杜海彬 張長軍 張華瑾 馬俊 懷玉蘭 郭山國 王玉 高桂仙 宋偉

摘要：以往《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的知識(shí)點(diǎn)與企業(yè)項(xiàng)目對接不緊密，而且該課程涉及到大量設(shè)計(jì)計(jì)算，很多高職類學(xué)生涉及到設(shè)計(jì)計(jì)算類問題提不起興趣甚至采用“逃避”的方式進(jìn)行應(yīng)付處理，為切實(shí)提高學(xué)生技能，將知識(shí)應(yīng)用到企業(yè)中去，對課程內(nèi)容進(jìn)行了重組，利用Excel開發(fā)出大量設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)文件，以“軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算”詳述了開發(fā)過程，這既提高了設(shè)計(jì)計(jì)算效率，也提高了計(jì)算可靠性。

Abstract： In the past， the knowledge points of mechanical design foundation course were not closely connected with enterprise projects， and the course involved a lot of design calculation. Many higher vocational students were not interested in the design calculation problems， and even used the "escape" way to deal with them. In order to effectively improve students' skills and apply knowledge to enterprises， the course content was reorganized by using e-learning Xcel has developed a large number of design and calculation technical documents， which describes the development process in detail with "design and calculation of shaft parts and connectors"， which not only improves the efficiency of design and calculation， but also improves the reliability of calculation.

關(guān)鍵詞：軸類零件;連接件;Excel;課程改革

Key words： shaft parts;connector;Excel;curriculum reform

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0242-03

0 ?引言

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是高職機(jī)械類專業(yè)必開的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，為響應(yīng)國家號(hào)召，教科研團(tuán)隊(duì)將《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程與企業(yè)進(jìn)行接軌，對課程進(jìn)行了項(xiàng)目化開發(fā)以及設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行電算化改革，整個(gè)教學(xué)改革遵循“易懂、夠用、實(shí)用、可持續(xù)”原則，突出知識(shí)的“實(shí)用、可持續(xù)”性，以實(shí)際任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，注重和強(qiáng)化教學(xué)實(shí)施過程化考核，以實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)立德樹人之目的。

1 ?重整課程內(nèi)容

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程參照《高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)（機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)）教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》教學(xué)要求、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)人才培養(yǎng)方案、《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工崗位需求，結(jié)合教師企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，將課程內(nèi)容重整為十三大項(xiàng)目，就是為了能讓學(xué)生體會(huì)到所學(xué)知識(shí)與企業(yè)項(xiàng)目對接的重要性，突出知識(shí)的“實(shí)用、可持續(xù)”。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》計(jì)劃學(xué)時(shí)72學(xué)時(shí)、5學(xué)分，課程內(nèi)容項(xiàng)目化建設(shè)包含：緒論（2學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目一顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析（4學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目二縫紉機(jī)的平面四桿機(jī)構(gòu)（6學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目三設(shè)計(jì)汽車內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的盤形凸輪機(jī)構(gòu)（6學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目四減速器的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)（8學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目五牛頭刨床中的帶傳動(dòng)（8學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目七減速器中的螺紋連接（4學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目八自行車中的鏈傳動(dòng)（4學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目九減速器中的蝸桿傳動(dòng)（4學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目十減速器中的輪系（8學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目十一減速器中的軸承（6學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目十二減速器中的軸和軸轂連接（8學(xué)時(shí)）、項(xiàng)目十二輸送機(jī)中的聯(lián)軸器（2學(xué)時(shí)）。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程采用多元、多方信息化考核評價(jià)方式，評價(jià)主要包含：理論知識(shí)+設(shè)計(jì)仿真技能+實(shí)訓(xùn)技能+組內(nèi)評價(jià)+組間評價(jià)+教師評價(jià)+企業(yè)專家評價(jià)，整個(gè)評價(jià)借助于超星學(xué)習(xí)平臺(tái)自助完成，平臺(tái)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反應(yīng)教學(xué)效果，根據(jù)教學(xué)反饋情況，教師可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

2 ?基于Excel以“軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算”為例進(jìn)行電算化改革

