建设机械设计认知实验培养学生结构设计能力

2014-03-26王洪欣徐桂云

实验技术与管理 2014年6期

王洪欣，徐桂云

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

机械设计课程实验是学生认知典型的零件、部件，并理解其中的问题与解决方法，通过设备与仪器获得实验对象中的因果关系，在促进理论联系实际、创新和工程能力的提高上发挥着重要作用的环节[1-5]。认知实验更是学生亲眼看到常用机械、亲身感受结构设计中的问题与解决方法的一个实验。机械设计要解决的问题很多，其中机械零件的结构设计经历受力分析、失效形式分析、设计准则的确立与设计公式的建立、选择材料并确定机械性能、主要尺寸的理论设计过程，其中零件的一些几何尺寸通常是由经验关系计算出来的，零件尺寸的确定对制造方法、承载能力、装配过程以及与其他零件之间关系的保持都具有重要的影响。因此，掌握零件的结构设计是做好机械设计工作的关键。为了使学生更好地感受机械设计中的结构设计问题与相应的解决方法，在机械设计的认知实验中将典型机械、实物模型、图形表达与文字解说词相结合，充分展示合理的机械结构设计与其解决的相关问题，以便提高学生机械零件的结构设计能力[6-9]。

1 机械设计与产品质量

机械产品的质量由各项设计指标的选定与设计确定；制造将一个个零件加工出来，不可避免地产生了各种误差；装配将零件组装成机器。设计就是规定机器能做什么，同时也确定了零件的材质、尺寸、形状、位置与公差以及表面粗糙度。材质的选取主要考虑承载的需要与经济性；尺寸与形状的确定必须满足强度、刚度、制造与装配过程；位置的确定一定要满足小变形与定位的需要；公差以保证设计性能的实现为好；表面粗糙度的选择要与尺寸精度和形位精度相协调。制造中产生的误差可在装配时加以解决，这是机械制造与成组技术要着力解决的问题。

2 螺纹联接的结构设计

螺纹联接应用广泛，结构设计就是要解决螺栓的均布、均载与避免单个螺栓上的偏载问题。例如图1所示的煤矿井下水泵管路的螺栓联接，在一个连接面上使用了直径相同且较小、均匀分布的螺栓联接，既解决了接触面的均匀受压以达到密封的效果，又提高了螺栓的疲劳强度，避免偏载是确保两端面与孔的轴线垂直。

图1 螺栓联接

当为螺钉联接、双头螺柱联接时，要注意孔深、螺纹深与螺钉拧入深度的设计问题，例如图2、图3所示的设计。

图2 螺钉联接

图3 双头螺柱联接

3 带传动的结构设计

带传动的结构设计在于设计带轮的结构、解决带的张紧或消除压轴力，带轮的结构与安装条件相关，例如图4所示的设计，轮毂处B1的宽度与轮缘处B的宽度不相关，B1由键的挤压强度确定，B由带的类型与根数确定，相互位置由安装条件确定。

图4 带轮的结构

带传动的张紧是为了解决使用一段时间后带会出现塑性变形与磨损，从而导致预紧力下降，中心距调大可以获得需要的张紧力，可以使用调节螺纹、重力或张紧轮的方式实现带传动的张紧。调节螺纹张紧的方式如图5所示。

图5 调节螺纹张紧

消除压轴力可使用图6所示的结构设计，此时带的拉力不作用到轴上，而是通过轴承作用到机架上。

图6 卸载带轮

4 轴系的结构设计

机械设计中应用最多的是阶梯轴，零件易于装拆且容易实现精确定位。例如图7所示的二级减速器的输入轴为阶梯轴，各段长度由总体设计确定，要考虑零件的安装顺序与标准件尺寸的要求；各段直径既要满足强度与刚度要求，又要满足零件的轴向定位要求；将齿轮布置在远离输入端的位置有利于提高齿轮的接触面积；轴肩的尺寸首先应满足定位可靠，还应尽量使用半径较大的圆弧过渡以提高轴的疲劳寿命；轴端的键槽不要为通槽，以提高轴的抗扭能力；齿轮的宽度一定要比安装齿轮的轴段长1～2 mm，以便确保两者都存在制造误差时，套筒对齿轮的轴向定位；两个键槽应位于同一相位，以便简化加工并减小位置误差。

图7 齿轮与轴的结构设计

5 通过调整方法实现精确定位的结构设计

在轴系的结构设计中，采用调整位置实现零件的精确定位是经济可行的方法。例如一对圆锥齿轮的正确啮合要求两个锥顶重合，锥顶实际上是看不到的，通过提高相关零件的制造精度实现两个锥顶的重合既不经济也是困难的，通过装配时调整零件的位置实现两个锥顶的重合是普遍的做法。例如图8所示的设计方案，设置了垫片A，调节套杯的轴向位置就调节了圆锥齿轮1的锥顶，再调节圆锥齿轮2的锥顶，这样就实现了一对圆锥齿轮锥顶的重合；轴上锁紧螺母的作用是调节轴承的预紧量。

图8 圆锥齿轮轴系的第一种结构设计

在图9所示的设计方案中，垫片A用于调节一对圆锥齿轮锥顶的重合；垫片B用于调节轴承的预紧量。

图9 圆锥齿轮轴系的第二种结构设计

图10所示的设计方案不使用套杯，直接使用螺母A调节一对圆锥齿轮锥顶的重合，该结构省略了套筒，但要在箱体的内孔里加工螺纹，制造相对困难，扁螺母的尺寸较大也常需自己制造。

图10 圆锥齿轮轴系的第三种结构设计

图8—图10的结构设计表明，解决同一个问题可以使用不同的结构设计方案，这些结构上的差异对零件的制造、装配与受力都有不同的影响，比如图8所示的设计方案中轴的变形就比图9的要小一些，对圆锥齿轮的正确啮合更为有利。

6 装拆零件不破坏路径上的表面

轴上的零件往往需要拆卸，结构设计时应该保证装拆零件时不破坏路径上的表面。如图11所示的二级齿轮减速器的中间轴，齿轮与轴常采用过渡配合，配合后有微小过盈，斜齿轮左边的轴径应小于装齿轮的直径，圆锥齿轮右边的轴径应小于装齿轮的直径，使用两个套筒分别对两个齿轮加以定位。

图11 二级减速器中间轴的结构与装拆

在机械设计的认知实验建设中，还精选了尺寸链中封闭环的设置以提高零件位置精度的设计实例，改变零件的设计位置从而改善受力的均匀性、减小应力集中系数与提高轴类零件的疲劳寿命、减少轴的弯曲变形与提高轴承寿命、处理好基准之间的关系与减小制造误差以及控制形状与位置误差从而提高运动精度等设计实例。这些设计与说明，为学生全面认知与体会机械结构设计创造了条件。