高职《机械设计基础》课程中一些关键问题的解决方案

摘要：《机械设计基础》是高职院校机类、近机类专业的一门主干技术基础课。目前，在教学内容不减，学时被压缩的情况下，一些关键的知识点必须要得到完美的解决，这样才能显现出主干技术课程的重要性，才有利于学生的学习与掌握。

关键词：《机械设计基础》；关键问题；知识点；解决方案

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）07-0146-02

高等职业技术教育是高等教育的重要组成部分。随着我国高等职业教育的快速发展与壮大，这就要求我们必须重视高等职业技术教育整体内容板块的改革与建设。各学科、各行业必须结合自身的具体情况来加强和丰满高等职业技术教育的内涵，以更好地适应技术应用型高技能人才培养的需求。《机械设计基础》课程是高等职业技术学院中培养学生对常用机械和通用零件的认知能力、应用能力及创新能力的一门主干技术基础课，是学习专业课程和从事专业技术活动工作的必备基础。通过多年来的教学与实践及学生的反馈，我认为要想搞好《机械设计基础》这门课的教学工作，就必须对以下一些关键问题（知识点）要特别引起注意。

一、关于机构特性问题

常用机构这部分内容的特点是：“各章节自成体系，内容互不相干。”学生最头痛的也是这部分内容，咎其原因就是教材与教师讲解的问题。也就是说教材本身没有明显地提供一条解决“各章节自成体系，互不相干”这一问题的思路，再加之这部分内容本身就很抽象，教师的重视程度又不够。这就给学生的学习、理解带来很大的困难；对学生学习的巩固、发挥造成较大的障碍。所以在讲解这部分内容时，教师应引起特别注意。要抓住一条主线，找出问题中的主要矛盾，去解决、去突破。常用机构这部分内容中的主要矛盾就是机构特性问题。对教材仔细、认真地进行分析，可发现教材中都暗藏着一条贯穿整个这一部分的主线—“几何因素决定了机构的特性”。抓住这条主线去挖掘、去讨论，就可将这部分内容有机地联系起来。帮助学生理解记忆，而且使学生悟出认识问题、解决问题的方法。

1.平面四杆机构中：（a）铰链四杆机构的三种基本类型是：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。类型是根据它的运动特征—有没有曲柄、有几个曲柄来命名的。而运动特征又是由各杆的几何长度（格拉肖夫判别式）来决定的。（b）平面连杆机构中，往复运动的从动件，往返速度不同的性质称为机构的急回特性。急回特性的实际意义是：压缩非生产性时间、提高工效、提高工作质量。而机构有无急回特性，则仅取决于极位夹角θ，即摇杆位于两个极限位置时，曲柄与曲柄之间所夹的锐角称为极位夹角。有极位夹角则有急回特性，极位夹角越大，急回特性越明显。（c）对机构而言，要求机构具有良好的传力性，即运转轻松、省力、摩擦小、效率高、运行成本低。传力性的好坏，则仅取决于压力角的大小，而与其他力的大小、速度、加速度、角速度的大小、高低没有任何关系。机构中主动件通过中间件作用在从动件上的力的方向与力的作用点的速度方向之间所夹锐角α称为压力角。压力角越小，传力性越好。（d）死（止）点位置问题，亦取决于压力角（α＝90°）。此位置处，机构自锁。

2.凸轮机构中：从动件不同的运动规律会引起刚性冲击、柔性冲击等。这些冲击、振动是由s=r-r0所决定的。另凸轮机构传力性的好坏，取决于压力角的大小，而压力角的大小又是由基圆半径来决定的。凸轮机构中，结构尺寸（基圆半径）的大小与传力性的好坏是一对矛盾。

3.齿轮传动中：（a）正确啮合条件：基节相等，既“Pb1=Pb2”；（b)连续传动的条件：实际啮合线长度■≥Pb。这里基节与实际啮合线长度均为几何长度。

4.螺旋副中：（a）圆周力F的大小取决于λ和ρv；（b）能否自锁取决于λ＜ρv是否成立；（c）效率的高低亦取决于λ和ρv。凡是能自锁的机构，效率总是小于50﹪.这里λ和ρv均为几何角度。

