插齒原理機改進及實驗設計

牟 萍，文亦驍，謝曉梅，俸培福

（1. 電子科技大學 機械與電氣工程學院，四川 成都 611731；2. 四川省農業機械研究設計院，四川 成都 610066；3. 電子科技大學 航空航天學院，四川 成都 611731）

“機械原理和機械設計”也稱“機械設計基礎”，是高校機械專業重要的學科基礎課，以培養學生進行機械運動設計、機械結構設計、通用機械零部件設計和選用等工程問題為目標，具有較強的理論性和實踐性，由課堂教學和課程實驗組成。學生普遍感到內容抽象、枯燥難學，難以激發學習興趣，常常被動接收知識，面對工程問題難以應對[1]。

為此，課程組進行了三屆跟蹤式教學研究發現，問題根源在于缺少將理論知識綜合應用于工程實踐的教學支撐。具體表現為：①實驗內容缺少關聯性和綜合性?，F有實驗大多為獨立的小實驗，內容單一，缺乏知識點的關聯和綜合應用。②實驗模式缺少角色引導。沒有引導學生進入工程師的角色去應用所學知識解決工程問題，學生沒有成就感和專業認同感。③實驗設備缺少工程應用和可擴展性?，F有實驗設備不是供學生拆裝的部件，就是用于參數或效率測試的部件平臺，涵蓋的仍然是單一知識內容，缺少以問題為導向引導學生自主設計搭建實驗系統實現任務目標的工程應用，缺少吸引學生主動參與、樂于鉆研的實驗平臺。這些問題嚴重制約了高質量機械工程創新人才培養。

1 挖掘閑置設備潛能，革新實驗教學資源

1.1 閑置設備蘊含的潛能

高校的閑置設備往往機械結構完好，具有完整動力系統、傳動系統、執行系統和典型機構及其組合，只是性能相對落后。由于這些設備具有特定工程背景，蘊藏著豐富的機械原理、機械設計知識，是珍貴的動態三維知識載體，既具有破解課程內容抽象枯燥問題的潛力，又具有培養學生研究性學習能力的潛能[2]。對于在校大學生而言，是一部機械設計基礎活教材，大有潛質可挖、大有文章可做。

1.2 挖掘插齒原理機潛能，提煉實驗教學素材

插齒原理機是一種結構開放的可視化教學設備，工作原理結構框圖如圖1所示，由一個電機驅動，雙級減速后，經五條運動鏈組成的傳動系統，把運動分解為刀具的切削運動、讓刀運動、分度運動和齒輪毛坯的進給運動、分度運動[3-4]，從而實現范成法切制齒輪；凸輪機構作為控制器控制一個完整齒輪的加工。

圖1 插齒原理機工作原理結構框圖

該機由平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系、棘輪機構、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動及多種機械零件組成[5]；將機械原理和機械設計的多項知識內容結合成一臺具有特定功能的真實機器，直觀呈現各種機構、機械零件、傳動系統及其應用方式，動態再現機械的概念，將抽象的知識內容變活，蘊含珍貴的實驗教學素材[6]。

（1）插齒原理機作為開放式研究探索實驗平臺。五條運動鏈組成的傳動系統可供學生進行運動分析研究和機構簡圖繪制，研究運動設計及實現、運動合成與分解；建立非標設備結構設計的理念；讓學生系統理解各種機構、機械零件的綜合應用。

（2）插齒原理機加工石蠟齒輪作為具體工程應用。通過加工石蠟齒輪及對所加工齒輪進行參數測試與對比分析，讓學生理解齒輪機構設計與加工工藝。并且將機構運動簡圖測繪[7]、漸開線齒輪范成原理和齒輪基本參數測試等傳統實驗內容，自然融入齒輪加工的工程應用中。既保留了傳統實驗的精髓，又解決了原實驗以驗證性為主、孤立性強以及過于死板的問題[8]。

由于插齒原理機傳動比固定、刀具和毛坯模具唯一，只能進行一種固定參數標準齒輪的不完全示范，不能進行不同參數標準及變位齒輪的加工，制約了實驗教學的開展，因此很多高校將其閑置。

經濟市場的發展也勢必會給各個行業和領域都帶來巨大的挑戰，整個行業的格局都遭受到了各種危機的影響，有一部分的企業面臨著嚴峻的金融危機。尤其是金融行業，由于改行業的特殊性，一旦出現了危機，那產生的影響就是巨大的，在金融會計業務中，其中比較具體的風險表現形式就是金融會計風險，因此需要提高金融會計管理水平，加強金融會計的風險方法，從而為金融工作提供有益的思路。

1.3 制約實驗教學的癥結及對策

制約實驗教學的癥結：①不能制備多種參數的毛胚；②不能換裝刀具；③不能改變刀具和工作臺傳動比；④不能改變刀具和毛坯的對刀位置及進刀量。

針對以上癥結，革新實驗教學資源，在原有主體結構上進行了四項改進：①建立刀庫和毛坯模具庫；②優化刀具換裝方案；③增設傳動比調配器，以調節其傳動比；④將控制器改為刀位控制器，用于調節初始對刀位和徑向進刀量[9-10]，以實現多種參數齒輪和變位齒輪加工。改進方案如圖2所示。

