深化《机械设计基础》课程改革的研究

杜海彬 张长军 张华瑾 马俊 怀玉兰 郭山国 王玉 高桂仙 宋伟

摘要：以往《机械设计基础》课程的知识点与企业项目对接不紧密，而且该课程涉及到大量设计计算，很多高职类学生涉及到设计计算类问题提不起兴趣甚至采用“逃避”的方式进行应付处理，为切实提高学生技能，将知识应用到企业中去，对课程内容进行了重组，利用Excel开发出大量设计计算技术文件，以“轴类零件及连接件的设计计算”详述了开发过程，这既提高了设计计算效率，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.

关键词：轴类零件;连接件;Excel;课程改革

Key words： shaft parts;connector;Excel;curriculum reform

中图分类号：G642                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0242-03

0  引言

《机械设计基础》课程是高职机械类专业必开的一门专业基础课程，为响应国家号召，教科研团队将《机械设计基础》课程与企业进行接轨，对课程进行了项目化开发以及设计计算过程进行电算化改革，整个教学改革遵循“易懂、够用、实用、可持续”原则，突出知识的“实用、可持续”性，以实际任务驱动教学，注重和强化教学实施过程化考核，以实现提高教学质量，实现立德树人之目的。

1  重整课程内容

《机械设计基础》课程参照《高等职业学校专业（机械设计与制造专业）教学标准（试行）》教学要求、机械设计与制造专业人才培养方案、《机械设计基础》课程标准、机械产品设计与加工岗位需求，结合教师企业实践项目，将课程内容重整为十三大项目，就是为了能让学生体会到所学知识与企业项目对接的重要性，突出知识的“实用、可持续”。

《机械设计基础》计划学时72学时、5学分，课程内容项目化建设包含：绪论（2学时）、项目一颚式破碎机机构的运动分析（4学时）、项目二缝纫机的平面四杆机构（6学时）、项目三设计汽车内燃机配气机构中的盘形凸轮机构（6学时）、项目四减速器的齿轮传动设计（8学时）、项目五牛头刨床中的带传动（8学时）、项目七减速器中的螺纹连接（4学时）、项目八自行车中的链传动（4学时）、项目九减速器中的蜗杆传动（4学时）、项目十减速器中的轮系（8学时）、项目十一减速器中的轴承（6学时）、项目十二减速器中的轴和轴毂连接（8学时）、项目十二输送机中的联轴器（2学时）。

《机械设计基础》课程采用多元、多方信息化考核评价方式，评价主要包含：理论知识+设计仿真技能+实训技能+组内评价+组间评价+教师评价+企业专家评价，整个评价借助于超星学习平台自助完成，平台能实时动态反应教学效果，根据教学反馈情况，教师可以及时调整教学策略。

2  基于Excel以“轴类零件及连接件的设计计算”为例进行电算化改革

接下来就以《机械设计基础》中的轴类零件及连接件的设计计算为例，进行说明如何应用Excel提高轴类零件及连接件的设计计算的可靠性及设计效率[2]。

一般传动零件要想实现其传动，传动零件一般安装在轴上，轴类零件一般受载后会产生两种常见变形：一种是弯曲变形，第二种是弯曲和扭转组合变形。接下来就分别以这两种变形为基础，对轴类零件进行受力分析，然后对机械设计计算进行推导和开发技术文件。希望以此为例向工程人员展示和说明如何应用Excel快速构建自己需要的电算化文件，以此提高设计计算效率。

2.1 轴类零件受力分析[3]

无论是带传动，还是齿轮传动，还是其它轮传动，一般在分析其传动作用在轴上的载荷时，都是以集中载荷的形式进行分析的。

接下来就以直齿圆柱齿轮传动作用在轴上的载荷为例进行分析，轴主要受载荷及其作用下产生的弯矩分别如图1、图2所示。我们以轴在这两种常见受载荷情况下如何进行分析为例进行展开。

受图1所示载荷时，A、B两点的支反力FA、FB及其弯矩M可分别按公式（1）～（3）进行求解。

2.2 轴类零件受载荷1情况下的设计计算过程分析

在设计计算时，首先应明确这些条件：输入功率P、轴的转速n、作用在轴上的载荷F等情况，即可对轴的强度进行设计计算。一般设计步骤如下：

①选择轴的材料及热处理方式，确定许用应力。

②按扭转强度估算轴的直径。可根据公式（8）进行估算轴的最小值。

③轴的结构设计（我们重点讨论强度设计计算，这部分内容不做过多阐述，但并不意味着可以跳过此步）。

④轴的强度校核。

1）分析并绘出轴的受载荷计算简图，如图3所示。

由于径向力Fr和圆周力Ft是垂直关系，所以可以将这两个力分别向垂直面（V面）和水平面（H面）进行投影，投影后仍然满足平衡关系。

2）在水平面的投影受载荷及其弯矩图，如图4所示。

根据图4进行分析，其计算可参考图1计算模型及其计算公式，可知：

如果满足公式（12）则强度满足要求，否则需要重新设计计算。

2.3 轴类零件受载荷1情况下的设计计算流程[3]

