軸承配置演示儀

顧佳飛　林禮區(qū)　金坪　李觀俊　戴昱侃　譚詩逸

摘要：論述了軸承配置演示儀的結(jié)構(gòu)、原理，將常見的軸承配置問題劃分成三個(gè)部分，可在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中讓學(xué)生直觀的了解軸承配置的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：軸承配置；教學(xué)演示；直觀

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是培養(yǎng)工科學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于設(shè)計(jì)性課程。該課程存在基本概念多、內(nèi)容繁雜，理論抽象、應(yīng)用性強(qiáng)、各章節(jié)自成體系等特點(diǎn)。長期以來，由于受傳統(tǒng)教學(xué)方法的影響及固定教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，該課程的教學(xué)效果一直不盡如人意。究其原因主要是教學(xué)方法及手段與工程實(shí)踐相脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)造性思維以及獲取信息、分析信息、處理信息和利用信息的能力得不到充分的培養(yǎng)與鍛煉?；谡n堂教學(xué)的目的，開發(fā)了軸承配置演示儀教具。

1基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

軸承配置演示儀主要分為三個(gè)模塊，模塊一“一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動(dòng)”，主要演示細(xì)長軸的伸長及軸承的游動(dòng)；模塊二“兩端游動(dòng)”，將由于人字齒兩側(cè)的螺旋角存在差異而產(chǎn)生的軸向力及軸向竄動(dòng)進(jìn)行演示；模塊三“錐齒輪的調(diào)整”，其功能為演示錐齒輪位置的調(diào)整及齒側(cè)間隙的測量。使用各種軸承配置關(guān)系，觀察軸的竄動(dòng)情況，通過對(duì)軸承端進(jìn)行測力分析，并用顯示裝置加以顯示，反應(yīng)在各種情況下軸承配置的合理性。

2整體設(shè)計(jì)

2.1動(dòng)力部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承配置演示儀的動(dòng)力部分主要由齒輪、同步帶輪、電機(jī)組成。軸承配置演示儀演示部分主要由三大模塊構(gòu)成，用一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用類似離合器原理，在電機(jī)輸出軸上安裝一個(gè)可軸向滑動(dòng)的齒輪，三個(gè)模塊對(duì)應(yīng)安裝各自的齒輪，當(dāng)電機(jī)輸出的齒輪與三個(gè)模塊其中一個(gè)齒輪嚙合時(shí)，該模塊便開始轉(zhuǎn)動(dòng)。模塊中的齒輪旁，安有小同步輪，與之對(duì)應(yīng)的模塊輸入軸上安有大同步輪。因此，電機(jī)的輸出便通過一對(duì)齒輪及一對(duì)同步輪進(jìn)行傳遞，并且減速。降低了制作成本，實(shí)現(xiàn)了空間的合理利用。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2模塊一機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊一“一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動(dòng)”，主要由齒輪、軸、限位裝置組成。在跨距較大且工作溫度較高的軸上，由于其熱伸長量大，需采用一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動(dòng)的支承結(jié)構(gòu)。以一級(jí)斜齒輪減速器為原型，主動(dòng)軸相對(duì)機(jī)座固定，電機(jī)輸出通過帶輪傳遞至主動(dòng)軸。從動(dòng)軸則分為固定半軸與移動(dòng)半軸兩部分。在從動(dòng)軸上，大齒輪與移動(dòng)半軸固定，其內(nèi)孔帶有螺紋，與固定半軸上的螺紋套配合。兩根半軸通過軸端方孔，用方形條連接，實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。螺紋套一段開槽，限位桿卡入槽中可限制螺紋套旋轉(zhuǎn)，從而通過螺紋副進(jìn)行傳動(dòng)，使移動(dòng)半軸向右移動(dòng)。模塊一將軸受熱變形的微小變量進(jìn)行放大，并用數(shù)顯百分表及位移傳感器測量、顯示，從而直觀的反映軸的熱伸長及軸向竄動(dòng)與對(duì)應(yīng)軸承配置的合理性。在軸端觀察處的端蓋采用透明的有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，便于觀察軸承的工作情況。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3模塊二機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊二“兩端游動(dòng)”，主要由齒輪、軸組成。對(duì)于一對(duì)人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向限位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計(jì)成只保證其中一根軸相對(duì)機(jī)座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個(gè)軸承必須都是游動(dòng)的，以防止齒輪卡死或人字齒輪的兩側(cè)受力不均勻。以一級(jí)斜齒輪減速器為原型，主動(dòng)軸相對(duì)機(jī)座固定，電機(jī)輸出通過帶輪傳遞至主動(dòng)軸，使用3對(duì)螺旋角不同的斜齒輪來模擬出人字齒輪本身帶有的誤差在嚙合時(shí)所產(chǎn)生的軸向力不同造成竄動(dòng)的不確定性，通過調(diào)節(jié)齒輪使其對(duì)應(yīng)的兩對(duì)齒輪工作，造成軸向合力向左和向右的情況，通過軸端測力加以體現(xiàn)。

