平面連桿機(jī)構(gòu)壓力角的教學(xué)策略

摘 要：中職《機(jī)械基礎(chǔ)》教材中平面連桿機(jī)構(gòu)的壓力角是教學(xué)難點，其教學(xué)可以通過巧解定義講解，巧用受力分析、巧舉特例驗證等教學(xué)策略，幫助學(xué)生掌握壓力角的含義，理解壓力角對“傳力性能”的影響。

關(guān)鍵詞：平面連桿機(jī)構(gòu) 壓力角 傳力性能 策略

平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、刨床、汽車、挖土機(jī)等設(shè)施設(shè)備中。機(jī)構(gòu)的“傳力性能”的優(yōu)劣對機(jī)器的使用有著很大的影響?！皞髁π阅堋辈?，機(jī)構(gòu)效率低下，甚至工作時會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，判斷機(jī)構(gòu)“傳力性能”的主要參數(shù)是“壓力角”，它在機(jī)械設(shè)計過程中具有重要的指導(dǎo)意義，所以教育部2009年頒布的《中等職業(yè)學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)大綱》中對“壓力角”提出了具體的教學(xué)要求。

在教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)壓力角的教學(xué)，學(xué)生掌握壓力角的含義及其作用，存在以下困難：一是職高教材對壓力角沒有系統(tǒng)的介紹，不利于教師組織教學(xué)；二是部分學(xué)生對壓力角的概念理解不清，缺乏清晰的分析思路；三是部分學(xué)生因為物理、力學(xué)的基礎(chǔ)薄弱，不能深刻理解壓力角對“傳力性能”的影響。

筆者針對以上問題對壓力角的知識點進(jìn)行梳理，并進(jìn)行教學(xué)探索，認(rèn)為平面連桿機(jī)構(gòu)壓力角的教學(xué)可以采用以下策略。

一、巧解“定義”，找到、找準(zhǔn)“壓力角”

平面連桿機(jī)構(gòu) “壓力角”的定義是，如果不計構(gòu)件的質(zhì)量和運動副中的摩擦，壓力角是機(jī)構(gòu)從動件的受力方向與其運動方向之間所夾的銳角。筆者發(fā)現(xiàn)，如果教師照本宣科，學(xué)生通常出現(xiàn)以下問題：一是“難下手”，不知在機(jī)構(gòu)簡圖上什么位置畫出壓力角；二是“分不清”，對受力方向與運動方向理不清、找不準(zhǔn)，尤其是運動方向的確定。

筆者在教學(xué)中用“一個中心，兩個基本點”的方法來引導(dǎo)學(xué)生正確求解“壓力角”，“一個中心”就是指從動件上的一點，“兩個基本點”就是從動件的受力方向和運動方向。這樣把學(xué)生的注意力從背定義轉(zhuǎn)移到尋找具體的“點”和“方向”上來，讓學(xué)生有法可循。在教學(xué)過程中筆者常常用平面連桿機(jī)構(gòu)的兩種工作狀態(tài)為例，做對比來講解壓力角。

在圖1中，當(dāng)曲柄AB做主動件時，搖桿CD做從動件時，其壓力角應(yīng)選擇在從動件CD上的C點作圖，由于連桿是傳力桿，所以從動件受力方向則比較好找，就是沿連桿BC方向，而從動件由于做擺動，其運動方向就是從動件上一點C運動軌跡的切線方向。

為了加深學(xué)生對定義的理解，應(yīng)及時利用對比法要求學(xué)生思考：當(dāng)搖桿CD做主動件時，曲柄AB做從動件時“壓力角”怎么找呢（見圖2）？顯然壓力角要選擇在從動件曲柄的B點作圖，由于從動件的受力方向和運動方向發(fā)生了變化，所以壓力角的大小也發(fā)生變化。

同樣的機(jī)構(gòu)，在以搖桿為從動件時與以曲柄為從動件時的壓力角是有本質(zhì)區(qū)別的，通過這種比較可以促進(jìn)學(xué)生對壓力角的理解。