要想进行机械设计计算电算化，首先要理清设计流程，这是进行轴类零件电算化的前提。根据对轴类零件受载荷1情况下的设计计算分析，需要分析每个计算公式中的自变量和因变量，例如公式（1）、（2）、（3）中的l、x、F为自变量，而FA、FB、M为因变量;公式（4）～（7）中的l、x1、x2、F1、F2为自变量，而FA、FB、MA、M1为因变量;公式（8）～（12）中的P、n为自变量，而其它所求量为因变量。因此提炼出每个计算公式中的自变量和因变量，是为了更好的、更宏观的认识整个设计过程。

现在说明展示整个设计流程：首先根据已知的P、n、受力等情况→选择轴的材料及热处理方式，确定许用应力→根据公式（8）估算轴的直径→设计轴的结构（含轴的各部分直径和长度）→绘出轴的受载荷计算简图→根据公式（1）、（2）、（3）计算水平面内的支反力和弯矩→再根据公式（1）、（2）、（3）计算垂直面内的支反力和弯矩→根据公式（9）计算合成弯矩M→根据公式（10）计算轴的转矩T→根据公式（11）计算当量弯矩Me→根据公式（12）计算轴的最大应力→轴的最大应力与许用应力进行比较，如果满足要求说明轴的强度满足要求，如果不满足要求需要对轴的结构重新进行设计，然后再次计算轴的受载荷、支反力、弯矩、合成弯矩、转矩、当量弯矩、最大应力的計算，直到所求最大应力能满足要求才行。如果能够掌握整个设计流程，就可以轻松调整设计计算中的参数，使得整个设计计算更加快速合理。

2.4 Excel在轴类零件受载荷1情况下的应用[4]

2.4.1 建立Excel文档

右键→“新建”→“Excel工作表”;选中新建的表格，然后右键→将文档命名为“轴类零件及连接件的设计计算技术文件”。

2.4.2 文档设置

①打开文档，选择“页面布局”→“纸张大小”→“A4”。如果打印需要其它页面，进行相应选择即可。

②选中第一行表格，“开始”→“合并后居中”，在合并后的单元格中输入“轴类零件设计”，标题为了醒目，可将标题的字号设置的大些，为了美观，也可将单元格进行“填充”，选中单元格，在“开始”工具栏中，选择（或者直接右击该图标也可出现），单击下拉菜单，选中要填充的颜色。

③在A2至A4单元格中分别输入：“已知条件：”、“输入功率P=”、“输入转速n1=”;将B3、B4分别填充成浅蓝色和深蓝色，后面凡是填充成蓝色的均代表已知数据。在C3、C4单元格中分别输入：“kW”、“r/min”。

④将A5至E5进行合并，在其中输入“1、选择轴的材料及热处理方式，确定许用应力。”

⑤在A6中输入“轴选材”，然后右键→“插入批注”（这是为了便于查表）→单击批注边框→右键→“设置批注格式”→“颜色与线条”→单击下拉菜单→“填充效果”→“图片”→“选择图片”选择想要插入的“轴类选材”的图片→“确定”→“确定”→选择批注边框，调整大小;将B6填充成黄色，以后黄色就代表自变量;将C6、D6合并输入“热处理方式”;将E6填充成黄色;在F6中输入“硬度值”;将G6、H6合并后填充黄色;将I6、J6合并并输入“许用弯曲应力[σb]-1=”并插入批注，将许用应力值设置为要插入的内容;将K6填充成黄色;在L6中输入“MPa”。

⑥其余内容应用方法如：建立Excel文档中的①～⑤的方法类似，不再一一列举，开发后的技术文件如图6所示。

3  结论

根据教师在企业中的实践经历，结合企业需求，对标课程标准，对课程内容进行了项目化重组，还对课程内容进行了重新录制，并在智慧职教MooC中开了两轮课程，新版项目化教材也即将出版;教学改革中为了提高设计计算可靠性及设计效率，突出对知识的“实用”性，以“轴类零件及连接件的设计计算”为例开发出了相应技术文件，这在本科19级机械电子工程班《机械设计基础》教学中进行了实施，根据学生反馈，能看出学生对用Excel进行机械设计计算很感兴趣，而且实施效果很理想。

因此，很有必要对《机械设计基础》中的设计计算进行改革，因为这不仅提高了学生学习兴趣，又提高了学生解决实际问题的能力，还锻炼了学生团队合作共同解决问题的团队意识。

参考文献：

[1]杜海彬，张长军，张华瑾，马俊.以企业项目推进《机械设计基础》课程改革的研究[J].科技视界，2020，12（29）：87-89.

[2]杜海彬，张长军，张华瑾，马俊.基于Excel深化改革《机械设计基础》课程的研究[J].机械工程师，2020，12：89-92.

[3]王玉.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2018，8.

[4]杜海彬，张长军，张华瑾，马俊，郭山国.Excel在滚动轴承寿命校核中应用的研究[J].内燃机与配件，2020，12（17）：246-247.

[5]杜海彬，张长军，张华瑾，马俊，怀玉兰.基于Excel在链传动设计中的应用研究[J].内燃机与配件，2021，8（16）：209-211.

[6]杜海彬，张长军，张华瑾，马俊，怀玉兰.基于Excel在蜗杆传动设计中的应用研究[J].内燃机与配件，2021，9（18）：210-212.