插齒原理機(jī)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

牟 萍，文亦驍，謝曉梅，俸培福

（1. 電子科技大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；2. 四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610066；3. 電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川 成都 611731）

“機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)”也稱“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，是高校機(jī)械專業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通用機(jī)械零部件設(shè)計(jì)和選用等工程問(wèn)題為目標(biāo)，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，由課堂教學(xué)和課程實(shí)驗(yàn)組成。學(xué)生普遍感到內(nèi)容抽象、枯燥難學(xué)，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，常常被動(dòng)接收知識(shí)，面對(duì)工程問(wèn)題難以應(yīng)對(duì)[1]。

為此，課程組進(jìn)行了三屆跟蹤式教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題根源在于缺少將理論知識(shí)綜合應(yīng)用于工程實(shí)踐的教學(xué)支撐。具體表現(xiàn)為：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺少關(guān)聯(lián)性和綜合性?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大多為獨(dú)立的小實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容單一，缺乏知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)和綜合應(yīng)用。②實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鄙俳巧龑?dǎo)。沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入工程師的角色去應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題，學(xué)生沒(méi)有成就感和專業(yè)認(rèn)同感。③實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺少工程應(yīng)用和可擴(kuò)展性?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備不是供學(xué)生拆裝的部件，就是用于參數(shù)或效率測(cè)試的部件平臺(tái)，涵蓋的仍然是單一知識(shí)內(nèi)容，缺少以問(wèn)題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的工程應(yīng)用，缺少吸引學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于鉆研的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了高質(zhì)量機(jī)械工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

1 挖掘閑置設(shè)備潛能，革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

1.1 閑置設(shè)備蘊(yùn)含的潛能

高校的閑置設(shè)備往往機(jī)械結(jié)構(gòu)完好，具有完整動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和典型機(jī)構(gòu)及其組合，只是性能相對(duì)落后。由于這些設(shè)備具有特定工程背景，蘊(yùn)藏著豐富的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，是珍貴的動(dòng)態(tài)三維知識(shí)載體，既具有破解課程內(nèi)容抽象枯燥問(wèn)題的潛力，又具有培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的潛能[2]。對(duì)于在校大學(xué)生而言，是一部機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)活教材，大有潛質(zhì)可挖、大有文章可做。

1.2 挖掘插齒原理機(jī)潛能，提煉實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材

插齒原理機(jī)是一種結(jié)構(gòu)開(kāi)放的可視化教學(xué)設(shè)備，工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙級(jí)減速后，經(jīng)五條運(yùn)動(dòng)鏈組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，把運(yùn)動(dòng)分解為刀具的切削運(yùn)動(dòng)、讓刀運(yùn)動(dòng)、分度運(yùn)動(dòng)和齒輪毛坯的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、分度運(yùn)動(dòng)[3-4]，從而實(shí)現(xiàn)范成法切制齒輪；凸輪機(jī)構(gòu)作為控制器控制一個(gè)完整齒輪的加工。

圖1 插齒原理機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)框圖

該機(jī)由平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系、棘輪機(jī)構(gòu)、蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)及多種機(jī)械零件組成[5]；將機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的多項(xiàng)知識(shí)內(nèi)容結(jié)合成一臺(tái)具有特定功能的真實(shí)機(jī)器，直觀呈現(xiàn)各種機(jī)構(gòu)、機(jī)械零件、傳動(dòng)系統(tǒng)及其應(yīng)用方式，動(dòng)態(tài)再現(xiàn)機(jī)械的概念，將抽象的知識(shí)內(nèi)容變活，蘊(yùn)含珍貴的實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材[6]。

（1）插齒原理機(jī)作為開(kāi)放式研究探索實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。五條運(yùn)動(dòng)鏈組成的傳動(dòng)系統(tǒng)可供學(xué)生進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析研究和機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制，研究運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)合成與分解；建立非標(biāo)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念；讓學(xué)生系統(tǒng)理解各種機(jī)構(gòu)、機(jī)械零件的綜合應(yīng)用。

（2）插齒原理機(jī)加工石蠟齒輪作為具體工程應(yīng)用。通過(guò)加工石蠟齒輪及對(duì)所加工齒輪進(jìn)行參數(shù)測(cè)試與對(duì)比分析，讓學(xué)生理解齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝。并且將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪[7]、漸開(kāi)線齒輪范成原理和齒輪基本參數(shù)測(cè)試等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自然融入齒輪加工的工程應(yīng)用中。既保留了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的精髓，又解決了原實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主、孤立性強(qiáng)以及過(guò)于死板的問(wèn)題[8]。

