《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中的例題求解模式初探

【摘要】《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是機(jī)械類學(xué)生的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生解決問題、分析問題和創(chuàng)新能力方面具有重要作用。教材中的例題是學(xué)生學(xué)習(xí)的范本，其求解模式的不同對(duì)學(xué)生的影響極為重要。本文針對(duì)設(shè)計(jì)問題的多方案提出及優(yōu)選，以及校核計(jì)算中的意外應(yīng)對(duì)和處理這兩個(gè)方面的問題進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程 例題 求解模式

【基金項(xiàng)目】重慶市高等教育教學(xué)改革研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：153013），重慶大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)系列課程校級(jí)優(yōu)質(zhì)重點(diǎn)課程建設(shè)（項(xiàng)目號(hào)：0209001104610）。

【中圖分類號(hào)】TH122-4；G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）04-0022-02

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是機(jī)械類學(xué)生的一門核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，通過若干種常用機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。近幾年，在各高校老師的共同努力之下，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)均進(jìn)行了大量的改革，取得了諸多豐碩的成果，促進(jìn)了《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)質(zhì)量的提高。同時(shí)，也出版了多本《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材，而且有些教材確實(shí)有一些亮點(diǎn)和創(chuàng)新，體現(xiàn)了當(dāng)今該領(lǐng)域的較高水平。

然而，在這些教材中，《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的例題部分的處理，均存在這樣一些共性問題：一是問題的求解結(jié)果單一化，未能真正反映在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，是在多個(gè)可選方案中按照不同的約束條件選取較優(yōu)；二是凡是需要工作能力校核計(jì)算的地方，其校核結(jié)果均是符合要求的，而實(shí)際情況也通常不是如此，乃至當(dāng)學(xué)生自己求解時(shí)，遇到校核不能通過時(shí)感到驚訝。

就以上兩個(gè)關(guān)于《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的例題求解處理問題，近幾年，我們有意識(shí)地在課程教學(xué)中進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，取得了較好的效果，在此與大家進(jìn)行交流，也請(qǐng)大家批評(píng)指正。

一、設(shè)計(jì)問題的多方案提出和選優(yōu)

在現(xiàn)有教材的例題部分，一個(gè)實(shí)際問題的設(shè)計(jì)，通常情況是這樣的模式：運(yùn)用該章節(jié)所介紹的設(shè)計(jì)方法和過程，一路設(shè)計(jì)下來，最后得到一個(gè)唯一確定的答案。例題這樣布局的問題是：學(xué)生就誤以為該問題就只能這樣處理，該問題就只有這樣一個(gè)求解方案，其中的一些參數(shù)取值就只能取例題中所示的數(shù)值大小。

然而，機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是在滿足一定約束的前提下，力求達(dá)到規(guī)定的功能和性能要求的過程。因而，設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)理應(yīng)有多種方案可供選擇。進(jìn)而在多個(gè)可行方案中選取較優(yōu)方案，而且這個(gè)較優(yōu)方案一定是在某些約束條件下的最優(yōu)。究竟選取哪個(gè)方案，還要根據(jù)應(yīng)用時(shí)的具體情況進(jìn)行具體分析。現(xiàn)舉例說明如下：

設(shè)計(jì)螺旋輸送機(jī)的雙級(jí)圓柱齒輪減速器中的高速級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。已知：輸入功率P1=15KW，轉(zhuǎn)速n1=970r/min，齒數(shù)比u=4，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷平穩(wěn)，每天工作16小時(shí)，預(yù)計(jì)壽命為5年，可靠性要求一般，軸的剛性較小，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（1）可行方案

通過計(jì)算所得到的一組基本參數(shù)和尺寸，能滿足設(shè)計(jì)要求和約束條件，是一個(gè)可行方案，但不是唯一的方案，也不一定是最好的方案。適當(dāng)改變參數(shù)（如改變z1、β等）或材料、熱處理方式，經(jīng)同樣計(jì)算，還可得到多種可行的方案，具體計(jì)算過程在此省略，其計(jì)算結(jié)果表1所示：

