基于Excel深化改革《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的研究

杜海彬， 張長(zhǎng)軍， 張華瑾， 馬俊

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，河北 邢臺(tái)054000）

0 引 言

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是機(jī)械類學(xué)生必修課程，該課程中涉及到大量設(shè)計(jì)計(jì)算，比如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、軸強(qiáng)度校核、軸承承載能力等設(shè)計(jì)計(jì)算。但諸多的設(shè)計(jì)需要大量的計(jì)算，一般很多機(jī)械類的學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過程仍停留在手算，而且興趣不高，一旦其中一個(gè)環(huán)節(jié)計(jì)算錯(cuò)誤，往往會(huì)影響后續(xù)計(jì)算結(jié)果，核對(duì)及檢查設(shè)計(jì)過程又很繁瑣；雖然有些設(shè)計(jì)人員已把各種機(jī)械設(shè)計(jì)軟件引入到機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，但其中很少有人能清楚設(shè)計(jì)計(jì)算的原理及依據(jù)是什么，設(shè)計(jì)者心里無依據(jù)，擔(dān)心設(shè)計(jì)結(jié)果不可靠。如果自己開發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，一般需要VB或者C語言等編程，難度較大，一般設(shè)計(jì)人員很難掌握。

如何避免機(jī)械設(shè)計(jì)過程中出錯(cuò)以及提高機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算效率，又能讓設(shè)計(jì)者清楚機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的過程依據(jù)，做到心里有數(shù)，將Excel引入到機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，將很好地解決這一系列的難題。這也響應(yīng)了《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》中指出“大幅提升新時(shí)代職業(yè)教育現(xiàn)代化水平”的號(hào)召；還可以降低高職機(jī)械類學(xué)生的復(fù)雜計(jì)算能力要求，更加注重知識(shí)的應(yīng)用，從而提高學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而創(chuàng)造出更多的新產(chǎn)品。

Excel是計(jì)算機(jī)一級(jí)考試必考內(nèi)容，一般學(xué)生大學(xué)一年級(jí)時(shí)已學(xué)習(xí)和應(yīng)用；而Excel有很強(qiáng)的表格制作、數(shù)據(jù)快速計(jì)算分析、圖表表達(dá)展示等功能，應(yīng)用時(shí)也不需高級(jí)語言，易學(xué)易用[1-2]。

為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的積極性[3]，下面以課程中的帶傳動(dòng)為例進(jìn)行展開研究。

教師首先將帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目布置給學(xué)生進(jìn)行分析和手算，再讓學(xué)生用Excel建好的帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)文件對(duì)同一項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后教師再布置另外一個(gè)新的帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。具體操作流程如圖1所示。沒有對(duì)比就體現(xiàn)不了用Excel做機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，只有學(xué)生充分體會(huì)到其方便、快捷、高效性，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣。

圖1 學(xué)生體驗(yàn)用Excel進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)越性實(shí)施方案流程圖

俗話說授人以魚不如授人以漁。在學(xué)生充分體驗(yàn)用Excel進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，教授學(xué)生如何開發(fā)用Excel做機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)性文件的方法，考慮到老教師開展這部分內(nèi)容可能存在困難，因此可以將Excel做設(shè)計(jì)的方法做成微課的形式供大家學(xué)習(xí)。

下面就以“用Excel進(jìn)行V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)”為例，展示如何用Excel開發(fā)出設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)性文件。

1 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)過程分析

為能更好地開展“用Excel進(jìn)行V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)”計(jì)算技術(shù)性文件的開發(fā)，開發(fā)者需對(duì)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)整個(gè)過程有個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，以及理清各設(shè)計(jì)步驟間的關(guān)系。為便于對(duì)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的理解和理清設(shè)計(jì)步驟間的關(guān)系，用Excel進(jìn)行V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)可參考圖2所示流程圖進(jìn)行展開工作。理清設(shè)計(jì)流程及計(jì)算過程中各參數(shù)的關(guān)系，對(duì)于出現(xiàn)計(jì)算不合理情況時(shí)如何調(diào)整參數(shù)具有重要意義。