此處的人字齒，設(shè)計(jì)為兩個(gè)旋向相反的斜齒輪。為了能演示兩邊的軸向力，故軸上的齒輪分布順序?yàn)樾÷菪谴笮饼X輪1、大螺旋角大斜齒輪3、中螺旋角大斜齒輪2。其中，大齒輪2與大齒輪1旋向相反，同時(shí)傳動(dòng)時(shí)，類比人字齒。同理，大齒輪2與大齒輪3旋向相反。為了讓同根軸上不同傳動(dòng)比的齒輪可以工作，輸出軸被分成了兩段，它們之間可差速旋轉(zhuǎn)。在傳動(dòng)時(shí)，齒輪組2與齒輪組1或齒輪組3配合，演示螺旋角差異情況的不同所帶來的不同結(jié)果。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4模塊三機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊三“錐齒輪的調(diào)整”，主要由錐齒輪組成。以一級(jí)錐齒輪減速器為原型，制作教具模型。采用雙支點(diǎn)各單向固定，即采用兩個(gè)反向安裝的圓錐滾子軸承，兩個(gè)軸承各限制軸在一個(gè)方向上的移動(dòng)，安裝時(shí)通過調(diào)整調(diào)整墊片來調(diào)整軸承外圈或內(nèi)圈的軸向位置，使軸承達(dá)到理想的游隙或所要求的預(yù)緊程度，從而調(diào)整錐齒輪的嚙合位置。

齒輪位置的調(diào)整——紅丹粉法。在該對(duì)齒輪上涂以紅丹粉，齒輪嚙合滾動(dòng)，輪齒上出現(xiàn)的印痕，故可根據(jù)該印痕，將齒輪的調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

齒側(cè)間隙的測量——壓鉛絲法。在齒面沿齒長兩端平行放置2段鉛絲，寬齒可放3—4段，鉛絲直徑不宜超過最小間隙的4倍，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，測量鉛絲擠壓的最薄處尺寸即為側(cè)隙。

結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5負(fù)載部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承配置演示儀的加載方式采用剎車片的原理。兩個(gè)加載片與一加載座固定，分別位于輸出軸的兩側(cè)，并且內(nèi)部粘有橡膠片，增大其摩擦力。當(dāng)在加載臂上掛不同的重物時(shí)，該輸出軸也受到不同的負(fù)載，從而改變模型的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.6限位裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在模塊一中，需將螺紋套固定，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，軸承配置演示儀設(shè)有限位裝置。當(dāng)限位片卡入螺紋套的缺口時(shí)，螺紋套便不能轉(zhuǎn)動(dòng)。限位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6、圖7所示。

2.7顯示部分設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生能更直觀地看到軸的變形、竄動(dòng)及軸承的游動(dòng)，軸承配置演示儀在輸出軸一端面上裝有數(shù)顯百分表及數(shù)碼攝像頭。當(dāng)軸移動(dòng)時(shí)，數(shù)顯百分表便顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，電腦上的軟件也同步顯示該數(shù)據(jù)。該端面端蓋材料為透明有機(jī)玻璃，攝像頭將軸及軸承的游動(dòng)情況傳輸至電腦，并清晰的顯示于投影幕布上。零部件的變化情況及變化量結(jié)合顯示，使結(jié)果更為生動(dòng)、直觀，更易觀察。

3結(jié)束語

軸承配置演示儀能較好反應(yīng)在各種情況下各傳動(dòng)部件的工作狀態(tài)及軸承配置的合理性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論與實(shí)踐的結(jié)合。其涵蓋較多的機(jī)械相關(guān)知識(shí)，對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)》等課程教學(xué)起到非常重要的作用。同時(shí)，軸承配置演示儀不僅直觀性強(qiáng)、操作簡單，而且體積大小適中、搬運(yùn)方便、價(jià)格便宜，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。