物流工程專業(yè)機械設(shè)計課程設(shè)計教學探討

【摘要】物流工程專業(yè)在進行機械設(shè)計課程設(shè)計時，先修課程中機械方面課程不多且學時較少，同時該門課程設(shè)計的時間較短，這就要求對該門課程的內(nèi)容和要求進行必要的調(diào)整。通過對該門課程教學目標、教學要求、教學內(nèi)容等方面的改革，較好地完成了該門課程的實踐教學任務。

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計 課程設(shè)計 減速器

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0193-02

1.前言

物流工程專業(yè)在進行機械設(shè)計課程設(shè)計時該專業(yè)學生與機械專業(yè)學生的要求應該有很大不同。首先，機械專業(yè)在進行機械設(shè)計課程設(shè)計時，先修課程較多，包括機械制圖、工程力學、材料與熱處理、機械加工工藝、公差與測量、電工電子技術(shù)等；而物流工程專業(yè)的先修課程較少，僅有機械制圖、工程力學和電工電子技術(shù)等。其次，機械專業(yè)先修課程大都是多學時，學習比較深入；而物流工程專業(yè)先修課程大都是少學時，學生對相關(guān)知識有所了解但并不深入。第三，機械專業(yè)機械設(shè)計課程設(shè)計的時間一般安排2周甚至3周，在設(shè)計期間停止其它所有課程專心進行課程設(shè)計；而物流工程專業(yè)課程設(shè)計時間相對較少，20學時左右，在這么短的時間內(nèi)要完成與機械專業(yè)同樣的設(shè)計內(nèi)容是有很大困難的。因此，根據(jù)學生的學習情況和現(xiàn)有的知識水平有必要對機械設(shè)計課程設(shè)計進行教學改革。

2.教學改革的目標

教學改革的目的是讓學生了解機械設(shè)計的過程，包括總體方案設(shè)計、普通V帶傳動設(shè)計、齒輪傳動設(shè)計、軸的設(shè)計與校核、軸承選擇與校核、鍵連接設(shè)計、聯(lián)軸器的選擇等。同時，還要讓學生學會草圖繪制、總裝圖繪制、零件圖繪制等。

3.教學要求

與機械專業(yè)相比物流工程專業(yè)對機械設(shè)計課程設(shè)計要求略低。例如，機械專業(yè)一般要求設(shè)計二級減速器，而物流工程專業(yè)一般要求設(shè)計一級減速器；機械專業(yè)一般要求齒輪嚙合為斜齒圓柱齒輪，而物流工程專業(yè)一般要求齒輪嚙合為直齒圓柱齒輪；機械專業(yè)一般要求減速器為整套圖紙，而物流工程專業(yè)一般要求部分圖紙即可。

4.教學改革內(nèi)容

4.1課程設(shè)計題目與任務的設(shè)計

課程設(shè)計題目和任務要明確兩點，一方面，指明機械設(shè)計課程設(shè)計為一級圓柱齒輪減速器；另一方面，指明完成設(shè)計的資料文件有哪些。

課程設(shè)計題目。設(shè)計一個用于帶式運輸機上的一級圓柱齒輪減速器。運輸機連續(xù)工作，單項運轉(zhuǎn)，載荷變化不大，空載啟動。減速器小批量生產(chǎn)，使用期限10年，兩班制。原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 帶式運輸機原始數(shù)據(jù)

課程設(shè)計任務：（1）編制課程設(shè)計計算說明書1份；（2）繪制裝配圖和零件圖共5張。其中繪制減速器裝配圖1張；繪制零件圖4張，分別為減速器箱座、減速器輸出軸、輸出軸上齒輪、輸出軸輸出端端蓋。

4.2傳動方案設(shè)計

動力最終來源電動機，電動機把動力傳遞到帶式運輸機中間經(jīng)過怎樣的過程。經(jīng)過比較電動機把動力傳動到帶傳動，再從帶傳動傳遞到一級減速器，從一級減速器傳遞到帶式運輸機，這個方案較為合理。把帶傳動安排到電動機和減速器之間起到較好的緩沖和減震作用，保護電動機。