圖2 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖[4]

2 開發(fā)“普通V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)”Excel技術(shù)文件

新建Excel文件，將其命名為：普通V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)。分析整個(gè)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖發(fā)現(xiàn)：從第1步一直到第13步所有計(jì)算都是一些簡(jiǎn)單的加減乘除四則運(yùn)算，只有第14步涉及到正弦函數(shù)。在Excel中分別用+-*/表示加減乘除；用B∧a可表示B的a次方；涉及到正弦函數(shù)時(shí)直接調(diào)用Excel中的sin函數(shù)即可。

用Excel具體開發(fā)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)過程為：

1）打開文檔，選擇工具欄里的“頁面布局”→（箭頭表示操作步驟）“紙張大小”→“A4”。這是為便于設(shè)計(jì)計(jì)算后打印。

選中A1至M1單元格，單擊工具欄里的“開始”→“合并后居中”，在合并后的單元格中輸入“普通V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)”，標(biāo)題為了醒目，可將標(biāo)題的字號(hào)設(shè)置得大些，為了美觀，也可將單元格進(jìn)行“填充”，選中單元格，在“開始”工具欄中，選擇（或者直接右擊該圖標(biāo)也可出現(xiàn)），單擊下拉菜單，選中要填充的紅顏色。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 相應(yīng)單元格填充后的效果

2）在A2至A5單元格中分別輸入：“已知條件：”、“電動(dòng)機(jī)額定功率P=”、“額定轉(zhuǎn)速n1=”、“輸出輪轉(zhuǎn)速n2=”。將B3至B5分別填充成藍(lán)色，后面凡是填充成藍(lán)色的均代表已知數(shù)據(jù)。在C3至C5單元格中分別輸入“kW”、“r/min”、“r/min”。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

在A7中輸入“1）計(jì)算功率Pd”。

將C8至E8單元格合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（B9<1,"選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇",IF（B9<=1.8,"在選擇范圍，可以用",IF（B9>1.8,"選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇"）））”；如果B8輸入的數(shù)據(jù)超過工況表中的數(shù)據(jù)就會(huì)提示“選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇”，這樣就降低了輸入數(shù)據(jù)出錯(cuò)的概率，對(duì)于熟悉計(jì)算過程的工程人員，這步可以省略。

在A9中輸入“計(jì)算功率Pd=”，將B9填充成紫色，以后沒有特別聲明，紫色均表示因變量，并將B9輸入計(jì)算公式“=B8*B3”；在C9中輸入“kW”，這是計(jì)算結(jié)果單位。

在A10中輸入“2）確定V帶型號(hào)”；在A11中輸入“V帶型號(hào)為”，并插入批注，將V帶型號(hào)圖片插入到批注中；將B11填充成黃色。其結(jié)果如圖5所示。

圖5 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

4）將A12至E12合并單元格，并輸入“2、確定帶輪基準(zhǔn)直徑dd1、dd2及驗(yàn)算帶速v”。

在A13中輸入“1）確定小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1=”，并右鍵插入批注，將“帶輪標(biāo)準(zhǔn)直徑系列”表設(shè)置成批注內(nèi)容；在C13中填充成黃色；在D14中輸入單位“mm”。在G13中輸入“傳動(dòng)比i=”，將H13填充成紫色并輸入計(jì)算公式“=B4/B5”。

將A14、B14合并，在其中輸入“彈性滑動(dòng)率ε=”，并右鍵插入批注，將“ε=0.01～0.02”設(shè)置成批注內(nèi)容；將C14填充成黃色；將D14至F14合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（C14<0.01,"選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇",IF（C14<=0.02,"在選擇范圍，可以用",IF（C14>0.02,"選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇"）））”，為了避免出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，特意利用IF函數(shù)進(jìn)行提醒，如果輸入的數(shù)值不在0.01～0.02之間，將提示“選擇錯(cuò)誤，請(qǐng)重新選擇”，如果在0.01～0.02范圍之間，則提示“在選擇范圍，可以用”。

