深化《機械設計基礎》課程改革的研究

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《機械設計基礎》課程的知識點與企業項目對接不緊密，而且該課程涉及到大量設計計算，很多高職類學生涉及到設計計算類問題提不起興趣甚至采用“逃避”的方式進行應付處理，為切實提高學生技能，將知識應用到企業中去，對課程內容進行了重組，利用Excel開發出大量設計計算技術文件，以“軸類零件及連接件的設計計算”詳述了開發過程，這既提高了設計計算效率，也提高了計算可靠性。

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：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0242-03

0 ?引言

《機械設計基礎》課程是高職機械類專業必開的一門專業基礎課程，為響應國家號召，教科研團隊將《機械設計基礎》課程與企業進行接軌，對課程進行了項目化開發以及設計計算過程進行電算化改革，整個教學改革遵循“易懂、夠用、實用、可持續”原則，突出知識的“實用、可持續”性，以實際任務驅動教學，注重和強化教學實施過程化考核，以實現提高教學質量，實現立德樹人之目的。

1 ?重整課程內容

《機械設計基礎》課程參照《高等職業學校專業（機械設計與制造專業）教學標準（試行）》教學要求、機械設計與制造專業人才培養方案、《機械設計基礎》課程標準、機械產品設計與加工崗位需求，結合教師企業實踐項目，將課程內容重整為十三大項目，就是為了能讓學生體會到所學知識與企業項目對接的重要性，突出知識的“實用、可持續”。

《機械設計基礎》計劃學時72學時、5學分，課程內容項目化建設包含：緒論（2學時）、項目一顎式破碎機機構的運動分析（4學時）、項目二縫紉機的平面四桿機構（6學時）、項目三設計汽車內燃機配氣機構中的盤形凸輪機構（6學時）、項目四減速器的齒輪傳動設計（8學時）、項目五牛頭刨床中的帶傳動（8學時）、項目七減速器中的螺紋連接（4學時）、項目八自行車中的鏈傳動（4學時）、項目九減速器中的蝸桿傳動（4學時）、項目十減速器中的輪系（8學時）、項目十一減速器中的軸承（6學時）、項目十二減速器中的軸和軸轂連接（8學時）、項目十二輸送機中的聯軸器（2學時）。

《機械設計基礎》課程采用多元、多方信息化考核評價方式，評價主要包含：理論知識+設計仿真技能+實訓技能+組內評價+組間評價+教師評價+企業專家評價，整個評價借助于超星學習平臺自助完成，平臺能實時動態反應教學效果，根據教學反饋情況，教師可以及時調整教學策略。

2 ?基于Excel以“軸類零件及連接件的設計計算”為例進行電算化改革

接下來就以《機械設計基礎》中的軸類零件及連接件的設計計算為例，進行說明如何應用Excel提高軸類零件及連接件的設計計算的可靠性及設計效率[2]。

一般傳動零件要想實現其傳動，傳動零件一般安裝在軸上，軸類零件一般受載后會產生兩種常見變形：一種是彎曲變形，第二種是彎曲和扭轉組合變形。接下來就分別以這兩種變形為基礎，對軸類零件進行受力分析，然后對機械設計計算進行推導和開發技術文件。希望以此為例向工程人員展示和說明如何應用Excel快速構建自己需要的電算化文件，以此提高設計計算效率。

2.1 軸類零件受力分析[3]

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

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

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

2.2 軸類零件受載荷1情況下的設計計算過程分析

在設計計算時，首先應明確這些條件：輸入功率P、軸的轉速n、作用在軸上的載荷F等情況，即可對軸的強度進行設計計算。一般設計步驟如下：

①選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應力。

②按扭轉強度估算軸的直徑?？筛鶕剑?）進行估算軸的最小值。

③軸的結構設計（我們重點討論強度設計計算，這部分內容不做過多闡述，但并不意味著可以跳過此步）。

④軸的強度校核。

1）分析并繪出軸的受載荷計算簡圖，如圖3所示。

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

2）在水平面的投影受載荷及其彎矩圖，如圖4所示。

根據圖4進行分析，其計算可參考圖1計算模型及其計算公式，可知：

如果滿足公式（12）則強度滿足要求，否則需要重新設計計算。

2.3 軸類零件受載荷1情況下的設計計算流程[3]