由于插齒原理機(jī)傳動(dòng)比固定、刀具和毛坯模具唯一，只能進(jìn)行一種固定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的不完全示范，不能進(jìn)行不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及變位齒輪的加工，制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，因此很多高校將其閑置。

經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的發(fā)展也勢(shì)必會(huì)給各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，整個(gè)行業(yè)的格局都遭受到了各種危機(jī)的影響，有一部分的企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的金融危機(jī)。尤其是金融行業(yè)，由于改行業(yè)的特殊性，一旦出現(xiàn)了危機(jī)，那產(chǎn)生的影響就是巨大的，在金融會(huì)計(jì)業(yè)務(wù)中，其中比較具體的風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)形式就是金融會(huì)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要提高金融會(huì)計(jì)管理水平，加強(qiáng)金融會(huì)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)方法，從而為金融工作提供有益的思路。

1.3 制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的癥結(jié)及對(duì)策

制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的癥結(jié)：①不能制備多種參數(shù)的毛胚；②不能換裝刀具；③不能改變刀具和工作臺(tái)傳動(dòng)比；④不能改變刀具和毛坯的對(duì)刀位置及進(jìn)刀量。

針對(duì)以上癥結(jié)，革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，在原有主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了四項(xiàng)改進(jìn)：①建立刀庫(kù)和毛坯模具庫(kù)；②優(yōu)化刀具換裝方案；③增設(shè)傳動(dòng)比調(diào)配器，以調(diào)節(jié)其傳動(dòng)比；④將控制器改為刀位控制器，用于調(diào)節(jié)初始對(duì)刀位和徑向進(jìn)刀量[9-10]，以實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)齒輪和變位齒輪加工。改進(jìn)方案如圖2所示。

圖2 插齒原理機(jī)改進(jìn)方案框圖

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了讓學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)探索插齒原理機(jī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和變位石蠟齒輪加工，所有功能均用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)。

2.1 建立刀庫(kù)及毛坯模具庫(kù)

在原有模數(shù)m=2.5 mm、壓力角α=20o、齒數(shù)z=26基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了如表1所示參數(shù)的刀具及毛坯模具。為了內(nèi)容的完整性，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)根切現(xiàn)象，專門設(shè)計(jì)了一組m=4 mm、z=15的毛坯模具。

表1 刀具和毛坯模具參數(shù)

2.2 優(yōu)化刀具換裝方案

刀具銷軸尺寸相同，以便與機(jī)體的刀具軸孔配合安裝，刀具換裝方案如圖3所示。

圖3 刀具換裝示意圖

2.3 設(shè)計(jì)傳動(dòng)比調(diào)配器

2.3.1 調(diào)配器傳動(dòng)比

系統(tǒng)傳動(dòng)比為：

原系統(tǒng)傳動(dòng)比 13/10作為基準(zhǔn) i基準(zhǔn)，其他各部分傳動(dòng)不變，則調(diào)配器傳動(dòng)比i匹為[11]：

與表1對(duì)應(yīng)的調(diào)配器傳動(dòng)比如表2所示。

表2 調(diào)配器傳動(dòng)比

2.3.2 調(diào)配器結(jié)構(gòu)

調(diào)配器由輸入和輸出軸上的四對(duì)鏈輪（z入為26、z出為20/24/30/15）組成，通過(guò)輸入軸（換擋變速軸）上鍵與鏈輪鍵槽的配合進(jìn)行檔位變換以調(diào)節(jié)傳動(dòng)比，如圖4所示。

2.4 設(shè)計(jì)刀位控制模塊

如圖5所示，5個(gè)進(jìn)給凸輪[12]依次鉸接于凸輪銷軸1，與工作臺(tái)相連；5個(gè)帶滾推桿依次鉸接于推桿銷軸2，與機(jī)架相連。計(jì)算齒高h(yuǎn)和中心距a，確定進(jìn)給凸輪組，調(diào)節(jié)推桿銷軸支座位置，即可調(diào)整毛坯與刀具 a。根據(jù)齒輪參數(shù)確定凸輪組。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周完成一個(gè)齒輪的加工，在回復(fù)力作用下工作臺(tái)碰撞開(kāi)關(guān)停機(jī)。

圖4 調(diào)配器輸入軸示意圖

圖5 刀位控制器

3 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以綜合性為前提，研究性為手段。將機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)并且綜合應(yīng)用于工程應(yīng)用中，以問(wèn)題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生自主探索工程問(wèn)題、設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，遇到問(wèn)題主動(dòng)回歸課本研究學(xué)習(xí)。