將A15、B15合并，在其中輸入“大帶輪基準(zhǔn)直徑dd2=”；將C15填充成紫色，代表因變量，并輸入計(jì)算公式“=B4*C13*（1-C14）/B5”；將D15中輸入單位“mm”。

將A16、B16合并，在其中輸入“結(jié)合計(jì)算查表確定大帶dd2=”，在C16中填充成黃色，并右鍵插入批注，將“帶輪標(biāo)準(zhǔn)直徑系列”表設(shè)置成批注內(nèi)容；在D16中輸入單位“mm”。

在A17中輸入“2）驗(yàn)算帶速v”；在A18中輸入“帶速v=”；將B18填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=3.14*C13*B4/60000”；將C18至F18合并，并填充成綠色，并在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（B18<5,"帶速太低，請(qǐng)調(diào)整dd1重新輸入",IF（B18<=30,"帶速在使用范圍",IF（B18>30,"帶速太高，請(qǐng)調(diào)整dd1重新輸入"）））”以作提示；在G18中輸入單位“m/s”。其結(jié)果如圖6所示。

圖6 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

5）將A19至F19合并，并在其中輸入“3、確定中心距a、V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld及驗(yàn)算小帶輪包角α1”。

將A20、B20合并，并在其中輸入“1）初步確定中心距a0”。

將B21填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=0.7*（C13+C16）”；在C21中輸入“≤a0≥”；將D21中輸入計(jì)算公式“=2*（C13+C16）”；在E21中輸入單位“mm”。

在B22中輸入“a0=”；將C22填充成黃色；在D22中輸入單位“mm”；將E22至G22合并，并輸入“根據(jù)上式范圍進(jìn)行選取”。

在A23中輸入“2）初算帶長(zhǎng)L0”；在A24中輸入“L0=”；將B24填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=2*C22+3.14*（C13+C16）/2+（C16-C13）^2/（4*C22）”，這里需要注意：“PI（）”表示π；在C24中輸入單位“mm”。

將A25、B25合并，在其中輸入“帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=”，并右鍵插入批注，將“帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系列”表設(shè)置成批注內(nèi)容；將C25填充成黃色；將D25至G25合并，并填充成綠色，在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（C25<200,"帶長(zhǎng)不再范圍內(nèi)，請(qǐng)重新輸入",IF（C25<=16800," 在選擇范圍",IF（C25>16800,"帶長(zhǎng)不在范圍內(nèi)，請(qǐng)重新輸入"）））”，以作提示；在H25中輸入單位“mm”。

將A26、B26合并，在其中輸入“3）確定實(shí)際中心距a”。在A27中輸入“中心距a=”；將B27填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=C22+（C25-B24）/2”；在C27中輸入單位“mm”。

在A28中輸入“amin=”；將B28填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=B27-0.015*C25”；在C28中輸入單位“mm”。

在A29中輸入“amax=”；將B29填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=B27-0.03*C25”；在C29中輸入單位“mm”。

將A30、B30合并，在其中輸入“4）驗(yàn)算小帶輪包角α1”。

在A31中輸入“α1=”，將B31填充成紫色，在其中輸入計(jì)算公式“=180-（C16-C13）*57.3/B27”；在C31中輸入“°”；將D31至G31合并，并填充成綠色，在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（B31<120,"包角太小，請(qǐng)重新輸入",IF（B31>=120,"在允許范圍"））”，以作提示。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

6）將A32至C32合并，并在其中輸入“4、確定V帶根數(shù)z”。

將A33、B33合并，并在其中輸入“包角修正系數(shù)Kα=”，并右鍵插入批注，將“包角修正系數(shù)”表設(shè)置成批注內(nèi)容；將C33填充成黃色；將D33至F33合并，并在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（C33>1,"選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C33<0.69,"選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C33<=1,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A34、B34合并，并在其中輸入“帶長(zhǎng)修正系數(shù)KL=”，并右鍵插入批注，將“帶長(zhǎng)修正系數(shù)”表設(shè)置成批注內(nèi)容；將C34填充成黃色；將D34至F34合并，并在其中輸入計(jì)算公式“=IF（C34>1.19," 選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C34<0.81,"選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C34<=1.19,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A35、B35合并，并在其中輸入“△P0=”，并右鍵插入批注，將“普通V帶額定功率”圖設(shè)置成批注內(nèi)容；將C35填充成黃色。

