物流工程專業機械設計課程設計教學探討

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

【關鍵詞】機械設計 課程設計 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

物流工程專業在進行機械設計課程設計時該專業學生與機械專業學生的要求應該有很大不同。首先，機械專業在進行機械設計課程設計時，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、電工電子技術等；而物流工程專業的先修課程較少，僅有機械制圖、工程力學和電工電子技術等。其次，機械專業先修課程大都是多學時，學習比較深入；而物流工程專業先修課程大都是少學時，學生對相關知識有所了解但并不深入。第三，機械專業機械設計課程設計的時間一般安排2周甚至3周，在設計期間停止其它所有課程專心進行課程設計；而物流工程專業課程設計時間相對較少，20學時左右，在這么短的時間內要完成與機械專業同樣的設計內容是有很大困難的。因此，根據學生的學習情況和現有的知識水平有必要對機械設計課程設計進行教學改革。

2.教學改革的目標

教學改革的目的是讓學生了解機械設計的過程，包括總體方案設計、普通V帶傳動設計、齒輪傳動設計、軸的設計與校核、軸承選擇與校核、鍵連接設計、聯軸器的選擇等。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

與機械專業相比物流工程專業對機械設計課程設計要求略低。例如，機械專業一般要求設計二級減速器，而物流工程專業一般要求設計一級減速器；機械專業一般要求齒輪嚙合為斜齒圓柱齒輪，而物流工程專業一般要求齒輪嚙合為直齒圓柱齒輪；機械專業一般要求減速器為整套圖紙，而物流工程專業一般要求部分圖紙即可。

4.教學改革內容

4.1課程設計題目與任務的設計

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

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

表1 帶式運輸機原始數據

課程設計任務：（1）編制課程設計計算說明書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過怎樣的過程。經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計算內容的設計

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軸器聯結，聯軸器機械效率為η聯軸器。總機械效率η總為η總=η帶η齒輪η聯軸器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Pd查機械零件設計手冊，電動機的功率應大于等于所需電動機功率Pd。對于轉速為3000r/min的電動機，因為轉速較高傳動比大，減速的裝置尺寸大成本增加，一般不選擇轉速太高電動機。對于轉速為750r/min的電動機，因為尺寸大價格高，一般也不選擇轉速太小電動機。最常使用的是1500r/min和1000r/min的電動機。綜上所述，根據所需電動機功率和轉速選擇需要的電動機。

4.3.2傳動比分配

根據前一個步驟電動機選定之后，電動機滿載轉速可查表得n滿。帶式運輸機即工作機的轉速通過公式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生干涉現象；其次，V帶傳動和齒輪傳動裝置尺寸盡可能小；第三，i帶和i齒輪傳動比不大于4。

4.3.3動力運動參數計算

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轉速n、功率P和轉矩T。

4.3.4帶轉動設計計算

課程設計主要從事一級減速器設計，帶傳動設計主要計算幾個重要參數。

確定計算功率Pc。根據設計題目要求，查設計手冊，可得帶傳動工作情況系數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。根據計算功率Pc和電動機轉速n滿查普通V帶的型號選擇圖表，選擇相應V帶。再根據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，再根據公式初算帶長度Ld0，公式為■。根據計算結果查普通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；根據小帶輪包角α1，查得包角系數Kα；根據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，得長度系數KL。把結果帶入公式得確定V帶的根數，公式■。

確定初拉力F0。根據公式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，小齒輪采用調質處理，大齒輪正火處理，大小齒輪硬度不同。通過相關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計齒輪主要尺寸。齒輪傳動采用閉式齒輪傳動，小齒輪齒數可在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ψd。

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

（4）校核彎曲疲勞強度。查齒輪的復合齒形系數，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）齒輪的結構設計。齒輪的基本參數如齒輪直徑、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、輪緣內徑、腹板厚度、腹板中心孔直徑等需要與軸配合設計。

4.3.6從動齒輪軸的設計計算

（1）軸的材料和熱處理的選擇。軸采用45#鋼調質，由機械設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。

（2）軸幾何尺寸的設計計算。按照扭轉強度初步設計軸的最小直徑按照公式■進行設計，考慮軸上鍵槽，選取直徑稍大些。根據軸上零件的定位、裝拆方便的需要，同時考慮到強度的原則，從動軸均設計為階梯軸。軸的強度校核計算。根據齒輪嚙合原理，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、箱座和箱蓋配合設計。

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

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

4.4設計圖紙的安排

課程設計需要同學們了解減速器的結構設計，所以必須進行減速器圖紙設計，同時考慮到同學們的設計時間較少，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果

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

參考文獻：

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

[2]陸玉，馮立艷，李建功，等.機械設計課程設計[M].北京：機械工業出版社，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