要想進行機械設計計算電算化，首先要理清設計流程，這是進行軸類零件電算化的前提。根據對軸類零件受載荷1情況下的設計計算分析，需要分析每個計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。因此提煉出每個計算公式中的自變量和因變量，是為了更好的、更宏觀的認識整個設計過程。

現在說明展示整個設計流程：首先根據已知的P、n、受力等情況→選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應力→根據公式（8）估算軸的直徑→設計軸的結構（含軸的各部分直徑和長度）→繪出軸的受載荷計算簡圖→根據公式（1）、（2）、（3）計算水平面內的支反力和彎矩→再根據公式（1）、（2）、（3）計算垂直面內的支反力和彎矩→根據公式（9）計算合成彎矩M→根據公式（10）計算軸的轉矩T→根據公式（11）計算當量彎矩Me→根據公式（12）計算軸的最大應力→軸的最大應力與許用應力進行比較，如果滿足要求說明軸的強度滿足要求，如果不滿足要求需要對軸的結構重新進行設計，然后再次計算軸的受載荷、支反力、彎矩、合成彎矩、轉矩、當量彎矩、最大應力的計算，直到所求最大應力能滿足要求才行。如果能夠掌握整個設計流程，就可以輕松調整設計計算中的參數，使得整個設計計算更加快速合理。

2.4 Excel在軸類零件受載荷1情況下的應用[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計計算技術文件”。

2.4.2 文檔設置

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，進行相應選擇即可。

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“軸類零件設計”，標題為了醒目，可將標題的字號設置的大些，為了美觀，也可將單元格進行“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也可出現），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=”、“輸入轉速n1=”;將B3、B4分別填充成淺藍色和深藍色，后面凡是填充成藍色的均代表已知數據。在C3、C4單元格中分別輸入：“kW”、“r/min”。

④將A5至E5進行合并，在其中輸入“1、選擇軸的材料及熱處理方式，確定許用應力?！?/p>

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“許用彎曲應力[σb]-1=”并插入批注，將許用應力值設置為要插入的內容;將K6填充成黃色;在L6中輸入“MPa”。

⑥其余內容應用方法如：建立Excel文檔中的①～⑤的方法類似，不再一一列舉，開發后的技術文件如圖6所示。

3 ?結論

根據教師在企業中的實踐經歷，結合企業需求，對標課程標準，對課程內容進行了項目化重組，還對課程內容進行了重新錄制，并在智慧職教MooC中開了兩輪課程，新版項目化教材也即將出版;教學改革中為了提高設計計算可靠性及設計效率，突出對知識的“實用”性，以“軸類零件及連接件的設計計算”為例開發出了相應技術文件，這在本科19級機械電子工程班《機械設計基礎》教學中進行了實施，根據學生反饋，能看出學生對用Excel進行機械設計計算很感興趣，而且實施效果很理想。

因此，很有必要對《機械設計基礎》中的設計計算進行改革，因為這不僅提高了學生學習興趣，又提高了學生解決實際問題的能力，還鍛煉了學生團隊合作共同解決問題的團隊意識。

參考文獻：

[1]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊.以企業項目推進《機械設計基礎》課程改革的研究[J].科技視界，2020，12（29）：87-89.

[2]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊.基于Excel深化改革《機械設計基礎》課程的研究[J].機械工程師，2020，12：89-92.

[3]王玉.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2018，8.

[4]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊，郭山國.Excel在滾動軸承壽命校核中應用的研究[J].內燃機與配件，2020，12（17）：246-247.

[5]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊，懷玉蘭.基于Excel在鏈傳動設計中的應用研究[J].內燃機與配件，2021，8（16）：209-211.

[6]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊，懷玉蘭.基于Excel在蝸桿傳動設計中的應用研究[J].內燃機與配件，2021，9（18）：210-212.