在B36中輸入“P0=”；將C36填充成黃色。

在B37中輸入“z≥”；將C37填充成紫色，在其中輸入計(jì)算公式“=B9/（（C35+C36）*C33*C34）”。

在B38中輸入“z=”；將C38填充成黃色。其結(jié)果如圖8所示。

圖8 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

7）將A39至C39合并，并在其中輸入“5、確定V帶傳動(dòng)作用在軸上的壓力FT”。

將A40、B40合并，并在其中輸入“單位長(zhǎng)度質(zhì)量m=”，并右鍵插入批注，將“普通V帶的型號(hào)及其截面尺寸”表設(shè)置成批注內(nèi)容；將C40填充成黃色；將D40至F40合并，并在其中輸入判斷函數(shù)“=IF（C40>0.97,"選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C40<0.023,"選擇錯(cuò)誤，重新選擇",IF（C40<=0.97,"選擇正確"）））”，以作提示。

將A41、B41合并，在其中輸入“計(jì)算帶的初拉力F0=”；將C41填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=500*B9*（2.5/C33-1）/（B18*C38）+C40*B18^2”；在D41中輸入單位“N”。

將A42、B42合并，在其中輸入“作用在軸上的壓力FT=”；將C42填充成紫色，并在其中輸入計(jì)算公式“=2*C38*C41*sin（B31/2）”，這里需要注意，三角函數(shù)sin中的數(shù)值應(yīng)為弧度，“PI（）”表示π；在D42中輸入“N”。其結(jié)果如圖9所示。

圖9 相應(yīng)單元格輸入填充后的效果

7）開發(fā)過程總結(jié)及說明：藍(lán)色單元格代表已知數(shù)據(jù)，黃色單元格代表需要輸入的自變量，紫色單元格代表計(jì)算結(jié)果因變量，綠色單元格起到提示作用。

8）開發(fā)后的文件中涉及到的計(jì)算公式為避免被他人改動(dòng)而造成錯(cuò)誤，將整個(gè)“普通V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)”Excel技術(shù)文件進(jìn)行保護(hù)，具體操作方法是：

打開相應(yīng)Excel文檔，選中所有表格，同時(shí)按下鍵盤中的ctrl和1鍵，在彈出的對(duì)話框中，單擊“保護(hù)”選項(xiàng)卡，將“鎖定”設(shè)置成未選擇；然后同時(shí)按下鍵盤中的ctrl和G鍵，在彈出的對(duì)話框中，單擊“定位條件”選項(xiàng)卡，選擇“公式”然后單擊“確定”按鈕；再次同時(shí)按下鍵盤中的ctrl和1鍵，在彈出的對(duì)話框中，單擊“保護(hù)”選項(xiàng)卡，將“鎖定”設(shè)置成選擇即在“鎖定”前打■，然后單擊“確定”按鈕。

單擊Excel工具欄中的“審閱”，在其下拉菜單中單擊“保護(hù)工作表”，在彈出的對(duì)話框中輸入密碼，單擊確定。如此操作后，用Excel開發(fā)的技術(shù)性文件中，涉及到計(jì)算公式的單元格就處于受保護(hù)的狀態(tài)，其它單元不影響使用。

3 結(jié) 論

從樣例用Excel開發(fā)技術(shù)性文件來看，用Excel做機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算既簡(jiǎn)單、實(shí)用、效率高[5-6]，還能做到一次開發(fā)終身使用，開發(fā)者既了解設(shè)計(jì)過程，又能高效、準(zhǔn)確、快捷地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。用Excel可將復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化、實(shí)用化。因此用Excel對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革具有重要意義。這也可促進(jìn)新時(shí)代職業(yè)教育現(xiàn)代化水平的提高，為學(xué)生以后更好、高效、快捷、輕松地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。