設(shè)計(jì)中是怎樣引用在花鍵軸這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中所確定的、與花鍵套相關(guān)的 設(shè)計(jì)參數(shù)，因此完成了兩個(gè)零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)使用。

  這是一種典型的“參數(shù)化”設(shè)計(jì)模式，可靠而穩(wěn)定，參見\010\花鍵套(參數(shù)).IPT。
  還有一種典型的方法，直接使用衍生花鍵軸來與花鍵套進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到花鍵孔.注意:應(yīng)當(dāng)

在布爾運(yùn)算用的過渡裝配中，抑制掉花鍵軸上不需要的鍵頂?shù)菇翘卣�。參見\010\花鍵套(衍生).IPT 和010a.IAM。

     11.設(shè)計(jì)詳解：簡單機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)

  參見圖10-87，這就是要求的結(jié)果。工作原理：
        

  輪A是主動(dòng)輪，通過連桿與輪B連接。要求在輪A轉(zhuǎn)輪B動(dòng)一周，輪B將轉(zhuǎn)過40°的角度。已知條件是中心距30mm， 輪B的偏心銷孔在直徑24mm的圓上。

  要先求解連桿長度和輪A的偏心銷孔的偏心距；之后 完成機(jī)構(gòu)模型。設(shè)計(jì)要求：

 ◆用零件和裝配尺寸保證40°角度；

 ◆力爭最大的、對輪B的驅(qū)動(dòng)力矩；

    11.1 機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)求解

  參見12-Base.IPT中的草圖“參數(shù)求解”和圖10-88。
      

   詳細(xì)過程如下：

 ◆作直線O1-O2，尺寸確保設(shè)計(jì)要求的中心距；

 ◆在O2上的圓，直徑24，確保輪B的偏心距；

 ◆作O2圓的半徑線，兩線夾角40°，確保設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)角；

 ◆連接A、B點(diǎn)，呈直線，線長度就是輪A的直徑；

 ◆約束A-B線指向O1點(diǎn)，這樣，力的傳遞將取得最大的扭矩；

 ◆在O1點(diǎn)上做圓，直徑引用已經(jīng)求得的“輪A直徑”參數(shù)；

 ◆作圓O1的半徑線，并約束與A-B直線共線，標(biāo)注C點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，這是連桿孔中心距L。
  上述僅是描述了操作過程，至于為什么要這樣求解，讀者應(yīng)當(dāng)能夠理解，因?yàn)檫@是基于大家很熟悉的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)。至此，參數(shù)求解完成。將各個(gè)參數(shù)的名稱改成設(shè)計(jì)習(xí)慣的樣子，并將“輸出” 開關(guān)打開。這就完成了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作。

  結(jié)果模型參見12.IAM改變參數(shù)“Angle”，可見有一整套新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)。這說明在Inventor中不僅是求解方便和精確，而且很容易就能解決設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整問題…

    11.2 創(chuàng)建零件和裝配

  因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)由12-Base.IPT攜帶，每個(gè)相關(guān)零件都應(yīng)當(dāng)衍生使用它的參數(shù)。例如連桿零件，

參見12-3.IPT和圖10-89。
     

  至于裝配，則相當(dāng)簡單，僅僅是位置確定。通過輪A的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，檢驗(yàn)結(jié)果說明是正確的參數(shù)。

    12. 設(shè)計(jì)詳解：接觸集合相關(guān)技術(shù)

前邊介紹了基本的概念，簡單的例子參見014a.IAM，可見這個(gè)“步進(jìn)機(jī)構(gòu)”的動(dòng)作模擬已經(jīng)可

以實(shí)現(xiàn)了。這類相關(guān)零件不完全貼合，有分離又有接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)是比較常見的。下面將以具體的 設(shè)計(jì)實(shí)例，展開應(yīng)用技巧。

  需要注意，參見圖10-90，因?yàn)镮nventor 界面設(shè)計(jì)的問題，造成接觸集合開關(guān)是在菜單中選擇， 而打開（圖左）和關(guān)閉（圖右）的區(qū)別相當(dāng)不明顯，因此每次使用接觸集合時(shí)應(yīng)認(rèn)真查看確認(rèn)。
      

    12.1 馬式機(jī)構(gòu)（平面槽輪）

  設(shè)計(jì)背景：槽輪齒數(shù)5，中心距60mm，圓柱銷直徑10mm，這些條件由基礎(chǔ)件014b-Base.IPT

在用戶參數(shù)中攜帶。
  創(chuàng)建零件和裝配模型：零件的設(shè)計(jì)參數(shù)，依照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行計(jì)算得出。將創(chuàng)建好的零件按