接下來就以《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中的軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算為例，進(jìn)行說明如何應(yīng)用Excel提高軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性及設(shè)計(jì)效率[2]。

一般傳動(dòng)零件要想實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)，傳動(dòng)零件一般安裝在軸上，軸類零件一般受載后會(huì)產(chǎn)生兩種常見變形：一種是彎曲變形，第二種是彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形。接下來就分別以這兩種變形為基礎(chǔ)，對軸類零件進(jìn)行受力分析，然后對機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行推導(dǎo)和開發(fā)技術(shù)文件。希望以此為例向工程人員展示和說明如何應(yīng)用Excel快速構(gòu)建自己需要的電算化文件，以此提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率。

2.1 軸類零件受力分析[3]

無論是帶傳動(dòng)，還是齒輪傳動(dòng)，還是其它輪傳動(dòng)，一般在分析其傳動(dòng)作用在軸上的載荷時(shí)，都是以集中載荷的形式進(jìn)行分析的。

接下來就以直齒圓柱齒輪傳動(dòng)作用在軸上的載荷為例進(jìn)行分析，軸主要受載荷及其作用下產(chǎn)生的彎矩分別如圖1、圖2所示。我們以軸在這兩種常見受載荷情況下如何進(jìn)行分析為例進(jìn)行展開。

受圖1所示載荷時(shí)，A、B兩點(diǎn)的支反力FA、FB及其彎矩M可分別按公式（1）～（3）進(jìn)行求解。

2.2 軸類零件受載荷1情況下的設(shè)計(jì)計(jì)算過程分析

在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)明確這些條件：輸入功率P、軸的轉(zhuǎn)速n、作用在軸上的載荷F等情況，即可對軸的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。一般設(shè)計(jì)步驟如下：

①選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應(yīng)力。

②按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的直徑?？筛鶕?jù)公式（8）進(jìn)行估算軸的最小值。

③軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（我們重點(diǎn)討論強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，這部分內(nèi)容不做過多闡述，但并不意味著可以跳過此步）。

④軸的強(qiáng)度校核。

1）分析并繪出軸的受載荷計(jì)算簡圖，如圖3所示。

由于徑向力Fr和圓周力Ft是垂直關(guān)系，所以可以將這兩個(gè)力分別向垂直面（V面）和水平面（H面）進(jìn)行投影，投影后仍然滿足平衡關(guān)系。

2）在水平面的投影受載荷及其彎矩圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4進(jìn)行分析，其計(jì)算可參考圖1計(jì)算模型及其計(jì)算公式，可知：

如果滿足公式（12）則強(qiáng)度滿足要求，否則需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3 軸類零件受載荷1情況下的設(shè)計(jì)計(jì)算流程[3]

要想進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算電算化，首先要理清設(shè)計(jì)流程，這是進(jìn)行軸類零件電算化的前提。根據(jù)對軸類零件受載荷1情況下的設(shè)計(jì)計(jì)算分析，需要分析每個(gè)計(jì)算公式中的自變量和因變量，例如公式（1）、（2）、（3）中的l、x、F為自變量，而FA、FB、M為因變量;公式（4）～（7）中的l、x1、x2、F1、F2為自變量，而FA、FB、MA、M1為因變量;公式（8）～（12）中的P、n為自變量，而其它所求量為因變量。因此提煉出每個(gè)計(jì)算公式中的自變量和因變量，是為了更好的、更宏觀的認(rèn)識(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

現(xiàn)在說明展示整個(gè)設(shè)計(jì)流程：首先根據(jù)已知的P、n、受力等情況→選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應(yīng)力→根據(jù)公式（8）估算軸的直徑→設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)（含軸的各部分直徑和長度）→繪出軸的受載荷計(jì)算簡圖→根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計(jì)算水平面內(nèi)的支反力和彎矩→再根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計(jì)算垂直面內(nèi)的支反力和彎矩→根據(jù)公式（9）計(jì)算合成彎矩M→根據(jù)公式（10）計(jì)算軸的轉(zhuǎn)矩T→根據(jù)公式（11）計(jì)算當(dāng)量彎矩Me→根據(jù)公式（12）計(jì)算軸的最大應(yīng)力→軸的最大應(yīng)力與許用應(yīng)力進(jìn)行比較，如果滿足要求說明軸的強(qiáng)度滿足要求，如果不滿足要求需要對軸的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再次計(jì)算軸的受載荷、支反力、彎矩、合成彎矩、轉(zhuǎn)矩、當(dāng)量彎矩、最大應(yīng)力的計(jì)算，直到所求最大應(yīng)力能滿足要求才行。如果能夠掌握整個(gè)設(shè)計(jì)流程，就可以輕松調(diào)整設(shè)計(jì)計(jì)算中的參數(shù)，使得整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算更加快速合理。

