基于Excel深化改革《機械設計基礎》課程的研究

杜海彬， 張長軍， 張華瑾， 馬俊

（河北機電職業技術學院 機械工程系，河北 邢臺054000）

0 引 言

機械設計基礎課程是機械類學生必修課程，該課程中涉及到大量設計計算，比如帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、軸強度校核、軸承承載能力等設計計算。但諸多的設計需要大量的計算，一般很多機械類的學生對機械設計過程仍停留在手算，而且興趣不高，一旦其中一個環節計算錯誤，往往會影響后續計算結果，核對及檢查設計過程又很繁瑣；雖然有些設計人員已把各種機械設計軟件引入到機械設計過程中，但其中很少有人能清楚設計計算的原理及依據是什么，設計者心里無依據，擔心設計結果不可靠。如果自己開發設計計算軟件，一般需要VB或者C語言等編程，難度較大，一般設計人員很難掌握。

如何避免機械設計過程中出錯以及提高機械設計計算效率，又能讓設計者清楚機械設計計算的過程依據，做到心里有數，將Excel引入到機械設計計算過程中，將很好地解決這一系列的難題。這也響應了《國家職業教育改革實施方案》中指出“大幅提升新時代職業教育現代化水平”的號召；還可以降低高職機械類學生的復雜計算能力要求，更加注重知識的應用，從而提高學習興趣，進而創造出更多的新產品。

Excel是計算機一級考試必考內容，一般學生大學一年級時已學習和應用；而Excel有很強的表格制作、數據快速計算分析、圖表表達展示等功能，應用時也不需高級語言，易學易用[1-2]。

為調動學生學習機械設計基礎的積極性[3]，下面以課程中的帶傳動為例進行展開研究。

教師首先將帶傳動設計項目布置給學生進行分析和手算，再讓學生用Excel建好的帶傳動設計文件對同一項目進行設計計算，然后教師再布置另外一個新的帶傳動設計項目讓學生進行設計計算。具體操作流程如圖1所示。沒有對比就體現不了用Excel做機械設計計算的優勢，只有學生充分體會到其方便、快捷、高效性，才能激發學生學習這門課的興趣。

圖1 學生體驗用Excel進行機械設計優越性實施方案流程圖

俗話說授人以魚不如授人以漁。在學生充分體驗用Excel進行機械設計優越性的基礎上，教授學生如何開發用Excel做機械設計技術性文件的方法，考慮到老教師開展這部分內容可能存在困難，因此可以將Excel做設計的方法做成微課的形式供大家學習。

下面就以“用Excel進行V帶傳動設計”為例，展示如何用Excel開發出設計計算技術性文件。

1 V帶傳動設計過程分析

為能更好地開展“用Excel進行V帶傳動設計”計算技術性文件的開發，開發者需對V帶傳動設計整個過程有個宏觀的認識，以及理清各設計步驟間的關系。為便于對V帶傳動設計的理解和理清設計步驟間的關系，用Excel進行V帶傳動設計時可參考圖2所示流程圖進行展開工作。理清設計流程及計算過程中各參數的關系，對于出現計算不合理情況時如何調整參數具有重要意義。

圖2 V帶傳動設計流程圖[4]

2 開發“普通V帶傳動設計”Excel技術文件

新建Excel文件，將其命名為：普通V帶傳動設計。分析整個V帶傳動設計流程圖發現：從第1步一直到第13步所有計算都是一些簡單的加減乘除四則運算，只有第14步涉及到正弦函數。在Excel中分別用+-*/表示加減乘除；用B∧a可表示B的a次方；涉及到正弦函數時直接調用Excel中的sin函數即可。

用Excel具體開發V帶傳動設計過程為：

1）打開文檔，選擇工具欄里的“頁面布局”→（箭頭表示操作步驟）“紙張大小”→“A4”。這是為便于設計計算后打印。

選中A1至M1單元格，單擊工具欄里的“開始”→“合并后居中”，在合并后的單元格中輸入“普通V帶傳動設計”，標題為了醒目，可將標題的字號設置得大些，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，選中要填充的紅顏色。其結果如圖3所示。

圖3 相應單元格填充后的效果

2）在A2至A5單元格中分別輸入：“已知條件：”、“電動機額定功率P=”、“額定轉速n1=”、“輸出輪轉速n2=”。將B3至B5分別填充成藍色，后面凡是填充成藍色的均代表已知數據。在C3至C5單元格中分別輸入“kW”、“r/min”、“r/min”。其結果如圖4所示。