圖2 插齒原理機改進方案框圖

2 改進設計與實現

為了讓學生綜合應用機械原理、機械設計知識探索插齒原理機的運動設計，實現多參數標準和變位石蠟齒輪加工，所有功能均用機械方法實現。

2.1 建立刀庫及毛坯模具庫

在原有模數m=2.5 mm、壓力角α=20o、齒數z=26基礎上，設計制作了如表1所示參數的刀具及毛坯模具。為了內容的完整性，讓學生認識根切現象，專門設計了一組m=4 mm、z=15的毛坯模具。

表1 刀具和毛坯模具參數

2.2 優化刀具換裝方案

刀具銷軸尺寸相同，以便與機體的刀具軸孔配合安裝，刀具換裝方案如圖3所示。

圖3 刀具換裝示意圖

2.3 設計傳動比調配器

2.3.1 調配器傳動比

系統傳動比為：

原系統傳動比 13/10作為基準 i基準，其他各部分傳動不變，則調配器傳動比i匹為[11]：

與表1對應的調配器傳動比如表2所示。

表2 調配器傳動比

2.3.2 調配器結構

調配器由輸入和輸出軸上的四對鏈輪（z入為26、z出為20/24/30/15）組成，通過輸入軸（換擋變速軸）上鍵與鏈輪鍵槽的配合進行檔位變換以調節傳動比，如圖4所示。

2.4 設計刀位控制模塊

如圖5所示，5個進給凸輪[12]依次鉸接于凸輪銷軸1，與工作臺相連；5個帶滾推桿依次鉸接于推桿銷軸2，與機架相連。計算齒高h和中心距a，確定進給凸輪組，調節推桿銷軸支座位置，即可調整毛坯與刀具 a。根據齒輪參數確定凸輪組。凸輪轉動一周完成一個齒輪的加工，在回復力作用下工作臺碰撞開關停機。

圖4 調配器輸入軸示意圖

圖5 刀位控制器

3 實驗開發設計

實驗以綜合性為前提，研究性為手段。將機械設計基礎知識點相關聯并且綜合應用于工程應用中，以問題為導向引導學生自主探索工程問題、設計搭建實驗系統，遇到問題主動回歸課本研究學習。

基于插齒原理機進行不同參數標準和變位石蠟齒輪加工，學生進入實驗室首先探索三個問題：①作為執行件的刀具和毛坯需要何種運動及如何配合才能切制出漸開線齒輪；②如何由一個動力源實現刀具和毛坯所需要的運動，從而理解運動的合成與分解；③如何實現不同參數齒輪加工。然后通過分析計算、方案設計、毛坯制備、系統搭建、實驗加工、簡圖繪制、測試分析完成實驗并撰寫報告。在實驗方式上以學生為主體，以工程應用為引領，以問題為導向，3～4人為一個小組，具體內容如下：

（1）剖析研究，問題探索（2學時）。學生帶著問題對插齒原理機進行剖析研究（可開動機器）；各組提煉出對問題的理解和疑問，進行小組間探討；教師現場答疑并引導學生思考，并進行點評。學生就插齒原理機擬定一個自己感興趣的切入點作為研究的主題。

（2）計算分析，毛坯制備（2學時）。根據表1確定實驗參數；通過分析計算傳動比、系統速度匹配值、齒高和中心距，確定刀位控制值；選擇刀具和毛坯模具，制備石蠟毛坯。

（3）設計方案，調整安裝（2學時）。設計實驗方案；根據計算結果調整速度匹配器和刀位控制器，安裝刀具和毛坯。

（4）實驗加工，簡圖繪制（2學時）。開機加工齒輪，繪制傳動鏈簡圖。

（5）參數測試，實驗結論分析（2學時）。測試所加工齒輪的基本參數，并與理論值比較，分析誤差原因，得出結論。

（6）查閱資料，撰寫報告（課余）。就自擬研究主題查閱相關文獻資料，結合實驗重回課本學習，提交研究報告（含計算分析、安裝搭建制備、測試結果和自擬題目研究分析）。

以工程問題引導學生進入工程師的角色，應用所學知識解決問題，激發學習興趣，培養主動發現問題、分析問題、解決問題的能力和研究性學習能力。

4 改進研制結果

改進后的插齒原理機如圖6所示，按照表1切制出的齒輪齒廓與刀具吻合，選擇其中一組實測值與理論值進行比較，結果如表3所示。結果證明，改進后插齒原理機刀具更換簡便、工作安全可靠；加工的五種模數的標準、正、負變位齒輪外形完整，相對誤差低于 5%，在可控范圍內[13-14]，改進后的插齒原理機滿足機械設計基礎綜合實驗要求。

圖6 改進后的插齒原理機

表3 （m=4 mm、α=20°、z=20）齒輪參數及誤差

5 結論

本文對插齒原理機進行革新改造，開發出具有知識關聯性和綜合性的機械設計基礎綜合實驗。實驗內容豐富，實驗形式新穎，實驗過程生動有趣，實驗結果令學生期待，報告個性化，使學生富有成就感和專業認同感。以工程問題引導學生進入工程師的角色的教學模式，調動了學生學習的積極性，理論與實踐環環相扣，使原本抽象枯燥的課程在實驗教學中生動起來；學生由被動接受知識、應付考試轉變為主動學習、樂于鉆研。學生能系統理解相關理論知識在實際工程中的應用，將其引入機械設計的大門，學會用理論知識解決實際工程問題[15]。該改造方案有效提高了機械設計基礎教學質量，也為利用閑置設備開發實驗提供了參考。