2.4 Excel在軸類零件受載荷1情況下的應(yīng)用[4]

2.4.1 建立Excel文檔

右鍵→“新建”→“Excel工作表”;選中新建的表格，然后右鍵→將文檔命名為“軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)文件”。

2.4.2 文檔設(shè)置

①打開文檔，選擇“頁面布局”→“紙張大小”→“A4”。如果打印需要其它頁面，進(jìn)行相應(yīng)選擇即可。

②選中第一行表格，“開始”→“合并后居中”，在合并后的單元格中輸入“軸類零件設(shè)計(jì)”，標(biāo)題為了醒目，可將標(biāo)題的字號(hào)設(shè)置的大些，為了美觀，也可將單元格進(jìn)行“填充”，選中單元格，在“開始”工具欄中，選擇（或者直接右擊該圖標(biāo)也可出現(xiàn)），單擊下拉菜單，選中要填充的顏色。

③在A2至A4單元格中分別輸入：“已知條件：”、“輸入功率P=”、“輸入轉(zhuǎn)速n1=”;將B3、B4分別填充成淺藍(lán)色和深藍(lán)色，后面凡是填充成藍(lán)色的均代表已知數(shù)據(jù)。在C3、C4單元格中分別輸入：“kW”、“r/min”。

④將A5至E5進(jìn)行合并，在其中輸入“1、選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應(yīng)力。”

⑤在A6中輸入“軸選材”，然后右鍵→“插入批注”（這是為了便于查表）→單擊批注邊框→右鍵→“設(shè)置批注格式”→“顏色與線條”→單擊下拉菜單→“填充效果”→“圖片”→“選擇圖片”選擇想要插入的“軸類選材”的圖片→“確定”→“確定”→選擇批注邊框，調(diào)整大小;將B6填充成黃色，以后黃色就代表自變量;將C6、D6合并輸入“熱處理方式”;將E6填充成黃色;在F6中輸入“硬度值”;將G6、H6合并后填充黃色;將I6、J6合并并輸入“許用彎曲應(yīng)力[σb]-1=”并插入批注，將許用應(yīng)力值設(shè)置為要插入的內(nèi)容;將K6填充成黃色;在L6中輸入“MPa”。

⑥其余內(nèi)容應(yīng)用方法如：建立Excel文檔中的①～⑤的方法類似，不再一一列舉，開發(fā)后的技術(shù)文件如圖6所示。

3 ?結(jié)論

根據(jù)教師在企業(yè)中的實(shí)踐經(jīng)歷，結(jié)合企業(yè)需求，對標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)，對課程內(nèi)容進(jìn)行了項(xiàng)目化重組，還對課程內(nèi)容進(jìn)行了重新錄制，并在智慧職教MooC中開了兩輪課程，新版項(xiàng)目化教材也即將出版;教學(xué)改革中為了提高設(shè)計(jì)計(jì)算可靠性及設(shè)計(jì)效率，突出對知識(shí)的“實(shí)用”性，以“軸類零件及連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算”為例開發(fā)出了相應(yīng)技術(shù)文件，這在本科19級(jí)機(jī)械電子工程班《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)施，根據(jù)學(xué)生反饋，能看出學(xué)生對用Excel進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算很感興趣，而且實(shí)施效果很理想。

因此，很有必要對《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行改革，因?yàn)檫@不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，還鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作共同解決問題的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊.基于Excel深化改革《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的研究[J].機(jī)械工程師，2020，12：89-92.

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[6]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊，懷玉蘭.基于Excel在蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021，9（18）：210-212.