顧佳飛　林禮區(qū)　金坪　李觀俊　戴昱侃　譚詩逸

摘要：論述了軸承配置演示儀的結(jié)構(gòu)、原理，將常見的軸承配置問題劃分成三個部分，可在《機(jī)械設(shè)計》課程中讓學(xué)生直觀的了解軸承配置的相關(guān)知識。

關(guān)鍵詞：軸承配置；教學(xué)演示；直觀

《機(jī)械設(shè)計》課程是培養(yǎng)工科學(xué)生機(jī)械設(shè)計能力的專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于設(shè)計性課程。該課程存在基本概念多、內(nèi)容繁雜，理論抽象、應(yīng)用性強(qiáng)、各章節(jié)自成體系等特點(diǎn)。長期以來，由于受傳統(tǒng)教學(xué)方法的影響及固定教學(xué)時數(shù)的限制，該課程的教學(xué)效果一直不盡如人意。究其原因主要是教學(xué)方法及手段與工程實(shí)踐相脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)造性思維以及獲取信息、分析信息、處理信息和利用信息的能力得不到充分的培養(yǎng)與鍛煉。基于課堂教學(xué)的目的，開發(fā)了軸承配置演示儀教具。

1基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

軸承配置演示儀主要分為三個模塊，模塊一“一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動”，主要演示細(xì)長軸的伸長及軸承的游動；模塊二“兩端游動”，將由于人字齒兩側(cè)的螺旋角存在差異而產(chǎn)生的軸向力及軸向竄動進(jìn)行演示；模塊三“錐齒輪的調(diào)整”，其功能為演示錐齒輪位置的調(diào)整及齒側(cè)間隙的測量。使用各種軸承配置關(guān)系，觀察軸的竄動情況，通過對軸承端進(jìn)行測力分析，并用顯示裝置加以顯示，反應(yīng)在各種情況下軸承配置的合理性。

2整體設(shè)計

2.1動力部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸承配置演示儀的動力部分主要由齒輪、同步帶輪、電機(jī)組成。軸承配置演示儀演示部分主要由三大模塊構(gòu)成，用一個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，利用類似離合器原理，在電機(jī)輸出軸上安裝一個可軸向滑動的齒輪，三個模塊對應(yīng)安裝各自的齒輪，當(dāng)電機(jī)輸出的齒輪與三個模塊其中一個齒輪嚙合時，該模塊便開始轉(zhuǎn)動。模塊中的齒輪旁，安有小同步輪，與之對應(yīng)的模塊輸入軸上安有大同步輪。因此，電機(jī)的輸出便通過一對齒輪及一對同步輪進(jìn)行傳遞，并且減速。降低了制作成本，實(shí)現(xiàn)了空間的合理利用。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2模塊一機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊一“一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動”，主要由齒輪、軸、限位裝置組成。在跨距較大且工作溫度較高的軸上，由于其熱伸長量大，需采用一端支點(diǎn)雙向固定一端支點(diǎn)游動的支承結(jié)構(gòu)。以一級斜齒輪減速器為原型，主動軸相對機(jī)座固定，電機(jī)輸出通過帶輪傳遞至主動軸。從動軸則分為固定半軸與移動半軸兩部分。在從動軸上，大齒輪與移動半軸固定，其內(nèi)孔帶有螺紋，與固定半軸上的螺紋套配合。兩根半軸通過軸端方孔，用方形條連接，實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。螺紋套一段開槽，限位桿卡入槽中可限制螺紋套旋轉(zhuǎn)，從而通過螺紋副進(jìn)行傳動，使移動半軸向右移動。模塊一將軸受熱變形的微小變量進(jìn)行放大，并用數(shù)顯百分表及位移傳感器測量、顯示，從而直觀的反映軸的熱伸長及軸向竄動與對應(yīng)軸承配置的合理性。在軸端觀察處的端蓋采用透明的有機(jī)玻璃進(jìn)行制作，便于觀察軸承的工作情況。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3模塊二機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊二“兩端游動”，主要由齒輪、軸組成。對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向限位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計成只保證其中一根軸相對機(jī)座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承必須都是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒輪的兩側(cè)受力不均勻。以一級斜齒輪減速器為原型，主動軸相對機(jī)座固定，電機(jī)輸出通過帶輪傳遞至主動軸，使用3對螺旋角不同的斜齒輪來模擬出人字齒輪本身帶有的誤差在嚙合時所產(chǎn)生的軸向力不同造成竄動的不確定性，通過調(diào)節(jié)齒輪使其對應(yīng)的兩對齒輪工作，造成軸向合力向左和向右的情況，通過軸端測力加以體現(xiàn)。

