基于Excel深化改革《机械设计基础》课程的研究

杜海彬， 张长军， 张华瑾， 马俊

（河北机电职业技术学院 机械工程系，河北 邢台054000）

0 引 言

机械设计基础课程是机械类学生必修课程，该课程中涉及到大量设计计算，比如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、轴强度校核、轴承承载能力等设计计算。但诸多的设计需要大量的计算，一般很多机械类的学生对机械设计过程仍停留在手算，而且兴趣不高，一旦其中一个环节计算错误，往往会影响后续计算结果，核对及检查设计过程又很繁琐；虽然有些设计人员已把各种机械设计软件引入到机械设计过程中，但其中很少有人能清楚设计计算的原理及依据是什么，设计者心里无依据，担心设计结果不可靠。如果自己开发设计计算软件，一般需要VB或者C语言等编程，难度较大，一般设计人员很难掌握。

如何避免机械设计过程中出错以及提高机械设计计算效率，又能让设计者清楚机械设计计算的过程依据，做到心里有数，将Excel引入到机械设计计算过程中，将很好地解决这一系列的难题。这也响应了《国家职业教育改革实施方案》中指出“大幅提升新时代职业教育现代化水平”的号召；还可以降低高职机械类学生的复杂计算能力要求，更加注重知识的应用，从而提高学习兴趣，进而创造出更多的新产品。

Excel是计算机一级考试必考内容，一般学生大学一年级时已学习和应用；而Excel有很强的表格制作、数据快速计算分析、图表表达展示等功能，应用时也不需高级语言，易学易用[1-2]。

为调动学生学习机械设计基础的积极性[3]，下面以课程中的带传动为例进行展开研究。

教师首先将带传动设计项目布置给学生进行分析和手算，再让学生用Excel建好的带传动设计文件对同一项目进行设计计算，然后教师再布置另外一个新的带传动设计项目让学生进行设计计算。具体操作流程如图1所示。没有对比就体现不了用Excel做机械设计计算的优势，只有学生充分体会到其方便、快捷、高效性，才能激发学生学习这门课的兴趣。

图1 学生体验用Excel进行机械设计优越性实施方案流程图

俗话说授人以鱼不如授人以渔。在学生充分体验用Excel进行机械设计优越性的基础上，教授学生如何开发用Excel做机械设计技术性文件的方法，考虑到老教师开展这部分内容可能存在困难，因此可以将Excel做设计的方法做成微课的形式供大家学习。

下面就以“用Excel进行V带传动设计”为例，展示如何用Excel开发出设计计算技术性文件。

1 V带传动设计过程分析

为能更好地开展“用Excel进行V带传动设计”计算技术性文件的开发，开发者需对V带传动设计整个过程有个宏观的认识，以及理清各设计步骤间的关系。为便于对V带传动设计的理解和理清设计步骤间的关系，用Excel进行V带传动设计时可参考图2所示流程图进行展开工作。理清设计流程及计算过程中各参数的关系，对于出现计算不合理情况时如何调整参数具有重要意义。

图2 V带传动设计流程图[4]

2 开发“普通V带传动设计”Excel技术文件

新建Excel文件，将其命名为：普通V带传动设计。分析整个V带传动设计流程图发现：从第1步一直到第13步所有计算都是一些简单的加减乘除四则运算，只有第14步涉及到正弦函数。在Excel中分别用+-*/表示加减乘除；用B∧a可表示B的a次方；涉及到正弦函数时直接调用Excel中的sin函数即可。

用Excel具体开发V带传动设计过程为：

1）打开文档，选择工具栏里的“页面布局”→（箭头表示操作步骤）“纸张大小”→“A4”。这是为便于设计计算后打印。

选中A1至M1单元格，单击工具栏里的“开始”→“合并后居中”，在合并后的单元格中输入“普通V带传动设计”，标题为了醒目，可将标题的字号设置得大些，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，选中要填充的红颜色。其结果如图3所示。

图3 相应单元格填充后的效果

2）在A2至A5单元格中分别输入：“已知条件：”、“电动机额定功率P=”、“额定转速n1=”、“输出轮转速n2=”。将B3至B5分别填充成蓝色，后面凡是填充成蓝色的均代表已知数据。在C3至C5单元格中分别输入“kW”、“r/min”、“r/min”。其结果如图4所示。