基于插齒原理機(jī)進(jìn)行不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和變位石蠟齒輪加工，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室首先探索三個(gè)問(wèn)題：①作為執(zhí)行件的刀具和毛坯需要何種運(yùn)動(dòng)及如何配合才能切制出漸開(kāi)線齒輪；②如何由一個(gè)動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)刀具和毛坯所需要的運(yùn)動(dòng)，從而理解運(yùn)動(dòng)的合成與分解；③如何實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)齒輪加工。然后通過(guò)分析計(jì)算、方案設(shè)計(jì)、毛坯制備、系統(tǒng)搭建、實(shí)驗(yàn)加工、簡(jiǎn)圖繪制、測(cè)試分析完成實(shí)驗(yàn)并撰寫(xiě)報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)方式上以學(xué)生為主體，以工程應(yīng)用為引領(lǐng)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，3～4人為一個(gè)小組，具體內(nèi)容如下：

（1）剖析研究，問(wèn)題探索（2學(xué)時(shí)）。學(xué)生帶著問(wèn)題對(duì)插齒原理機(jī)進(jìn)行剖析研究（可開(kāi)動(dòng)機(jī)器）；各組提煉出對(duì)問(wèn)題的理解和疑問(wèn)，進(jìn)行小組間探討；教師現(xiàn)場(chǎng)答疑并引導(dǎo)學(xué)生思考，并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。學(xué)生就插齒原理機(jī)擬定一個(gè)自己感興趣的切入點(diǎn)作為研究的主題。

（2）計(jì)算分析，毛坯制備（2學(xué)時(shí)）。根據(jù)表1確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)；通過(guò)分析計(jì)算傳動(dòng)比、系統(tǒng)速度匹配值、齒高和中心距，確定刀位控制值；選擇刀具和毛坯模具，制備石蠟毛坯。

（3）設(shè)計(jì)方案，調(diào)整安裝（2學(xué)時(shí)）。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整速度匹配器和刀位控制器，安裝刀具和毛坯。

（4）實(shí)驗(yàn)加工，簡(jiǎn)圖繪制（2學(xué)時(shí)）。開(kāi)機(jī)加工齒輪，繪制傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖。

（5）參數(shù)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析（2學(xué)時(shí)）。測(cè)試所加工齒輪的基本參數(shù)，并與理論值比較，分析誤差原因，得出結(jié)論。

（6）查閱資料，撰寫(xiě)報(bào)告（課余）。就自擬研究主題查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)重回課本學(xué)習(xí)，提交研究報(bào)告（含計(jì)算分析、安裝搭建制備、測(cè)試結(jié)果和自擬題目研究分析）。

以工程問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入工程師的角色，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和研究性學(xué)習(xí)能力。

4 改進(jìn)研制結(jié)果

改進(jìn)后的插齒原理機(jī)如圖6所示，按照表1切制出的齒輪齒廓與刀具吻合，選擇其中一組實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。結(jié)果證明，改進(jìn)后插齒原理機(jī)刀具更換簡(jiǎn)便、工作安全可靠；加工的五種模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、正、負(fù)變位齒輪外形完整，相對(duì)誤差低于 5%，在可控范圍內(nèi)[13-14]，改進(jìn)后的插齒原理機(jī)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 改進(jìn)后的插齒原理機(jī)

表3 （m=4 mm、α=20°、z=20）齒輪參數(shù)及誤差

5 結(jié)論

本文對(duì)插齒原理機(jī)進(jìn)行革新改造，開(kāi)發(fā)出具有知識(shí)關(guān)聯(lián)性和綜合性的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)形式新穎，實(shí)驗(yàn)過(guò)程生動(dòng)有趣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令學(xué)生期待，報(bào)告?zhèn)€性化，使學(xué)生富有成就感和專業(yè)認(rèn)同感。以工程問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入工程師的角色的教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，理論與實(shí)踐環(huán)環(huán)相扣，使原本抽象枯燥的課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生動(dòng)起來(lái)；學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)、應(yīng)付考試轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)、樂(lè)于鉆研。學(xué)生能系統(tǒng)理解相關(guān)理論知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，將其引入機(jī)械設(shè)計(jì)的大門，學(xué)會(huì)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題[15]。該改造方案有效提高了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)質(zhì)量，也為利用閑置設(shè)備開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)提供了參考。