此處的人字齒，設(shè)計為兩個旋向相反的斜齒輪。為了能演示兩邊的軸向力，故軸上的齒輪分布順序?yàn)樾÷菪谴笮饼X輪1、大螺旋角大斜齒輪3、中螺旋角大斜齒輪2。其中，大齒輪2與大齒輪1旋向相反，同時傳動時，類比人字齒。同理，大齒輪2與大齒輪3旋向相反。為了讓同根軸上不同傳動比的齒輪可以工作，輸出軸被分成了兩段，它們之間可差速旋轉(zhuǎn)。在傳動時，齒輪組2與齒輪組1或齒輪組3配合，演示螺旋角差異情況的不同所帶來的不同結(jié)果。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4模塊三機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊三“錐齒輪的調(diào)整”，主要由錐齒輪組成。以一級錐齒輪減速器為原型，制作教具模型。采用雙支點(diǎn)各單向固定，即采用兩個反向安裝的圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制軸在一個方向上的移動，安裝時通過調(diào)整調(diào)整墊片來調(diào)整軸承外圈或內(nèi)圈的軸向位置，使軸承達(dá)到理想的游隙或所要求的預(yù)緊程度，從而調(diào)整錐齒輪的嚙合位置。

齒輪位置的調(diào)整——紅丹粉法。在該對齒輪上涂以紅丹粉，齒輪嚙合滾動，輪齒上出現(xiàn)的印痕，故可根據(jù)該印痕，將齒輪的調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

齒側(cè)間隙的測量——壓鉛絲法。在齒面沿齒長兩端平行放置2段鉛絲，寬齒可放3—4段，鉛絲直徑不宜超過最小間隙的4倍，轉(zhuǎn)動齒輪，測量鉛絲擠壓的最薄處尺寸即為側(cè)隙。

結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5負(fù)載部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸承配置演示儀的加載方式采用剎車片的原理。兩個加載片與一加載座固定，分別位于輸出軸的兩側(cè)，并且內(nèi)部粘有橡膠片，增大其摩擦力。當(dāng)在加載臂上掛不同的重物時，該輸出軸也受到不同的負(fù)載，從而改變模型的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.6限位裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在模塊一中，需將螺紋套固定，禁止轉(zhuǎn)動。因此，軸承配置演示儀設(shè)有限位裝置。當(dāng)限位片卡入螺紋套的缺口時，螺紋套便不能轉(zhuǎn)動。限位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6、圖7所示。

2.7顯示部分設(shè)計

為了讓學(xué)生能更直觀地看到軸的變形、竄動及軸承的游動，軸承配置演示儀在輸出軸一端面上裝有數(shù)顯百分表及數(shù)碼攝像頭。當(dāng)軸移動時，數(shù)顯百分表便顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，電腦上的軟件也同步顯示該數(shù)據(jù)。該端面端蓋材料為透明有機(jī)玻璃，攝像頭將軸及軸承的游動情況傳輸至電腦，并清晰的顯示于投影幕布上。零部件的變化情況及變化量結(jié)合顯示，使結(jié)果更為生動、直觀，更易觀察。

3結(jié)束語

軸承配置演示儀能較好反應(yīng)在各種情況下各傳動部件的工作狀態(tài)及軸承配置的合理性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論與實(shí)踐的結(jié)合。其涵蓋較多的機(jī)械相關(guān)知識，對《機(jī)械設(shè)計》等課程教學(xué)起到非常重要的作用。同時，軸承配置演示儀不僅直觀性強(qiáng)、操作簡單，而且體積大小適中、搬運(yùn)方便、價格便宜，具有較好的推廣應(yīng)用價值。