图4 相应单元格输入填充后的效果

在A7中输入“1）计算功率Pd”。

将C8至E8单元格合并，并填充成绿色，并在其中输入判断函数“=IF（B9<1,"选择错误，请重新选择",IF（B9<=1.8,"在选择范围，可以用",IF（B9>1.8,"选择错误，请重新选择"）））”；如果B8输入的数据超过工况表中的数据就会提示“选择错误，请重新选择”，这样就降低了输入数据出错的概率，对于熟悉计算过程的工程人员，这步可以省略。

在A9中输入“计算功率Pd=”，将B9填充成紫色，以后没有特别声明，紫色均表示因变量，并将B9输入计算公式“=B8*B3”；在C9中输入“kW”，这是计算结果单位。

在A10中输入“2）确定V带型号”；在A11中输入“V带型号为”，并插入批注，将V带型号图片插入到批注中；将B11填充成黄色。其结果如图5所示。

图5 相应单元格输入填充后的效果

4）将A12至E12合并单元格，并输入“2、确定带轮基准直径dd1、dd2及验算带速v”。

在A13中输入“1）确定小带轮基准直径dd1=”，并右键插入批注，将“带轮标准直径系列”表设置成批注内容；在C13中填充成黄色；在D14中输入单位“mm”。在G13中输入“传动比i=”，将H13填充成紫色并输入计算公式“=B4/B5”。

将A14、B14合并，在其中输入“弹性滑动率ε=”，并右键插入批注，将“ε=0.01～0.02”设置成批注内容；将C14填充成黄色；将D14至F14合并，并填充成绿色，并在其中输入判断函数“=IF（C14<0.01,"选择错误，请重新选择",IF（C14<=0.02,"在选择范围，可以用",IF（C14>0.02,"选择错误，请重新选择"）））”，为了避免出现输入错误，特意利用IF函数进行提醒，如果输入的数值不在0.01～0.02之间，将提示“选择错误，请重新选择”，如果在0.01～0.02范围之间，则提示“在选择范围，可以用”。

将A15、B15合并，在其中输入“大带轮基准直径dd2=”；将C15填充成紫色，代表因变量，并输入计算公式“=B4*C13*（1-C14）/B5”；将D15中输入单位“mm”。

将A16、B16合并，在其中输入“结合计算查表确定大带dd2=”，在C16中填充成黄色，并右键插入批注，将“带轮标准直径系列”表设置成批注内容；在D16中输入单位“mm”。

在A17中输入“2）验算带速v”；在A18中输入“带速v=”；将B18填充成紫色，并在其中输入计算公式“=3.14*C13*B4/60000”；将C18至F18合并，并填充成绿色，并在其中输入判断函数“=IF（B18<5,"带速太低，请调整dd1重新输入",IF（B18<=30,"带速在使用范围",IF（B18>30,"带速太高，请调整dd1重新输入"）））”以作提示；在G18中输入单位“m/s”。其结果如图6所示。

图6 相应单元格输入填充后的效果

5）将A19至F19合并，并在其中输入“3、确定中心距a、V带基准长度Ld及验算小带轮包角α1”。

将A20、B20合并，并在其中输入“1）初步确定中心距a0”。

将B21填充成紫色，并在其中输入计算公式“=0.7*（C13+C16）”；在C21中输入“≤a0≥”；将D21中输入计算公式“=2*（C13+C16）”；在E21中输入单位“mm”。

在B22中输入“a0=”；将C22填充成黄色；在D22中输入单位“mm”；将E22至G22合并，并输入“根据上式范围进行选取”。

在A23中输入“2）初算带长L0”；在A24中输入“L0=”；将B24填充成紫色，并在其中输入计算公式“=2*C22+3.14*（C13+C16）/2+（C16-C13）^2/（4*C22）”，这里需要注意：“PI（）”表示π；在C24中输入单位“mm”。

将A25、B25合并，在其中输入“带的基准长度Ld=”，并右键插入批注，将“带的基准长度系列”表设置成批注内容；将C25填充成黄色；将D25至G25合并，并填充成绿色，在其中输入判断函数“=IF（C25<200,"带长不再范围内，请重新输入",IF（C25<=16800," 在选择范围",IF（C25>16800,"带长不在范围内，请重新输入"）））”，以作提示；在H25中输入单位“mm”。

将A26、B26合并，在其中输入“3）确定实际中心距a”。在A27中输入“中心距a=”；将B27填充成紫色，并在其中输入计算公式“=C22+（C25-B24）/2”；在C27中输入单位“mm”。