二、巧用“分析”，深刻理解“壓力角”的影響

在教學(xué)過程中我們幫助學(xué)生總結(jié)壓力角的影響：壓力角越小，機(jī)構(gòu)“傳力性能”越好，反之，機(jī)構(gòu)“傳力性能”越差，效率越低。學(xué)生死記硬背，不能深刻理解，我們可以巧用“力的分解”進(jìn)行分析，講清壓力角的影響，幫助學(xué)生進(jìn)行理解。

教學(xué)時我們可以以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，如圖1所示，將作用在從動件CD上的總作用力F分解為沿從動件運動方向的有用分力Ft和阻礙從動件運動的有害分力Fn，并指出：Ft=Fcosα，F(xiàn)n=Fsinα，可發(fā)現(xiàn)，在總作用力F一定時，壓力角α越大，其有用分力Ft越小，有害分力Fn越大，“傳力性能”越差，效率低。因此，為了保證機(jī)構(gòu)傳動良好，在機(jī)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)限制其最大壓力角。

在教學(xué)過程中我們還要分析壓力角和機(jī)構(gòu)的死點位置之間的關(guān)系，當(dāng)以搖桿為主動件時，在從動曲柄與連桿兩次共線位置時（見圖2），由于從動曲柄的受力方向和運動方向正好垂直，壓力角α=90°，其有效分力Ft=0，其驅(qū)動力矩為零，機(jī)構(gòu)卡死，即處于死點位置，所以在機(jī)械設(shè)計過程中要加以避免或采用適當(dāng)措施加以克服。這樣既加深了學(xué)生對壓力角的理解，又從另一個側(cè)面解釋了死點的位置。

三、巧舉“特例”，驗證、妙解“壓力角”的使用

筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)一些關(guān)于壓力角的“特例”，可以從不同的角度去看待壓力角，解釋在實際生產(chǎn)中如何利用好“壓力角”的影響。

1.壓力角α=0的應(yīng)用

壓力角在機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中大多數(shù)時候是變化的，但也有不變的特例。例如圖3中擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，在曲柄AB作“主動件”并順時針轉(zhuǎn)動時，從動件導(dǎo)桿BC的“壓力角”由于受力方向和運動方向一致，壓力角α=0，而傳動角γ=90°，且在任何位置都不變，其“傳力性能”是常用機(jī)構(gòu)中最好的，所以在牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵中得到廣泛應(yīng)用。

2.壓力角α=90°的應(yīng)用

平面連桿機(jī)構(gòu)壓力角大，“傳力性能”差，在傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計中要加以克服，但在夾具、飛機(jī)起落架設(shè)計中人們卻利用壓力角等于90°的特殊位置來工作。例如圖4飛機(jī)起落架中的雙搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛機(jī)輪放下時，連桿BC與從動搖桿CD共線，此時壓力角α=90°，而傳動角γ=0，地面對飛機(jī)輪的力不會使從動搖桿CD轉(zhuǎn)動，機(jī)構(gòu)卡死，利用這個狀態(tài)可以使飛機(jī)可靠降落。

利用上述策略可以在教學(xué)過程中讓學(xué)生輕松掌握壓力角的相關(guān)知識。在專業(yè)課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中，只要做到“多思考、會比較、勤總結(jié)”，在吸取他人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷拓寬自己的知識面，完善知識體系，教師就一定能“教有所悟”，獲得深厚的知識積淀，學(xué)生一定能“學(xué)有所得”，從而愛上自己的專業(yè)，并初步養(yǎng)成專業(yè)意識，為將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫大俊. 機(jī)械基礎(chǔ)[M]. 北京： 中國勞動社會保障出版社，2007.

[2]楊可楨，程光蘊(yùn). 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京： 高等教育出版社，2006.

[3]單冬敏.高職機(jī)械設(shè)計課程中壓力角教法探討[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005（1）.

（作者單位：江蘇省海安中等專業(yè)學(xué)校）