圖4 相應單元格輸入填充后的效果

在A7中輸入“1）計算功率Pd”。

將C8至E8單元格合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數“=IF（B9<1,"選擇錯誤，請重新選擇",IF（B9<=1.8,"在選擇范圍，可以用",IF（B9>1.8,"選擇錯誤，請重新選擇"）））”；如果B8輸入的數據超過工況表中的數據就會提示“選擇錯誤，請重新選擇”，這樣就降低了輸入數據出錯的概率，對于熟悉計算過程的工程人員，這步可以省略。

在A9中輸入“計算功率Pd=”，將B9填充成紫色，以后沒有特別聲明，紫色均表示因變量，并將B9輸入計算公式“=B8*B3”；在C9中輸入“kW”，這是計算結果單位。

在A10中輸入“2）確定V帶型號”；在A11中輸入“V帶型號為”，并插入批注，將V帶型號圖片插入到批注中；將B11填充成黃色。其結果如圖5所示。

圖5 相應單元格輸入填充后的效果

4）將A12至E12合并單元格，并輸入“2、確定帶輪基準直徑dd1、dd2及驗算帶速v”。

在A13中輸入“1）確定小帶輪基準直徑dd1=”，并右鍵插入批注，將“帶輪標準直徑系列”表設置成批注內容；在C13中填充成黃色；在D14中輸入單位“mm”。在G13中輸入“傳動比i=”，將H13填充成紫色并輸入計算公式“=B4/B5”。

將A14、B14合并，在其中輸入“彈性滑動率ε=”，并右鍵插入批注，將“ε=0.01～0.02”設置成批注內容；將C14填充成黃色；將D14至F14合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數“=IF（C14<0.01,"選擇錯誤，請重新選擇",IF（C14<=0.02,"在選擇范圍，可以用",IF（C14>0.02,"選擇錯誤，請重新選擇"）））”，為了避免出現輸入錯誤，特意利用IF函數進行提醒，如果輸入的數值不在0.01～0.02之間，將提示“選擇錯誤，請重新選擇”，如果在0.01～0.02范圍之間，則提示“在選擇范圍，可以用”。

將A15、B15合并，在其中輸入“大帶輪基準直徑dd2=”；將C15填充成紫色，代表因變量，并輸入計算公式“=B4*C13*（1-C14）/B5”；將D15中輸入單位“mm”。

將A16、B16合并，在其中輸入“結合計算查表確定大帶dd2=”，在C16中填充成黃色，并右鍵插入批注，將“帶輪標準直徑系列”表設置成批注內容；在D16中輸入單位“mm”。

在A17中輸入“2）驗算帶速v”；在A18中輸入“帶速v=”；將B18填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=3.14*C13*B4/60000”；將C18至F18合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數“=IF（B18<5,"帶速太低，請調整dd1重新輸入",IF（B18<=30,"帶速在使用范圍",IF（B18>30,"帶速太高，請調整dd1重新輸入"）））”以作提示；在G18中輸入單位“m/s”。其結果如圖6所示。

圖6 相應單元格輸入填充后的效果

5）將A19至F19合并，并在其中輸入“3、確定中心距a、V帶基準長度Ld及驗算小帶輪包角α1”。

將A20、B20合并，并在其中輸入“1）初步確定中心距a0”。

將B21填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=0.7*（C13+C16）”；在C21中輸入“≤a0≥”；將D21中輸入計算公式“=2*（C13+C16）”；在E21中輸入單位“mm”。

在B22中輸入“a0=”；將C22填充成黃色；在D22中輸入單位“mm”；將E22至G22合并，并輸入“根據上式范圍進行選取”。

在A23中輸入“2）初算帶長L0”；在A24中輸入“L0=”；將B24填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=2*C22+3.14*（C13+C16）/2+（C16-C13）^2/（4*C22）”，這里需要注意：“PI（）”表示π；在C24中輸入單位“mm”。

將A25、B25合并，在其中輸入“帶的基準長度Ld=”，并右鍵插入批注，將“帶的基準長度系列”表設置成批注內容；將C25填充成黃色；將D25至G25合并，并填充成綠色，在其中輸入判斷函數“=IF（C25<200,"帶長不再范圍內，請重新輸入",IF（C25<=16800," 在選擇范圍",IF（C25>16800,"帶長不在范圍內，請重新輸入"）））”，以作提示；在H25中輸入單位“mm”。

將A26、B26合并，在其中輸入“3）確定實際中心距a”。在A27中輸入“中心距a=”；將B27填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=C22+（C25-B24）/2”；在C27中輸入單位“mm”。

在A28中輸入“amin=”；將B28填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=B27-0.015*C25”；在C28中輸入單位“mm”。

在A29中輸入“amax=”；將B29填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=B27-0.03*C25”；在C29中輸入單位“mm”。

