軸承配置演示儀

顧佳飛　林禮區　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構、原理，將常見的軸承配置問題劃分成三個部分，可在《機械設計》課程中讓學生直觀的了解軸承配置的相關知識。

關鍵詞：軸承配置；教學演示；直觀

《機械設計》課程是培養工科學生機械設計能力的專業基礎課程，屬于設計性課程。該課程存在基本概念多、內容繁雜，理論抽象、應用性強、各章節自成體系等特點。長期以來，由于受傳統教學方法的影響及固定教學時數的限制，該課程的教學效果一直不盡如人意。究其原因主要是教學方法及手段與工程實踐相脫節，導致學生的創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與鍛煉。基于課堂教學的目的，開發了軸承配置演示儀教具。

1基本結構及特點

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

2整體設計

2.1動力部分機械結構設計

軸承配置演示儀的動力部分主要由齒輪、同步帶輪、電機組成。軸承配置演示儀演示部分主要由三大模塊構成，用一個電機進行驅動，利用類似離合器原理，在電機輸出軸上安裝一個可軸向滑動的齒輪，三個模塊對應安裝各自的齒輪，當電機輸出的齒輪與三個模塊其中一個齒輪嚙合時，該模塊便開始轉動。模塊中的齒輪旁，安有小同步輪，與之對應的模塊輸入軸上安有大同步輪。因此，電機的輸出便通過一對齒輪及一對同步輪進行傳遞，并且減速。降低了制作成本，實現了空間的合理利用。結構如圖1所示。

2.2模塊一機械結構設計

模塊一“一端支點雙向固定一端支點游動”，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，需采用一端支點雙向固定一端支點游動的支承結構。以一級斜齒輪減速器為原型，主動軸相對機座固定，電機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，實現同步旋轉。螺紋套一段開槽，限位桿卡入槽中可限制螺紋套旋轉，從而通過螺紋副進行傳動，使移動半軸向右移動。模塊一將軸受熱變形的微小變量進行放大，并用數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軸承配置的合理性。在軸端觀察處的端蓋采用透明的有機玻璃進行制作，便于觀察軸承的工作情況。結構如圖2所示。

2.3模塊二機械結構設計

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，它們的軸承內外圈的軸向緊固應設計成只保證其中一根軸相對機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受力不均勻。以一級斜齒輪減速器為原型，主動軸相對機座固定，電機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生的軸向力不同造成竄動的不確定性，通過調節齒輪使其對應的兩對齒輪工作，造成軸向合力向左和向右的情況，通過軸端測力加以體現。

此處的人字齒，設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為小螺旋角大斜齒輪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。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果。結構如圖3所示。

2.4模塊三機械結構設計

模塊三“錐齒輪的調整”，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，安裝時通過調整調整墊片來調整軸承外圈或內圈的軸向位置，使軸承達到理想的游隙或所要求的預緊程度，從而調整錐齒輪的嚙合位置。

齒輪位置的調整——紅丹粉法。在該對齒輪上涂以紅丹粉，齒輪嚙合滾動，輪齒上出現的印痕，故可根據該印痕，將齒輪的調整到適當的位置。

齒側間隙的測量——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，轉動齒輪，測量鉛絲擠壓的最薄處尺寸即為側隙。

結構如圖4所示。

2.5負載部分機械結構設計

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，并且內部粘有橡膠片，增大其摩擦力。當在加載臂上掛不同的重物時，該輸出軸也受到不同的負載，從而改變模型的運行狀態。結構如圖5所示。

2.6限位裝置機械結構設計

在模塊一中，需將螺紋套固定，禁止轉動。因此，軸承配置演示儀設有限位裝置。當限位片卡入螺紋套的缺口時，螺紋套便不能轉動。限位裝置結構設計如圖6、圖7所示。

2.7顯示部分設計

為了讓學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顯百分表及數碼攝像頭。當軸移動時，數顯百分表便顯示相應的數據，電腦上的軟件也同步顯示該數據。該端面端蓋材料為透明有機玻璃，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合顯示，使結果更為生動、直觀，更易觀察。

3結束語

軸承配置演示儀能較好反應在各種情況下各傳動部件的工作狀態及軸承配置的合理性，實現教學理論與實踐的結合。其涵蓋較多的機械相關知識，對《機械設計》等課程教學起到非常重要的作用。同時，軸承配置演示儀不僅直觀性強、操作簡單，而且體積大小適中、搬運方便、價格便宜，具有較好的推廣應用價值。