物流工程专业机械设计课程设计教学探讨

【摘要】物流工程专业在进行机械设计课程设计时，先修课程中机械方面课程不多且学时较少，同时该门课程设计的时间较短，这就要求对该门课程的内容和要求进行必要的调整。通过对该门课程教学目标、教学要求、教学内容等方面的改革，较好地完成了该门课程的实践教学任务。

【关键词】机械设计 课程设计 减速器

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）04-0193-02

1.前言

物流工程专业在进行机械设计课程设计时该专业学生与机械专业学生的要求应该有很大不同。首先，机械专业在进行机械设计课程设计时，先修课程较多，包括机械制图、工程力学、材料与热处理、机械加工工艺、公差与测量、电工电子技术等；而物流工程专业的先修课程较少，仅有机械制图、工程力学和电工电子技术等。其次，机械专业先修课程大都是多学时，学习比较深入；而物流工程专业先修课程大都是少学时，学生对相关知识有所了解但并不深入。第三，机械专业机械设计课程设计的时间一般安排2周甚至3周，在设计期间停止其它所有课程专心进行课程设计；而物流工程专业课程设计时间相对较少，20学时左右，在这么短的时间内要完成与机械专业同样的设计内容是有很大困难的。因此，根据学生的学习情况和现有的知识水平有必要对机械设计课程设计进行教学改革。

2.教学改革的目标

教学改革的目的是让学生了解机械设计的过程，包括总体方案设计、普通V带传动设计、齿轮传动设计、轴的设计与校核、轴承选择与校核、键连接设计、联轴器的选择等。同时，还要让学生学会草图绘制、总装图绘制、零件图绘制等。

3.教学要求

与机械专业相比物流工程专业对机械设计课程设计要求略低。例如，机械专业一般要求设计二级减速器，而物流工程专业一般要求设计一级减速器；机械专业一般要求齿轮啮合为斜齿圆柱齿轮，而物流工程专业一般要求齿轮啮合为直齿圆柱齿轮；机械专业一般要求减速器为整套图纸，而物流工程专业一般要求部分图纸即可。

4.教学改革内容

4.1课程设计题目与任务的设计

课程设计题目和任务要明确两点，一方面，指明机械设计课程设计为一级圆柱齿轮减速器；另一方面，指明完成设计的资料文件有哪些。

课程设计题目。设计一个用于带式运输机上的一级圆柱齿轮减速器。运输机连续工作，单项运转，载荷变化不大，空载启动。减速器小批量生产，使用期限10年，两班制。原始数据如表1所示。

表1 带式运输机原始数据

课程设计任务：（1）编制课程设计计算说明书1份；（2）绘制装配图和零件图共5张。其中绘制减速器装配图1张；绘制零件图4张，分别为减速器箱座、减速器输出轴、输出轴上齿轮、输出轴输出端端盖。

4.2传动方案设计

动力最终来源电动机，电动机把动力传递到带式运输机中间经过怎样的过程。经过比较电动机把动力传动到带传动，再从带传动传递到一级减速器，从一级减速器传递到带式运输机，这个方案较为合理。把带传动安排到电动机和减速器之间起到较好的缓冲和减震作用，保护电动机。

4.3计算内容的设计

4.3.1电动机选择

首先，计算带式运输机的功率Pw。传动方案确定之后，带式运输机的功率Pw按照公式Pw=FV/1000进行计算。其次，计算总机械效率η总。电动机传递到带式运输机经过V带传动，机械效率为η带；齿轮传动，机械效率为η齿轮，齿轮传动两个传动轴两端各有一个轴承，机械效率为η轴承；带式运输机滚筒机械效率为η滚筒；减速器与带式运输机之间通过联轴器联结，联轴器机械效率为η联轴器。总机械效率η总为η总=η带η齿轮η联轴器η滚筒η2轴承。

最后，确定所需电动机功率Pd。所需电动机功率Pd为Pd=Pw/η总，根据Pd查机械零件设计手册，电动机的功率应大于等于所需电动机功率Pd。对于转速为3000r/min的电动机，因为转速较高传动比大，减速的装置尺寸大成本增加，一般不选择转速太高电动机。对于转速为750r/min的电动机，因为尺寸大价格高，一般也不选择转速太小电动机。最常使用的是1500r/min和1000r/min的电动机。综上所述，根据所需电动机功率和转速选择需要的电动机。

4.3.2传动比分配

根据前一个步骤电动机选定之后，电动机满载转速可查表得n满。带式运输机即工作机的转速通过公式n=60×l000v/（лD）来求得。则总传动比i总为i总=n满/n。电动机与带式运输机减速装置有V带传动和齿轮传动，则i总=i带·i齿轮。总传动比分配时注意三点，首先，V带传动和齿轮传动装置不发生干涉现象；其次，V带传动和齿轮传动装置尺寸尽可能小；第三，i带和i齿轮传动比不大于4。