4.3計算內(nèi)容的設(shè)計

4.3.1電動機選擇

首先，計算帶式運輸機的功率Pw。傳動方案確定之后，帶式運輸機的功率Pw按照公式Pw=FV/1000進行計算。其次，計算總機械效率η總。電動機傳遞到帶式運輸機經(jīng)過V帶傳動，機械效率為η帶；齒輪傳動，機械效率為η齒輪，齒輪傳動兩個傳動軸兩端各有一個軸承，機械效率為η軸承；帶式運輸機滾筒機械效率為η滾筒；減速器與帶式運輸機之間通過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，聯(lián)軸器機械效率為η聯(lián)軸器?？倷C械效率η總為η總=η帶η齒輪η聯(lián)軸器η滾筒η2軸承。

最后，確定所需電動機功率Pd。所需電動機功率Pd為Pd=Pw/η總，根據(jù)Pd查機械零件設(shè)計手冊，電動機的功率應大于等于所需電動機功率Pd。對于轉(zhuǎn)速為3000r/min的電動機，因為轉(zhuǎn)速較高傳動比大，減速的裝置尺寸大成本增加，一般不選擇轉(zhuǎn)速太高電動機。對于轉(zhuǎn)速為750r/min的電動機，因為尺寸大價格高，一般也不選擇轉(zhuǎn)速太小電動機。最常使用的是1500r/min和1000r/min的電動機。綜上所述，根據(jù)所需電動機功率和轉(zhuǎn)速選擇需要的電動機。

4.3.2傳動比分配

根據(jù)前一個步驟電動機選定之后，電動機滿載轉(zhuǎn)速可查表得n滿。帶式運輸機即工作機的轉(zhuǎn)速通過公式n=60×l000v/（лD）來求得。則總傳動比i總為i總=n滿/n。電動機與帶式運輸機減速裝置有V帶傳動和齒輪傳動，則i總=i帶·i齒輪。總傳動比分配時注意三點，首先，V帶傳動和齒輪傳動裝置不發(fā)生干涉現(xiàn)象；其次，V帶傳動和齒輪傳動裝置尺寸盡可能??；第三，i帶和i齒輪傳動比不大于4。

4.3.3動力運動參數(shù)計算

在選定電動機和傳動比分配之后，可以計算出減速器兩個傳動軸三個重要的動力運動參數(shù)轉(zhuǎn)速n、功率P和轉(zhuǎn)矩T。

4.3.4帶轉(zhuǎn)動設(shè)計計算

課程設(shè)計主要從事一級減速器設(shè)計，帶傳動設(shè)計主要計算幾個重要參數(shù)。

確定計算功率Pc。根據(jù)設(shè)計題目要求，查設(shè)計手冊，可得帶傳動工作情況系數(shù)KA。計算功率Pc為Pc=KA·Po

選擇V帶型號、確定帶輪基準直徑dd1、dd2。根據(jù)計算功率Pc和電動機轉(zhuǎn)速n滿查普通V帶的型號選擇圖表，選擇相應V帶。再根據(jù)圖表顯示確定小帶輪的直徑dd1，同時大于所選V帶的最小直徑且在標準系列直徑里面的數(shù)值選取。大帶輪直徑dd2通過公式dd2=i帶dd1來計算。

驗算帶速v。帶速不能超過25m/s，通過公式v=■來進行驗算。

確定中心距a和帶的基準長度Ld。通過公式■■來初選a0，再根據(jù)公式初算帶長度Ld0，公式為■。根據(jù)計算結(jié)果查普通V帶長度尺寸系列得基準長度尺寸Ld。選擇基準長度Ld后，計算實際中心距a，公式■。endprint

驗算小帶輪包角？琢1。根據(jù)帶傳動的傳動要求，小帶輪包角應大于等于120°，小帶輪包角公式為 。

確定帶的根數(shù)Z。查單根V帶的基本額定功率得P0，查單根V帶的基本額定功率的增量得△P0；根據(jù)小帶輪包角α1，查得包角系數(shù)Kα；根據(jù)V帶的基準長度Ld，查普通V帶的基準長度尺寸系列與長度系數(shù)，得長度系數(shù)KL。把結(jié)果帶入公式得確定V帶的根數(shù)，公式■。

