一 引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，自2017年以来，国家教育部陆续提出了“新工科”建设的形态、内涵与方向，进一步服务我国创新驱动发展、科教兴国、人才强国战略[1-4]。相比于传统的工科人才，“新工科”背景下高等教育所培养的人才将具备更强的学习、实践以及创新能力。

“机械设计”作为大多数工科专业尤其是机械、近机类专业的核心课程[5,6]，在人才培养中起到了重要的作用。随着国家战略[7]的推进，新型企业的发展将更为需要具备国际竞争力的高素质复合型人才。而该课程目前存在的主要问题是其知识较为陈旧，导致传统的“机械设计”教学内容与方法与“新工科”背景下的市场需求存在严重的矛盾。另一方面，学生在学习时，该课程公式较多、所需查询的图表也较多，零件设计工作量巨大，从而造成学生对该课程心生畏惧、缺乏兴趣，真正动手设计零件时资料套用或抄袭严重。针对这些问题，本文以“机械设计”最为复杂的“齿轮传动设计”章节为案例，将当前较为流行的计算机辅助技术与传统的设计方法融合，借助机械设计软件[8,9]，辅以课堂讲解和仿真验证，通过分析仿真结果，将模糊的参数清晰化，将抽象的零件可视化，快速高效地对齿轮零件进行设计或校核，这也为学生对其他零件的高效设计奠定了基础。

二 计算机辅助技术在齿轮传动设计教学中的应用

以某变速器为案例进行分析。已知其输入功率P=11kW，小齿轮转速n1=970 r/min，传动比i=3.2，要求寿命为h，工作平稳，转向不变。试设计该齿轮传动。

对于齿轮传动的设计，其传统的设计步骤如图1所示，可分为如下四步：①选择齿轮的材料及热处理，初选齿数；②按接触疲劳强度确定分度圆直径；③按弯曲疲劳强度确定模数；④对比两者计算结果再优选计算。其缺点是设计过程复杂，所需时间较长。

图1 齿轮传统的设计步骤

在课堂中引入计算机辅助技术，采用机械设计软件，其设计步骤可归纳为：依次输入配齿方案、精度等级、齿轮材料、齿廓情况和工况情况，选择ISO 6366： 2006 Method B作为计算标准。此时，选取齿轮模数2 mm，齿数分别为35和112，标准压力角20。，齿宽分别为75 mm和70 mm，中心距为147 mm，6级精度，材料均为18CrNiMo7-6钢（渗碳淬火，低温回火），计算出大小齿轮的弯曲疲劳安全系数分别为4.159和4.395，接触疲劳强度安全系数分别为2.036和1.910，胶合强度安全系数为4.796，满足设计要求。

图2 齿面接触应力随转角变化图

为了让学生更加直观地理解齿轮传动中的问题，此时利用机械设计软件的高阶应用模块，对齿轮副进行接触分析，齿面摩擦系数取为0.1。获得了齿面赫兹接触应力随转角的变化规律，如图2所示，可知在齿轮节圆附近的接触应力较大，此处亦是点蚀较易发生的位置。图3为小齿轮与大齿轮齿根弯曲应力变化曲线，在齿根附近随着齿轮直径的增大，其弯曲应力先增大后减小，同时也可确定各个齿轮的最大弯曲应力的大小和位置。图4可视化显示了小齿轮齿面应力分布云图，可见直齿轮接触为典型的线接触，节圆附近应力最大，这与直齿轮传动啮合规律相符。而且，软件还可以计算出齿面的接触温度，图5为齿面接触温度随转角变化图，温度分布在70～75℃，较为安全。另一与齿轮承载能力直接相关的参数油膜厚度变化规律如图6所示，可见最小油膜厚度位于啮入处，厚度约为0.25 μm。

图3 小齿轮与大齿轮齿根弯曲应力变化曲线

图4 小齿轮齿面应力分布云图

表1 小齿轮的精度参数齿轮精度等级 6GB/T -2008配对齿轮 齿数 112跨测齿数 k 4公法线长度 Wk -0.103单个齿距偏差 ±fpt 齿距累积总偏差 Fp 0.026齿廓总偏差 Fα 0.0085螺旋线总偏差 Fβ 0.014径向跳动公差 Fr 0.021

图5 齿面接触温度随转角变化图

图6 油膜厚度随转角变化图

另一方面，通过机械设计软件可直接输出齿轮副的三维模型，如图7所示，学生可更为直观地理解齿轮，甚至可以转化为STL格式对模型进行3D打印。对于齿轮的精度设计问题，表1列出了小齿轮的精度参数，主要包括跨测齿数、公法线长度、齿距偏差、齿廓偏差等，这些可直接标注在齿轮的加工零件图上，软件解决了传统的齿轮精度查询复杂的问题。

图7 齿轮副三维模型

三 计算机辅助技术融入教学的优势