4.3.3动力运动参数计算

在选定电动机和传动比分配之后，可以计算出减速器两个传动轴三个重要的动力运动参数转速n、功率P和转矩T。

4.3.4带转动设计计算

课程设计主要从事一级减速器设计，带传动设计主要计算几个重要参数。

确定计算功率Pc。根据设计题目要求，查设计手册，可得带传动工作情况系数KA。计算功率Pc为Pc=KA·Po

选择V带型号、确定带轮基准直径dd1、dd2。根据计算功率Pc和电动机转速n满查普通V带的型号选择图表，选择相应V带。再根据图表显示确定小带轮的直径dd1，同时大于所选V带的最小直径且在标准系列直径里面的数值选取。大带轮直径dd2通过公式dd2=i带dd1来计算。

验算带速v。带速不能超过25m/s，通过公式v=■来进行验算。

确定中心距a和带的基准长度Ld。通过公式■■来初选a0，再根据公式初算带长度Ld0，公式为■。根据计算结果查普通V带长度尺寸系列得基准长度尺寸Ld。选择基准长度Ld后，计算实际中心距a，公式■。endprint

验算小带轮包角？琢1。根据带传动的传动要求，小带轮包角应大于等于120°，小带轮包角公式为 。

确定带的根数Z。查单根V带的基本额定功率得P0，查单根V带的基本额定功率的增量得△P0；根据小带轮包角α1，查得包角系数Kα；根据V带的基准长度Ld，查普通V带的基准长度尺寸系列与长度系数，得长度系数KL。把结果带入公式得确定V带的根数，公式■。

确定初拉力F0。根据公式F0=■确定初拉力F0，作用于带轮轴上的载荷FQ，公式■。

4.3.5齿轮的设计计算

（1）齿轮材料和热处理的选择。齿轮选用45号钢，小齿轮采用调质处理，大齿轮正火处理，大小齿轮硬度不同。通过相关公式可得到齿面接触疲劳强度[σH]和弯曲疲劳强度[σF]。

（2）按照接触强度初步设计齿轮主要尺寸。齿轮传动采用闭式齿轮传动，小齿轮齿数可在20-40之间选取。减速器采用单级齿轮传动，齿轮相对于两支承对称布置，两轮均为软齿面，查表可得齿宽系数ψd。

（3）按齿面接触疲劳强度设计。根据齿轮工作情况，查载荷系数表格，可得载荷系数K。按齿面接触疲劳强度设计，小齿轮直径■，再通过公式m=d1/z1确定齿轮模数m。

（4）校核弯曲疲劳强度。查齿轮的复合齿形系数，带入公式对弯曲疲劳强度进行校核。弯曲疲劳强度公式为■。

（5）齿轮的结构设计。齿轮的基本参数如齿轮直径、齿顶圆、齿根圆、中心距、齿宽等都可以计算出来，但齿轮轮毂尺寸、轮缘厚度、轮缘内径、腹板厚度、腹板中心孔直径等需要与轴配合设计。

4.3.6从动齿轮轴的设计计算

（1）轴的材料和热处理的选择。轴采用45#钢调质，由机械设计手册中的图表查得抗拉强度σb、屈服强度σs、许用弯曲应力[σ-1]等参数。

（2）轴几何尺寸的设计计算。按照扭转强度初步设计轴的最小直径按照公式■进行设计，考虑轴上键槽，选取直径稍大些。根据轴上零件的定位、装拆方便的需要，同时考虑到强度的原则，从动轴均设计为阶梯轴。轴的强度校核计算。根据齿轮啮合原理，可以算出齿轮的圆周力Ft和径向力Fr。由径向力可以算出两个轴承的支反力FA和FB，再通过画图确定两个轴承之间的距离L。根据已知条件可以计算出最大弯矩Mmax为Mmax=FA·L/2，再通过公式■计算弯曲应力，若计算弯曲应力小于等于[σ-1]为合格。

4.3.7轴承、键和联轴器的选择

考虑轴受力主要是径向力，故可选用深沟球轴承。轴承的选择与轴、箱座和箱盖配合设计。

从动轴伸出端键的设计与校核。根据从动轴外伸端的直径，再根据GB/T1095-2003设计键的尺寸。键挤压应力按照公式■，若■键的强度合格。同理，从动轴与齿轮联接处进行校核。

联轴器的选择。由于减速器载荷平稳，速度不高，无特殊要求，考虑拆装方便及经济问题，选用弹性套柱销联轴器，采用Y型轴孔，A型键轴孔。

4.4设计图纸的安排

课程设计需要同学们了解减速器的结构设计，所以必须进行减速器图纸设计，同时考虑到同学们的设计时间较少，故选择具有代表性的五张图纸，装配图、箱座、从动轴齿轮、从动轴和从动轴输出端轴承端盖。

5.教学改革的实施及结果

通过物流专业同学们的设计实践，同学们较好地完成机械设计课程设计教学任务。既了解机械设计的一般过程，又了解减速器的基本结构，取得了较好的教学设计效果。

参考文献：

[1]荣辉，付铁，杨梦晨，等.机械设计基础[M].北京：北京理工大学出版社，2013

[2]陆玉，冯立艳，李建功，等.机械设计课程设计[M].北京：机械工业出版社，2015

作者简介：

唐献全（1972-），男，广东省广州市人，博士，讲师，研究方向物流工程。endprint