“機械結構設計”課程的教學實踐

楊麗紅，甘 屹，徐名聰

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“機械結構設計”課程的教學實踐

楊麗紅，甘 屹，徐名聰

(上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

“機械結構設計”是機械設計制造及其自動化本科專業的一門專業前沿必修課，涉及到的專業知識多，綜合性強，學生掌握起來有較大的難度。在教學過程中采用案例教學、實驗和課程設計相結合的模式，通過學習使學生能夠掌握傳動系統等部件結構設計原則和步驟，初步形成機械結構設計思想，具有一定的獨立設計的能力。

機械結構設計；教學實踐；案例教學；課程設計

培養具有創新精神和創造力的高素質人才是21世紀中國高等教育的神圣使命。如何從應試教育轉化到素質教育，優化結構，提高教學質量，已成為今后的發展重點。對于機械專業本科生，應該注重技術應用能力與綜合素質培養。上海理工大學的機械專業歷史悠久，基礎雄厚，2008年機械設計制造及其自動化本科專業被評為國家教育部特色專業。為了培養學生的機械設計綜合能力，學院開設“機械結構設計”這門課，教材采用自編書目。

“機械結構設計”是根據設計要求，確定設計原理后形成工程技術圖樣的過程，是與產品設計和方案設計同等重要的機械設計的一個方面。結構設計內容包括功能設計、質量設計、優化設計和創新設計，涉及機械制圖、力學、材料、機械原理、機械零件、公差與配合、機械制造工藝、數控技術等多門課程知識，是許多專業知識的綜合運用。學生修完這門課程，要求掌握結構設計的原則和步驟，能夠獨立進行機械結構設計，在達到功能要求和質量要求的基礎上，盡可能理解優化和創新設計的原理和方法。

一、教學過程中學生存在的問題

(一)設計基礎薄弱

在“機械結構設計”課程講授之前，學生僅做過“機械設計”課程設計，設計內容是減速箱。該課程設計時間短，大多數學生基本是按照例圖進行改進，所以學生只是達到了“知其然，不知其所以然”的程度，沒有真正的有“設計者”角色的體會。因此，對機械結構設計的過程、步驟和原則還沒有清晰的認識。

(二)基礎技能欠扎實

盡管學生已經學過需要預修的課程，但很多學生是為了應付考試，在學習“機械結構設計”這門課程時，以前所學的專業知識已經忘記大部分。另外，學過的知識在學生的腦海里是零碎的知識點，當時還僅僅停留在理解的階段，離熟練應用還有不小的差距。主要表現在：看圖能力不夠強、空間想象能力弱、工程制圖表達不清晰、對常用機構和標準件不熟悉、加工和裝配工藝不了解等。

二、采取的措施

針對以上存在的問題，在介紹機械結構設計的內涵、原則、步驟和要求之后，為了使學生對機械結構設計有一個全面的、直觀的認識，先以CA6140車床作為實例講解，讓學生由淺入深，培養興趣，對比分析，啟發思維。從深入了解車床運動和結構到完成課程設計，鍛煉其所學知識應用能力，提高機械設計的綜合素質。

(一)案例教學

1. 從運動分析到運動設計

在教學過程中，首先和學生一起分析CA6140車床的傳動系統，包括主傳動和進給傳動。主運動見圖1。圖1(a)是傳動系統簡圖，(b)為正轉傳動結構網。主運動理論有30級正轉和15級反轉，而實際只有24級正轉和12級反轉。分析了轉速的特點，CA6140輸出的轉速是以1.26為公比等比數列(見圖1(b)轉速列)。其次引入標準公比、結構式、結構網和轉速圖的概念，重點講解級比規律，以及設計出轉速既沒有重復又沒有遺漏的等比多級變速系統的方法，并通過實例和作業使學生掌握此部分內容。由CA6140車床的主運動寫出結構式，畫出結構網，可以看出是由于第三擴大組不符合級比規律才出現了重復轉速，由理論的30級變為實際24級。最后分析了CA6140的進給傳動系統，介紹了內聯系傳動鏈的概念和各種螺紋以及機動進給的傳動路線。

(a)

(b)

圖1 CA6140車床傳動系統圖

Fig.1 CA6140 lathe drive system

在傳動分析過程中，還結合CA6140車床，介紹了一些機電產品設計中常用的機械通用部件：離合器、基本變速組、換向裝置、制動裝置、保險裝置和操縱裝置等。這些通用裝置就好比是機械設計中的積木，在設計過程中可以借鑒和選用。

2. 從結構分析到結構設計

CA6140車床的結構分析，主要集中在傳動箱和進給箱上。

在主軸箱結構分析過程中，首先了解各個軸的空間布局，除了傳動軸支承和定位外，重點講解了輸入軸和車床主軸的結構。輸入軸上分析了卸荷裝置、雙向摩擦離合器操縱裝置、制動裝置。在主軸結構上，按照主軸要求—傳動方式—支承方式—軸承選擇與配置—主軸的材料和設計這一主線，使學生對精密旋轉部件結構有了更深入的了解。在授課過程中，對每個結構都進行詳細講解，收集了大量同類型的結構進行對比分析，并以往屆學生的錯誤結構為例進行分析并改正。在普通機床主軸常用到的圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承作為徑向支承，圖2是常用的此軸承的間隙調整結構。圖2中所示的4種結構，各有優缺點。(a)結構簡單，但調整量難控制；(b)調整方便，但工藝性差；(c)調整方便，但易壓偏；(d)調整量能精確控制。對4種結構進行對比分析后，使學生深刻體會到結構和功能密切相關，在以后的設計中，根據使用要求進行結構設計。

