高職《機械設計基礎》課程中一些關鍵問題的解決方案

劉海川

摘要：《機械設計基礎》是高職院校機類、近機類專業的一門主干技術基礎課。目前，在教學內容不減，學時被壓縮的情況下，一些關鍵的知識點必須要得到完美的解決，這樣才能顯現出主干技術課程的重要性，才有利于學生的學習與掌握。

關鍵詞：《機械設計基礎》；關鍵問題；知識點；解決方案

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）07-0146-02

高等職業技術教育是高等教育的重要組成部分。隨著我國高等職業教育的快速發展與壯大，這就要求我們必須重視高等職業技術教育整體內容板塊的改革與建設。各學科、各行業必須結合自身的具體情況來加強和豐滿高等職業技術教育的內涵，以更好地適應技術應用型高技能人才培養的需求。《機械設計基礎》課程是高等職業技術學院中培養學生對常用機械和通用零件的認知能力、應用能力及創新能力的一門主干技術基礎課，是學習專業課程和從事專業技術活動工作的必備基礎。通過多年來的教學與實踐及學生的反饋，我認為要想搞好《機械設計基礎》這門課的教學工作，就必須對以下一些關鍵問題（知識點）要特別引起注意。

一、關于機構特性問題

常用機構這部分內容的特點是：“各章節自成體系，內容互不相干。”學生最頭痛的也是這部分內容，咎其原因就是教材與教師講解的問題。也就是說教材本身沒有明顯地提供一條解決“各章節自成體系，互不相干”這一問題的思路，再加之這部分內容本身就很抽象，教師的重視程度又不夠。這就給學生的學習、理解帶來很大的困難；對學生學習的鞏固、發揮造成較大的障礙。所以在講解這部分內容時，教師應引起特別注意。要抓住一條主線，找出問題中的主要矛盾，去解決、去突破。常用機構這部分內容中的主要矛盾就是機構特性問題。對教材仔細、認真地進行分析，可發現教材中都暗藏著一條貫穿整個這一部分的主線—“幾何因素決定了機構的特性”。抓住這條主線去挖掘、去討論，就可將這部分內容有機地聯系起來。幫助學生理解記憶，而且使學生悟出認識問題、解決問題的方法。

1.平面四桿機構中：（a）鉸鏈四桿機構的三種基本類型是：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。類型是根據它的運動特征—有沒有曲柄、有幾個曲柄來命名的。而運動特征又是由各桿的幾何長度（格拉肖夫判別式）來決定的。（b）平面連桿機構中，往復運動的從動件，往返速度不同的性質稱為機構的急回特性。急回特性的實際意義是：壓縮非生產性時間、提高工效、提高工作質量。而機構有無急回特性，則僅取決于極位夾角θ，即搖桿位于兩個極限位置時，曲柄與曲柄之間所夾的銳角稱為極位夾角。有極位夾角則有急回特性，極位夾角越大，急回特性越明顯。（c）對機構而言，要求機構具有良好的傳力性，即運轉輕松、省力、摩擦小、效率高、運行成本低。傳力性的好壞，則僅取決于壓力角的大小，而與其他力的大小、速度、加速度、角速度的大小、高低沒有任何關系。機構中主動件通過中間件作用在從動件上的力的方向與力的作用點的速度方向之間所夾銳角α稱為壓力角。壓力角越小，傳力性越好。（d）死（止）點位置問題，亦取決于壓力角（α＝90°）。此位置處，機構自鎖。

2.凸輪機構中：從動件不同的運動規律會引起剛性沖擊、柔性沖擊等。這些沖擊、振動是由s=r-r0所決定的。另凸輪機構傳力性的好壞，取決于壓力角的大小，而壓力角的大小又是由基圓半徑來決定的。凸輪機構中，結構尺寸（基圓半徑）的大小與傳力性的好壞是一對矛盾。

3.齒輪傳動中：（a）正確嚙合條件：基節相等，既“Pb1=Pb2”；（b)連續傳動的條件：實際嚙合線長度■≥Pb。這里基節與實際嚙合線長度均為幾何長度。

4.螺旋副中：（a）圓周力F的大小取決于λ和ρv；（b）能否自鎖取決于λ＜ρv是否成立；（c）效率的高低亦取決于λ和ρv。凡是能自鎖的機構，效率總是小于50﹪.這里λ和ρv均為幾何角度。