將A30、B30合并，在其中輸入“4）驗算小帶輪包角α1”。

在A31中輸入“α1=”，將B31填充成紫色，在其中輸入計算公式“=180-（C16-C13）*57.3/B27”；在C31中輸入“°”；將D31至G31合并，并填充成綠色，在其中輸入判斷函數“=IF（B31<120,"包角太小，請重新輸入",IF（B31>=120,"在允許范圍"））”，以作提示。其結果如圖7所示。

圖7 相應單元格輸入填充后的效果

6）將A32至C32合并，并在其中輸入“4、確定V帶根數z”。

將A33、B33合并，并在其中輸入“包角修正系數Kα=”，并右鍵插入批注，將“包角修正系數”表設置成批注內容；將C33填充成黃色；將D33至F33合并，并在其中輸入判斷函數“=IF（C33>1,"選擇錯誤，重新選擇",IF（C33<0.69,"選擇錯誤，重新選擇",IF（C33<=1,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A34、B34合并，并在其中輸入“帶長修正系數KL=”，并右鍵插入批注，將“帶長修正系數”表設置成批注內容；將C34填充成黃色；將D34至F34合并，并在其中輸入計算公式“=IF（C34>1.19," 選擇錯誤，重新選擇",IF（C34<0.81,"選擇錯誤，重新選擇",IF（C34<=1.19,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A35、B35合并，并在其中輸入“△P0=”，并右鍵插入批注，將“普通V帶額定功率”圖設置成批注內容；將C35填充成黃色。

在B36中輸入“P0=”；將C36填充成黃色。

在B37中輸入“z≥”；將C37填充成紫色，在其中輸入計算公式“=B9/（（C35+C36）*C33*C34）”。

在B38中輸入“z=”；將C38填充成黃色。其結果如圖8所示。

圖8 相應單元格輸入填充后的效果

7）將A39至C39合并，并在其中輸入“5、確定V帶傳動作用在軸上的壓力FT”。

將A40、B40合并，并在其中輸入“單位長度質量m=”，并右鍵插入批注，將“普通V帶的型號及其截面尺寸”表設置成批注內容；將C40填充成黃色；將D40至F40合并，并在其中輸入判斷函數“=IF（C40>0.97,"選擇錯誤，重新選擇",IF（C40<0.023,"選擇錯誤，重新選擇",IF（C40<=0.97,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A41、B41合并，在其中輸入“計算帶的初拉力F0=”；將C41填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=500*B9*（2.5/C33-1）/（B18*C38）+C40*B18^2”；在D41中輸入單位“N”。

將A42、B42合并，在其中輸入“作用在軸上的壓力FT=”；將C42填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=2*C38*C41*sin（B31/2）”，這里需要注意，三角函數sin中的數值應為弧度，“PI（）”表示π；在D42中輸入“N”。其結果如圖9所示。

圖9 相應單元格輸入填充后的效果

7）開發過程總結及說明：藍色單元格代表已知數據，黃色單元格代表需要輸入的自變量，紫色單元格代表計算結果因變量，綠色單元格起到提示作用。

8）開發后的文件中涉及到的計算公式為避免被他人改動而造成錯誤，將整個“普通V帶傳動設計”Excel技術文件進行保護，具體操作方法是：

打開相應Excel文檔，選中所有表格，同時按下鍵盤中的ctrl和1鍵，在彈出的對話框中，單擊“保護”選項卡，將“鎖定”設置成未選擇；然后同時按下鍵盤中的ctrl和G鍵，在彈出的對話框中，單擊“定位條件”選項卡，選擇“公式”然后單擊“確定”按鈕；再次同時按下鍵盤中的ctrl和1鍵，在彈出的對話框中，單擊“保護”選項卡，將“鎖定”設置成選擇即在“鎖定”前打■，然后單擊“確定”按鈕。

單擊Excel工具欄中的“審閱”，在其下拉菜單中單擊“保護工作表”，在彈出的對話框中輸入密碼，單擊確定。如此操作后，用Excel開發的技術性文件中，涉及到計算公式的單元格就處于受保護的狀態，其它單元不影響使用。

3 結 論

從樣例用Excel開發技術性文件來看，用Excel做機械設計計算既簡單、實用、效率高[5-6]，還能做到一次開發終身使用，開發者既了解設計過程，又能高效、準確、快捷地進行機械設計。用Excel可將復雜的機械設計簡單化、實用化。因此用Excel對機械設計基礎課程進行改革具有重要意義。這也可促進新時代職業教育現代化水平的提高，為學生以后更好、高效、快捷、輕松地進行機械設計打下堅實的基礎。