(a) (b)

(c) (d)

圖2 軸承間隙調整結構

Fig.2 The structure for adjusting bearing clearance

在進給箱中，重點介紹了互鎖裝置和導向裝置，有多種運動可以帶動刀具進給。為避免機床損壞，所以不僅要實現車螺紋和機動進給運動的互鎖，而且要實現縱向進給和橫向進給運動的互鎖。在CA6140中，實現車螺紋和機動進給互鎖是通過開合螺母結構。開合螺母能夠閉合的前提是任何一種機動進給運動都未接通，如果接通一種機動進給，則開合螺母機構無法操縱閉合。縱橫向進給則通過限制操縱桿在十字槽中移動來實現互鎖。通過分析CA6140的互鎖結構，引入了平行軸和交叉軸，兩種直線運動、兩種旋轉運動、旋轉運動和直線運動之間常用的機械互鎖結構。另外，進給箱在進給運動的驅動下刀架沿導軌實現進給；開合螺母的上下螺母在導軌的導向下實現開閉，由此引入導向裝置，也就是常用的導軌。接著進一步介紹其分類、特點和數控機床導軌。

最后，介紹了支承件的設計原則，在受力分析和靜剛度概念的基礎上，采用實例講解各類支承件的結構設計。

(二)實驗環節

這門課還安排了8個學時的實驗，主要是增加對CA6140主軸箱、主軸、進給箱等結構的直觀認識，配合理論教學。觀察實物CA6140型車床外形結構，通過實驗達到以下目的：了解主運動傳動鏈的傳動路線，觀察各軸的空間位置；觀察雙向多片式摩擦離合器和閘帶式制動器的結構，了解它們的調整方法及操縱機構的作用原理；觀察六速單手柄操縱機構是怎樣用一個手柄同時操縱兩個滑移齒輪塊，以獲得6種不同的傳動比；了解主軸前、后軸承間隙調整方法；了解車螺紋用換向機構的結構形式。

(三)課程設計

1. 設計任務

設計一臺車床的主運動系統和其中一個操縱裝置，轉速范圍一定，轉速級數一定，最大加工直徑和電動機功率給定。在同一個班上，每個學生的題目都不相同，使學生能夠獨立思考完成。

2. 設計計算

在講授運動設計之后，課程設計的題目就發到每個學生的手上，這樣在課余時間，就將計算部分完成，同時也鞏固所學的內容。

3. 工程圖繪制

在課程結束后，開始兩周時間的課程設計，學生基本都可以進行到畫展開圖草圖程度。草圖畫完后，按照草圖尺寸進行操縱機構的計算和主軸的校核。接著完善展開圖，要求清晰表達轉動路線和各個轉動軸、主軸的詳細結構。另外還要畫一張剖視圖，要求表達各軸的空間位置，以及某個滑移變速齒輪的操縱機構。最后一個環節是答辯，在學生講述后，老師指出圖紙上錯誤的地方，讓學生思考并訂正。

三、教學成效

從以上論述可以看出，這門課程整體的教學線路為：介紹實例—引出問題—對比分析—通用的結構和原則—設計實踐。通過這門課程的學習，學生們在以下方面能力有所提高。

(1)空間圖形思維方面。在課堂上學習CA6140的結構，都是通過工程圖，而在實驗過程中，可以把工程圖和實物對照起來。通過多次鍛煉，提高了空間圖形的思維能力。

(2) 結構和功能的結合。機械設計中，不同的設計者對機械系統的功能要求、使用條件以及工藝條件的理解上的差異造就了各自設計結果的多樣性。通過多種類似結構的對比分析，認識到每種多樣性的設計都會和特定的功能相對應。

(3) 標準件。標準件是機械設計的基礎，用好標準件，可以提高機械設計的效率。通過課程設計，學生們對標準件進一步熟悉。

(4) 實踐能力和綜合素質。通過實驗—授課—課程設計，經歷了從實踐—認識—再實踐的過程。因此，學生對結構的認識進一步深入，在認識的指導下，實踐能力也得到了提高；另一方面，在這個過程中，學生把所學過的制圖、力學、材料、機械原理、機械零件、工藝等方面的知識加以運用，因此在機械方面的綜合素質也得到了提高。

以上可以看出，經過這門課程的學習，學生初步形成了機械結構設計的思維，具有一定的獨立設計的能力，為下一個夾具課程設計打下一定的基礎。

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Teaching Practice for“Mechanical Structure Design”

Yang lihong, Gan Yi, Xu Mingcong

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“Mechanical structure design” is one of the advanced and compulsory courses for Mechanical Design and Manufacture & Automation. As it involves a lot of professional knowledge, it is very difficult for students to learn. In the teaching process, a combination of case teaching, experiments and curriculum design is adopted. Through the study of the course, the students can master structural design principles and steps of drive components, and form initial ideas of the mechanical structure design and thus have a certain ability to design independently.

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G424

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1009-895X(2012)02-0165-04

2011-07-29

上海市高等學校市級教學團隊資助項目

楊麗紅(1973-)，女，講師。研究方向：先進制造技術。E-mail: lhyang@usst.edu.cn