5.帶傳動中：傳動帶的疲勞破壞與最大應力和繞轉次數有關。而最大應力和繞轉次數主要是由小帶輪的最小基準直徑ddmax決定的（彎曲應力占最大應力的80﹪強）。

6.鏈傳動中：傳動（滾子）鏈在工作過程中，不可避免所產生的沖擊、振動及噪音（動力不均勻性），以節距p大小的影響為主要。節距越大，沖擊、振動及噪音越顯著，反之亦反。所以實際使用中要重視對節距的控制。現場實踐活動中應采用“小節距，多排鏈，多齒數，低轉速”的使用方法。以上分析主要說明一個問題——“幾何因素決定了機構特性”。這里的“幾何因素”是指幾何長度或幾何角度。按照這一思路對機構特性分析進行切入、分析、講解，會收到意想不到的效果，真可謂事半功倍。

二、關于中心距可分性問題

由于某些因素的影響，齒輪傳動中心距略有變化（理論與實際有所不同）并不會影響傳動比的恒定性，漸開線齒輪傳動的這種特性稱為中心距可分性。中心距可分性是漸開線齒輪傳動的獨特特性。其他像擺線齒輪傳動、圓弧齒輪傳動等都不具備這一特性，所以這類齒輪傳動在使用時就受到了諸多的限制。正因為漸開線齒輪傳動具有這一獨特的特性，所以對漸開線齒輪的設計、加工、安裝、使用、維護、保養提供了方便，降低了成本，從而才使得漸開線齒輪傳動得到了廣泛的應用。關于這一問題對于一般學生來說都只當做一條結論一記了之，但善于思考的學生就要問：“為什么中心距變化傳動比不變？”傳動比是否恒定是與節點有關，節點固定，傳動比才恒定，這是學生的理解。那么你簡單地用傳動比與基圓半徑有關，基圓半徑不變傳動比就不變，這樣回答就滿足不了學生的求知欲，應給一個信服的證明。

證明：（1)可先求出標準中心距時的傳動比：

i=■=■=■=■

（2）中心距變化后，畫出新的位置，這時節點變到了P′點，

同理仍可證明：i=■=■=■=■

通過以上兩次同一種方法的證明就可更圓滿地說明漸開線齒輪傳動具有中心距可分性，也可對齒廓嚙合基本定律（Willis定律）做更進一步的解釋。

三、關于傳動比的問題

機械設備為什么要減速？我國電動機轉速序列為：3000、1500、1000、750、600rpm。轉速越低、磁極對數越多、電動機結構尺寸越大、質量越大、工作時溫度、價格越高。所以工程應用中1000轉以下的電動機一般不用。為了獲得較大的力或力矩，工作機的速度或轉速一般是較低的（石油抽油機沖次一般是3～5次/分），這就需要在電動機和工作機之間設置減速裝置。傳動比是傳動裝置的特性參數。傳動比說起來很簡單，即為：

i=■=■=■=±■

再仔細問一下：傳動比的含義是什么？這一問題對機械類學生而言應該是一個基本常識問題，但沒有幾位學生能回答上來。這就說明教材中沒有重視這一問題，再就是教師講解時沒意識到。傳動比的含義：（a）反映了兩輪轉速相差的程度（減速或增速）。（b)反映了兩輪尺寸相差的程度（對齒輪傳動還反映了中心距的大小）。（c）反映了降速增矩的程度。（d）對齒輪傳比還說明了兩輪的轉向問題。以上就是傳動比的含義，學生一定要知道，這也是一個“門面”問題。

四、關于軸的結構設計問題

大多教材對軸的結構設計問題處理得不理想，內容比較零亂，寥寥幾筆，一帶而過。這就造成學生在實際應用過程中，感到比較模糊，摸不著頭腦，無從下手。特別是在機械零件課程設計中，這種現象表現得尤為突出。這就說明軸的結構問題沒有從根本上得到解決。我認為在講轉軸時，應該以軸的功用為主線來展開。轉軸的功用有三：（a）支承回轉零件；（b）使回轉零件在軸上具有正確的、確定的工作位置；（c）傳遞運動和轉矩。支持回轉零件和傳遞轉矩，表面上看是一個強度問題，實質是一個尺寸問題。使回轉零件具有正確的、確定的工作位置，表面上看說得是軸上零件要定位固定，軸系要固定的問題，實質是軸的形狀問題。尺寸問題通過計算倒是容易解決，但形狀問題的解決就不是一蹴而就的了，它要牽扯到方方面面的因素（難點）。尺寸和形狀的綜合就是結構。轉軸結構問題是這一章的核心問題，以轉軸功用為主線來展開，將各部分有機地聯系起來，最后就可解決轉軸的結構問題。“有機地聯系”是什么意思？它就是一種方法：“邊計算，邊繪圖，邊修改”——軸設計計算的方法。在今后的教學過程中還應在戰略層面上積極進行探索和完善，把教學工作做得更好。