轴承配置演示仪

顾佳飞　林礼区　金坪　李观俊　戴昱侃　谭诗逸

摘要：论述了轴承配置演示仪的结构、原理，将常见的轴承配置问题划分成三个部分，可在《机械设计》课程中让学生直观的了解轴承配置的相关知识。

关键词：轴承配置；教学演示；直观

《机械设计》课程是培养工科学生机械设计能力的专业基础课程，属于设计性课程。该课程存在基本概念多、内容繁杂，理论抽象、应用性强、各章节自成体系等特点。长期以来，由于受传统教学方法的影响及固定教学时数的限制，该课程的教学效果一直不尽如人意。究其原因主要是教学方法及手段与工程实践相脱节，导致学生的创造性思维以及获取信息、分析信息、处理信息和利用信息的能力得不到充分的培养与锻炼。基于课堂教学的目的，开发了轴承配置演示仪教具。

1基本结构及特点

轴承配置演示仪主要分为三个模块，模块一“一端支点双向固定一端支点游动”，主要演示细长轴的伸长及轴承的游动；模块二“两端游动”，将由于人字齿两侧的螺旋角存在差异而产生的轴向力及轴向窜动进行演示；模块三“锥齿轮的调整”，其功能为演示锥齿轮位置的调整及齿侧间隙的测量。使用各种轴承配置关系，观察轴的窜动情况，通过对轴承端进行测力分析，并用显示装置加以显示，反应在各种情况下轴承配置的合理性。

2整体设计

2.1动力部分机械结构设计

轴承配置演示仪的动力部分主要由齿轮、同步带轮、电机组成。轴承配置演示仪演示部分主要由三大模块构成，用一个电机进行驱动，利用类似离合器原理，在电机输出轴上安装一个可轴向滑动的齿轮，三个模块对应安装各自的齿轮，当电机输出的齿轮与三个模块其中一个齿轮啮合时，该模块便开始转动。模块中的齿轮旁，安有小同步轮，与之对应的模块输入轴上安有大同步轮。因此，电机的输出便通过一对齿轮及一对同步轮进行传递，并且减速。降低了制作成本，实现了空间的合理利用。结构如图1所示。

2.2模块一机械结构设计

模块一“一端支点双向固定一端支点游动”，主要由齿轮、轴、限位装置组成。在跨距较大且工作温度较高的轴上，由于其热伸长量大，需采用一端支点双向固定一端支点游动的支承结构。以一级斜齿轮减速器为原型，主动轴相对机座固定，电机输出通过带轮传递至主动轴。从动轴则分为固定半轴与移动半轴两部分。在从动轴上，大齿轮与移动半轴固定，其内孔带有螺纹，与固定半轴上的螺纹套配合。两根半轴通过轴端方孔，用方形条连接，实现同步旋转。螺纹套一段开槽，限位杆卡入槽中可限制螺纹套旋转，从而通过螺纹副进行传动，使移动半轴向右移动。模块一将轴受热变形的微小变量进行放大，并用数显百分表及位移传感器测量、显示，从而直观的反映轴的热伸长及轴向窜动与对应轴承配置的合理性。在轴端观察处的端盖采用透明的有机玻璃进行制作，便于观察轴承的工作情况。结构如图2所示。

2.3模块二机械结构设计

模块二“两端游动”，主要由齿轮、轴组成。对于一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向限位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承必须都是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿轮的两侧受力不均匀。以一级斜齿轮减速器为原型，主动轴相对机座固定，电机输出通过带轮传递至主动轴，使用3对螺旋角不同的斜齿轮来模拟出人字齿轮本身带有的误差在啮合时所产生的轴向力不同造成窜动的不确定性，通过调节齿轮使其对应的两对齿轮工作，造成轴向合力向左和向右的情况，通过轴端测力加以体现。

此处的人字齿，设计为两个旋向相反的斜齿轮。为了能演示两边的轴向力，故轴上的齿轮分布顺序为小螺旋角大斜齿轮1、大螺旋角大斜齿轮3、中螺旋角大斜齿轮2。其中，大齿轮2与大齿轮1旋向相反，同时传动时，类比人字齿。同理，大齿轮2与大齿轮3旋向相反。为了让同根轴上不同传动比的齿轮可以工作，输出轴被分成了两段，它们之间可差速旋转。在传动时，齿轮组2与齿轮组1或齿轮组3配合，演示螺旋角差异情况的不同所带来的不同结果。结构如图3所示。

2.4模块三机械结构设计

模块三“锥齿轮的调整”，主要由锥齿轮组成。以一级锥齿轮减速器为原型，制作教具模型。采用双支点各单向固定，即采用两个反向安装的圆锥滚子轴承，两个轴承各限制轴在一个方向上的移动，安装时通过调整调整垫片来调整轴承外圈或内圈的轴向位置，使轴承达到理想的游隙或所要求的预紧程度，从而调整锥齿轮的啮合位置。

齿轮位置的调整——红丹粉法。在该对齿轮上涂以红丹粉，齿轮啮合滚动，轮齿上出现的印痕，故可根据该印痕，将齿轮的调整到适当的位置。

齿侧间隙的测量——压铅丝法。在齿面沿齿长两端平行放置2段铅丝，宽齿可放3—4段，铅丝直径不宜超过最小间隙的4倍，转动齿轮，测量铅丝挤压的最薄处尺寸即为侧隙。

结构如图4所示。

2.5负载部分机械结构设计

轴承配置演示仪的加载方式采用刹车片的原理。两个加载片与一加载座固定，分别位于输出轴的两侧，并且内部粘有橡胶片，增大其摩擦力。当在加载臂上挂不同的重物时，该输出轴也受到不同的负载，从而改变模型的运行状态。结构如图5所示。

2.6限位装置机械结构设计

在模块一中，需将螺纹套固定，禁止转动。因此，轴承配置演示仪设有限位装置。当限位片卡入螺纹套的缺口时，螺纹套便不能转动。限位装置结构设计如图6、图7所示。

2.7显示部分设计

为了让学生能更直观地看到轴的变形、窜动及轴承的游动，轴承配置演示仪在输出轴一端面上装有数显百分表及数码摄像头。当轴移动时，数显百分表便显示相应的数据，电脑上的软件也同步显示该数据。该端面端盖材料为透明有机玻璃，摄像头将轴及轴承的游动情况传输至电脑，并清晰的显示于投影幕布上。零部件的变化情况及变化量结合显示，使结果更为生动、直观，更易观察。

3结束语

轴承配置演示仪能较好反应在各种情况下各传动部件的工作状态及轴承配置的合理性，实现教学理论与实践的结合。其涵盖较多的机械相关知识，对《机械设计》等课程教学起到非常重要的作用。同时，轴承配置演示仪不仅直观性强、操作简单，而且体积大小适中、搬运方便、价格便宜，具有较好的推广应用价值。