在A28中输入“amin=”；将B28填充成紫色，并在其中输入计算公式“=B27-0.015*C25”；在C28中输入单位“mm”。

在A29中输入“amax=”；将B29填充成紫色，并在其中输入计算公式“=B27-0.03*C25”；在C29中输入单位“mm”。

将A30、B30合并，在其中输入“4）验算小带轮包角α1”。

在A31中输入“α1=”，将B31填充成紫色，在其中输入计算公式“=180-（C16-C13）*57.3/B27”；在C31中输入“°”；将D31至G31合并，并填充成绿色，在其中输入判断函数“=IF（B31<120,"包角太小，请重新输入",IF（B31>=120,"在允许范围"））”，以作提示。其结果如图7所示。

图7 相应单元格输入填充后的效果

6）将A32至C32合并，并在其中输入“4、确定V带根数z”。

将A33、B33合并，并在其中输入“包角修正系数Kα=”，并右键插入批注，将“包角修正系数”表设置成批注内容；将C33填充成黄色；将D33至F33合并，并在其中输入判断函数“=IF（C33>1,"选择错误，重新选择",IF（C33<0.69,"选择错误，重新选择",IF（C33<=1,"选择正确"）））”，以作提示。

将A34、B34合并，并在其中输入“带长修正系数KL=”，并右键插入批注，将“带长修正系数”表设置成批注内容；将C34填充成黄色；将D34至F34合并，并在其中输入计算公式“=IF（C34>1.19," 选择错误，重新选择",IF（C34<0.81,"选择错误，重新选择",IF（C34<=1.19,"选择正确"）））”，以作提示。

将A35、B35合并，并在其中输入“△P0=”，并右键插入批注，将“普通V带额定功率”图设置成批注内容；将C35填充成黄色。

在B36中输入“P0=”；将C36填充成黄色。

在B37中输入“z≥”；将C37填充成紫色，在其中输入计算公式“=B9/（（C35+C36）*C33*C34）”。

在B38中输入“z=”；将C38填充成黄色。其结果如图8所示。

图8 相应单元格输入填充后的效果

7）将A39至C39合并，并在其中输入“5、确定V带传动作用在轴上的压力FT”。

将A40、B40合并，并在其中输入“单位长度质量m=”，并右键插入批注，将“普通V带的型号及其截面尺寸”表设置成批注内容；将C40填充成黄色；将D40至F40合并，并在其中输入判断函数“=IF（C40>0.97,"选择错误，重新选择",IF（C40<0.023,"选择错误，重新选择",IF（C40<=0.97,"选择正确"）））”，以作提示。

将A41、B41合并，在其中输入“计算带的初拉力F0=”；将C41填充成紫色，并在其中输入计算公式“=500*B9*（2.5/C33-1）/（B18*C38）+C40*B18^2”；在D41中输入单位“N”。

将A42、B42合并，在其中输入“作用在轴上的压力FT=”；将C42填充成紫色，并在其中输入计算公式“=2*C38*C41*sin（B31/2）”，这里需要注意，三角函数sin中的数值应为弧度，“PI（）”表示π；在D42中输入“N”。其结果如图9所示。

图9 相应单元格输入填充后的效果

7）开发过程总结及说明：蓝色单元格代表已知数据，黄色单元格代表需要输入的自变量，紫色单元格代表计算结果因变量，绿色单元格起到提示作用。

8）开发后的文件中涉及到的计算公式为避免被他人改动而造成错误，将整个“普通V带传动设计”Excel技术文件进行保护，具体操作方法是：

打开相应Excel文档，选中所有表格，同时按下键盘中的ctrl和1键，在弹出的对话框中，单击“保护”选项卡，将“锁定”设置成未选择；然后同时按下键盘中的ctrl和G键，在弹出的对话框中，单击“定位条件”选项卡，选择“公式”然后单击“确定”按钮；再次同时按下键盘中的ctrl和1键，在弹出的对话框中，单击“保护”选项卡，将“锁定”设置成选择即在“锁定”前打■，然后单击“确定”按钮。

单击Excel工具栏中的“审阅”，在其下拉菜单中单击“保护工作表”，在弹出的对话框中输入密码，单击确定。如此操作后，用Excel开发的技术性文件中，涉及到计算公式的单元格就处于受保护的状态，其它单元不影响使用。

3 结 论

从样例用Excel开发技术性文件来看，用Excel做机械设计计算既简单、实用、效率高[5-6]，还能做到一次开发终身使用，开发者既了解设计过程，又能高效、准确、快捷地进行机械设计。用Excel可将复杂的机械设计简单化、实用化。因此用Excel对机械设计基础课程进行改革具有重要意义。这也可促进新时代职业教育现代化水平的提高，为学生以后更好、高效、快捷、轻松地进行机械设计打下坚实的基础。