結(jié)構(gòu)就位裝配完成，兩個(gè)輪形零件之間沒有任何裝配關(guān)系。

  參見014b.IAM。其中014b-2.IPT是主動(dòng)零件，要拖動(dòng)槽輪（014b-1.IPT）按大致正確的位置轉(zhuǎn) 動(dòng)一下，但不要有約束。見圖10-91。驅(qū)動(dòng)“轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”約束，可見機(jī)構(gòu)正確運(yùn)行。
   

  在這樣的過程中，如果圖示的避讓凹槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了干涉，在驅(qū)動(dòng)約束中使干涉檢查有效，將會(huì) 計(jì)算結(jié)果并提示干涉；如果不添加主動(dòng)件的角度驅(qū)動(dòng)約束，用光標(biāo)拖動(dòng)主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，Inventor 將能 夠真實(shí)模擬出“卡住”的結(jié)果… 參見014c.IAM。

     12.2 平面凸輪

  設(shè)計(jì)背景：這是一種常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)，參見圖10-92和014d.IAM。
     

  為了能在使用中調(diào)整滾子和凸輪槽的側(cè)向間隙，將它們設(shè)計(jì)成錐體和斜槽的配合，而不是圓柱 和直槽的配合，這是很常見的結(jié)果。

  現(xiàn)在要進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作模擬。但是，對于目前的Inventor裝配功能，還不能約束錐體與槽壁曲面 的“相切”或者“過渡”約束…

  解決方法：創(chuàng)建凸輪零件，并將槽子的參數(shù)設(shè)置成“可輸出”的結(jié)果；創(chuàng)建滾子零件，衍生并 使用凸輪槽的參數(shù)約束滾子的尺寸，造成關(guān)聯(lián)，并給出0.02mm的間隙；按設(shè)計(jì)要求，裝配他們到一 起，并將滾子手工拖動(dòng)，放在比較正確的位置上；設(shè)置相關(guān)零件為“接觸集合”；驅(qū)動(dòng)“主動(dòng)驅(qū)動(dòng)”， 不打開“檢測過盈”開關(guān)。

    12.3 點(diǎn)評(píng)

   可見，對于用連續(xù)接觸或者間斷接觸完成機(jī)構(gòu)動(dòng)作，Inventor現(xiàn)在已經(jīng)能夠順利實(shí)現(xiàn)動(dòng)作模擬。 但是，有一些“應(yīng)當(dāng)”完成的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，還是不順利。

   例如，對于圓柱凸輪，即便是用樣條線完成的凸輪槽，圓柱形滾子這樣比較符合Inventor規(guī)則 的條件下，無論是相切約束、過渡約束還是接觸集合，都不能順利完成。打開014e.IAM可以驗(yàn)證。

   這種真三維的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，不同于前邊的2維或者2.5維的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，需要更復(fù)雜的計(jì)算處理才 能解決動(dòng)作模擬。確切的解決方案在“運(yùn)動(dòng)仿真”模塊中可以完成，請參考本書的第16章。

    13. 趣味實(shí)例

  模型在\011文件夾中。
  這是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的漸開線圓柱直齒輪的嚙合關(guān)系表現(xiàn)，模型是按照精確的、模數(shù)12的齒輪創(chuàng)建的。   有些奇怪的是：這個(gè)裝配是利用漸開線齒面之間的“相切”約束，而不是我們認(rèn)為的“過渡”約束實(shí)現(xiàn)的；可能Inventor認(rèn)為漸開線不是無限長的，因此轉(zhuǎn)角太大會(huì)出問題？
  打開\011\Gear.IAM，參見圖10-93，并參見Gear.AVI，其中精確地顯示了齒輪嚙合的過程。
 

  這個(gè)例子，用“接觸集合”也能完成，只是計(jì)算量增大，會(huì)比較慢；另外，如果齒形不精確， 又沒有必要的齒側(cè)隙，會(huì)像實(shí)際機(jī)構(gòu)一樣，也會(huì)被“卡住”。

  筆者之所以將這些結(jié)果稱之為“趣味實(shí)例”，是因?yàn)槲覀冊跊]有CAD軟件的時(shí)候做設(shè)計(jì)，就已經(jīng) 知道所有的結(jié)果了，而Inventor能做出來的，要比我們知道的還要少些。上述結(jié)果，可以說是“看看熱鬧”而已。

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