（2）方案選擇

接下來，應(yīng)根據(jù)預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如：體積最小或重量最輕或傳動(dòng)最平穩(wěn)或傳動(dòng)效率最高或其中某幾項(xiàng)的綜合要求等，對(duì)上述可行方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)或憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，確定出一種較好的方案。具體到本設(shè)計(jì)問題中：

若考慮體積最小或重量最輕，則可選用方案4（分度圓直徑和齒寬最?。?；

若要求傳動(dòng)平穩(wěn)，則可選用方案2（齒數(shù)較多，重合度較大）；

若要求成本較低，體積較小，則可選用方案3（材料成本低，分度圓直徑和齒寬較?。?。

可見，通過對(duì)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行多方案分析、比較，可較好地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析能力、綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

二、校核計(jì)算中的“意外”應(yīng)對(duì)和處理

在現(xiàn)有的教材例題中，凡是有工作能力需要校核計(jì)算的地方，其校核計(jì)算結(jié)果一般都是滿足要求的。于是乎，學(xué)生就慢慢形成了“凡是校核的地方都是通過的”這樣一種錯(cuò)誤意識(shí)。乃至于真正在遇到校核不能通過的情況下，反而感到束手無策，不知怎么辦才好。其實(shí)，既然要有校核這個(gè)計(jì)算步驟，就一定存在校核不通過的可能。關(guān)鍵是，我們?cè)诶}中要反映出這種可能，而且要教會(huì)學(xué)生在遇到這種情況下，我們?cè)撊绾握{(diào)整參數(shù)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)舉例如下：

某減速器中有一直齒圓柱齒輪安裝在軸的兩個(gè)支承點(diǎn)之間，齒輪和軸的材料均為鍛鋼，用鍵構(gòu)成靜連接。齒輪的精度為7級(jí)，裝齒輪處的軸徑d=70mm，齒輪輪轂寬度為100mm，需傳遞轉(zhuǎn)矩T=2200N.m，載荷有輕微沖擊。試設(shè)計(jì)此鍵連接。

解：（1）選擇鍵連接的類型和尺寸

一般8級(jí)以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)選擇平鍵連接。由于齒輪不再軸端，故選用圓頭普通平鍵。

根據(jù)d=70mm從平鍵尺寸表中查得鍵的截面尺寸為：寬度b=20mm，高度h=12mm。由輪轂寬度100mm并參考鍵的長(zhǎng)度系列，取鍵長(zhǎng)L=90mm（比輪轂寬度小一些）。

（2）校核鍵連接的強(qiáng)度

鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由表可查得許用擠壓應(yīng)力[σp]=100-120MPa，取其平均值[σp]=100MPa，鍵的工作長(zhǎng)度l=L-b=90-20=70mm，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=6mm。

由擠壓應(yīng)力計(jì)算公式可得：

Mpa=149.7MPa>[σp]=100MPa

可見連接的擠壓強(qiáng)度不夠?？紤]到相差較大，因此改用雙鍵，相隔180°布置。雙鍵的工作長(zhǎng)度l=1.5×70mm（下轉(zhuǎn)81頁(yè)）（上接22頁(yè)）=105mm。

由擠壓應(yīng)力計(jì)算公式可得：

σp=99.8MPa<[σp]=100MPa（合適）

可見，在校核計(jì)算中，確實(shí)會(huì)遇到校核計(jì)算不能通過的情況。

三、結(jié)論

機(jī)械設(shè)計(jì)問題一定是多元化的，一個(gè)參數(shù)的選取也一定是有多個(gè)可能的，這樣就會(huì)形成多個(gè)求解方案。作為設(shè)計(jì)者應(yīng)該具有在多個(gè)可行設(shè)計(jì)方案中選取較優(yōu)方案的能力。《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中例題求解模式如做到這樣的模式，對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)無疑是大有裨益的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李良軍.《機(jī)械設(shè)計(jì)》北京：高等教育出版社2009年.

[3]李俊.應(yīng)用認(rèn)知規(guī)律，提升機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量.機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研究2010.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì)編機(jī)械工業(yè)出版社P303-304.

作者簡(jiǎn)介：

李?。?966-），男，副教授，工學(xué)博士，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。