5.带传动中：传动带的疲劳破坏与最大应力和绕转次数有关。而最大应力和绕转次数主要是由小带轮的最小基准直径ddmax决定的（弯曲应力占最大应力的80﹪强）。

6.链传动中：传动（滚子）链在工作过程中，不可避免所产生的冲击、振动及噪音（动力不均匀性），以节距p大小的影响为主要。节距越大，冲击、振动及噪音越显著，反之亦反。所以实际使用中要重视对节距的控制。现场实践活动中应采用“小节距，多排链，多齿数，低转速”的使用方法。以上分析主要说明一个问题——“几何因素决定了机构特性”。这里的“几何因素”是指几何长度或几何角度。按照这一思路对机构特性分析进行切入、分析、讲解，会收到意想不到的效果，真可谓事半功倍。

二、关于中心距可分性问题

由于某些因素的影响，齿轮传动中心距略有变化（理论与实际有所不同）并不会影响传动比的恒定性，渐开线齿轮传动的这种特性称为中心距可分性。中心距可分性是渐开线齿轮传动的独特特性。其他像摆线齿轮传动、圆弧齿轮传动等都不具备这一特性，所以这类齿轮传动在使用时就受到了诸多的限制。正因为渐开线齿轮传动具有这一独特的特性，所以对渐开线齿轮的设计、加工、安装、使用、维护、保养提供了方便，降低了成本，从而才使得渐开线齿轮传动得到了广泛的应用。关于这一问题对于一般学生来说都只当做一条结论一记了之，但善于思考的学生就要问：“为什么中心距变化传动比不变？”传动比是否恒定是与节点有关，节点固定，传动比才恒定，这是学生的理解。那么你简单地用传动比与基圆半径有关，基圆半径不变传动比就不变，这样回答就满足不了学生的求知欲，应给一个信服的证明。

证明：（1)可先求出标准中心距时的传动比：

i=■=■=■=■

（2）中心距变化后，画出新的位置，这时节点变到了P′点，

同理仍可证明：i=■=■=■=■

通过以上两次同一种方法的证明就可更圆满地说明渐开线齿轮传动具有中心距可分性，也可对齿廓啮合基本定律（Willis定律）做更进一步的解释。

三、关于传动比的问题

机械设备为什么要减速？我国电动机转速序列为：3000、1500、1000、750、600rpm。转速越低、磁极对数越多、电动机结构尺寸越大、质量越大、工作时温度、价格越高。所以工程应用中1000转以下的电动机一般不用。为了获得较大的力或力矩，工作机的速度或转速一般是较低的（石油抽油机冲次一般是3～5次/分），这就需要在电动机和工作机之间设置减速装置。传动比是传动装置的特性参数。传动比说起来很简单，即为：

i=■=■=■=±■

再仔细问一下：传动比的含义是什么？这一问题对机械类学生而言应该是一个基本常识问题，但没有几位学生能回答上来。这就说明教材中没有重视这一问题，再就是教师讲解时没意识到。传动比的含义：（a）反映了两轮转速相差的程度（减速或增速）。（b)反映了两轮尺寸相差的程度（对齿轮传动还反映了中心距的大小）。（c）反映了降速增矩的程度。（d）对齿轮传比还说明了两轮的转向问题。以上就是传动比的含义，学生一定要知道，这也是一个“门面”问题。

四、关于轴的结构设计问题

大多教材对轴的结构设计问题处理得不理想，内容比较零乱，寥寥几笔，一带而过。这就造成学生在实际应用过程中，感到比较模糊，摸不着头脑，无从下手。特别是在机械零件课程设计中，这种现象表现得尤为突出。这就说明轴的结构问题没有从根本上得到解决。我认为在讲转轴时，应该以轴的功用为主线来展开。转轴的功用有三：（a）支承回转零件；（b）使回转零件在轴上具有正确的、确定的工作位置；（c）传递运动和转矩。支持回转零件和传递转矩，表面上看是一个强度问题，实质是一个尺寸问题。使回转零件具有正确的、确定的工作位置，表面上看说得是轴上零件要定位固定，轴系要固定的问题，实质是轴的形状问题。尺寸问题通过计算倒是容易解决，但形状问题的解决就不是一蹴而就的了，它要牵扯到方方面面的因素（难点）。尺寸和形状的综合就是结构。转轴结构问题是这一章的核心问题，以转轴功用为主线来展开，将各部分有机地联系起来，最后就可解决转轴的结构问题。“有机地联系”是什么意思？它就是一种方法：“边计算，边绘图，边修改”——轴设计计算的方法。在今后的教学过程中还应在战略层面上积极进行探索和完善，把教学工作做得更好。