平面連桿機構壓力角的教學策略

摘 要：中職《機械基礎》教材中平面連桿機構的壓力角是教學難點，其教學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策略，幫助學生掌握壓力角的含義，理解壓力角對“傳力性能”的影響。

關鍵詞：平面連桿機構 壓力角 傳力性能 策略

平面連桿機構廣泛應用于雷達、刨床、汽車、挖土機等設施設備中。機構的“傳力性能”的優劣對機器的使用有著很大的影響。“傳力性能”差，機構效率低下，甚至工作時會出現卡死現象，判斷機構“傳力性能”的主要參數是“壓力角”，它在機械設計過程中具有重要的指導意義，所以教育部2009年頒布的《中等職業學校機械基礎教學大綱》中對“壓力角”提出了具體的教學要求。

在教學過程中筆者發現平面連桿機構壓力角的教學，學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的介紹，不利于教師組織教學；二是部分學生對壓力角的概念理解不清，缺乏清晰的分析思路；三是部分學生因為物理、力學的基礎薄弱，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行梳理，并進行教學探索，認為平面連桿機構壓力角的教學可以采用以下策略。

一、巧解“定義”，找到、找準“壓力角”

平面連桿機構 “壓力角”的定義是，如果不計構件的質量和運動副中的摩擦，壓力角是機構從動件的受力方向與其運動方向之間所夾的銳角。筆者發現，如果教師照本宣科，學生通常出現以下問題：一是“難下手”，不知在機構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，尤其是運動方向的確定。

筆者在教學中用“一個中心，兩個基本點”的方法來引導學生正確求解“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。這樣把學生的注意力從背定義轉移到尋找具體的“點”和“方向”上來，讓學生有法可循。在教學過程中筆者常常用平面連桿機構的兩種工作狀態為例，做對比來講解壓力角。

在圖1中，當曲柄AB做主動件時，搖桿CD做從動件時，其壓力角應選擇在從動件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。

為了加深學生對定義的理解，應及時利用對比法要求學生思考：當搖桿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生了變化，所以壓力角的大小也發生變化。

同樣的機構，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區別的，通過這種比較可以促進學生對壓力角的理解。

二、巧用“分析”，深刻理解“壓力角”的影響

在教學過程中我們幫助學生總結壓力角的影響：壓力角越小，機構“傳力性能”越好，反之，機構“傳力性能”越差，效率越低。學生死記硬背，不能深刻理解，我們可以巧用“力的分解”進行分析，講清壓力角的影響，幫助學生進行理解。

教學時我們可以以曲柄搖桿機構為例，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，Fn=Fsinα，可發現，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，為了保證機構傳動良好，在機構設計時應限制其最大壓力角。

在教學過程中我們還要分析壓力角和機構的死點位置之間的關系，當以搖桿為主動件時，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，其驅動力矩為零，機構卡死，即處于死點位置，所以在機械設計過程中要加以避免或采用適當措施加以克服。這樣既加深了學生對壓力角的理解，又從另一個側面解釋了死點的位置。

三、巧舉“特例”，驗證、妙解“壓力角”的使用

筆者在教學過程中發現一些關于壓力角的“特例”，可以從不同的角度去看待壓力角，解釋在實際生產中如何利用好“壓力角”的影響。

1.壓力角α=0的應用

壓力角在機構運轉過程中大多數時候是變化的，但也有不變的特例。例如圖3中擺動導桿機構，在曲柄AB作“主動件”并順時針轉動時，從動件導桿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”是常用機構中最好的，所以在牛頭刨床、插床和回轉式油泵中得到廣泛應用。

2.壓力角α=90°的應用

平面連桿機構壓力角大，“傳力性能”差，在傳動機構設計中要加以克服，但在夾具、飛機起落架設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飛機起落架中的雙搖桿機構，當飛機輪放下時，連桿BC與從動搖桿CD共線，此時壓力角α=90°，而傳動角γ=0，地面對飛機輪的力不會使從動搖桿CD轉動，機構卡死，利用這個狀態可以使飛機可靠降落。

利用上述策略可以在教學過程中讓學生輕松掌握壓力角的相關知識。在專業課程的教學和學習過程中，只要做到“多思考、會比較、勤總結”，在吸取他人經驗的基礎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，學生一定能“學有所得”，從而愛上自己的專業，并初步養成專業意識，為將來進一步學習打下堅實的基礎。

參考文獻：

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[3]單冬敏.高職機械設計課程中壓力角教法探討[J].黃河水利職業技術學院學報，2005（1）.

（作者單位：江蘇省海安中等專業學校）