確定初拉力F0。根據(jù)公式F0=■確定初拉力F0，作用于帶輪軸上的載荷FQ，公式■。

4.3.5齒輪的設(shè)計計算

（1）齒輪材料和熱處理的選擇。齒輪選用45號鋼，小齒輪采用調(diào)質(zhì)處理，大齒輪正火處理，大小齒輪硬度不同。通過相關(guān)公式可得到齒面接觸疲勞強度[σH]和彎曲疲勞強度[σF]。

（2）按照接觸強度初步設(shè)計齒輪主要尺寸。齒輪傳動采用閉式齒輪傳動，小齒輪齒數(shù)可在20-40之間選取。減速器采用單級齒輪傳動，齒輪相對于兩支承對稱布置，兩輪均為軟齒面，查表可得齒寬系數(shù)ψd。

（3）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計。根據(jù)齒輪工作情況，查載荷系數(shù)表格，可得載荷系數(shù)K。按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，小齒輪直徑■，再通過公式m=d1/z1確定齒輪模數(shù)m。

（4）校核彎曲疲勞強度。查齒輪的復合齒形系數(shù)，帶入公式對彎曲疲勞強度進行校核。彎曲疲勞強度公式為■。

（5）齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計。齒輪的基本參數(shù)如齒輪直徑、齒頂圓、齒根圓、中心距、齒寬等都可以計算出來，但齒輪輪轂尺寸、輪緣厚度、輪緣內(nèi)徑、腹板厚度、腹板中心孔直徑等需要與軸配合設(shè)計。

4.3.6從動齒輪軸的設(shè)計計算

（1）軸的材料和熱處理的選擇。軸采用45#鋼調(diào)質(zhì)，由機械設(shè)計手冊中的圖表查得抗拉強度σb、屈服強度σs、許用彎曲應力[σ-1]等參數(shù)。

（2）軸幾何尺寸的設(shè)計計算。按照扭轉(zhuǎn)強度初步設(shè)計軸的最小直徑按照公式■進行設(shè)計，考慮軸上鍵槽，選取直徑稍大些。根據(jù)軸上零件的定位、裝拆方便的需要，同時考慮到強度的原則，從動軸均設(shè)計為階梯軸。軸的強度校核計算。根據(jù)齒輪嚙合原理，可以算出齒輪的圓周力Ft和徑向力Fr。由徑向力可以算出兩個軸承的支反力FA和FB，再通過畫圖確定兩個軸承之間的距離L。根據(jù)已知條件可以計算出最大彎矩Mmax為Mmax=FA·L/2，再通過公式■計算彎曲應力，若計算彎曲應力小于等于[σ-1]為合格。

4.3.7軸承、鍵和聯(lián)軸器的選擇

考慮軸受力主要是徑向力，故可選用深溝球軸承。軸承的選擇與軸、箱座和箱蓋配合設(shè)計。

從動軸伸出端鍵的設(shè)計與校核。根據(jù)從動軸外伸端的直徑，再根據(jù)GB/T1095-2003設(shè)計鍵的尺寸。鍵擠壓應力按照公式■，若■鍵的強度合格。同理，從動軸與齒輪聯(lián)接處進行校核。

聯(lián)軸器的選擇。由于減速器載荷平穩(wěn)，速度不高，無特殊要求，考慮拆裝方便及經(jīng)濟問題，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，采用Y型軸孔，A型鍵軸孔。

4.4設(shè)計圖紙的安排

課程設(shè)計需要同學們了解減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以必須進行減速器圖紙設(shè)計，同時考慮到同學們的設(shè)計時間較少，故選擇具有代表性的五張圖紙，裝配圖、箱座、從動軸齒輪、從動軸和從動軸輸出端軸承端蓋。

5.教學改革的實施及結(jié)果

通過物流專業(yè)同學們的設(shè)計實踐，同學們較好地完成機械設(shè)計課程設(shè)計教學任務。既了解機械設(shè)計的一般過程，又了解減速器的基本結(jié)構(gòu)，取得了較好的教學設(shè)計效果。

參考文獻：

[1]榮輝，付鐵，楊夢晨，等.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學出版社，2013

[2]陸玉，馮立艷，李建功，等.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015

作者簡介：

唐獻全（1972-），男，廣東省廣州市人，博士，講師，研究方向物流工程。endprint