《機械設計》課程教學中的例題求解模式初探

【摘要】《機械設計》課程是機械類學生的一門重要技術基礎課程，在培養學生解決問題、分析問題和創新能力方面具有重要作用。教材中的例題是學生學習的范本，其求解模式的不同對學生的影響極為重要。本文針對設計問題的多方案提出及優選，以及校核計算中的意外應對和處理這兩個方面的問題進行了探討。

【關鍵詞】《機械設計》課程 例題 求解模式

【基金項目】重慶市高等教育教學改革研究基金項目（編號：153013），重慶大學機械基礎系列課程校級優質重點課程建設（項目號：0209001104610）。

【中圖分類號】TH122-4；G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）04-0022-02

《機械設計》是機械類學生的一門核心技術基礎課程，通過若干種常用機械零部件的設計方法、結構設計及機械傳動系統方案等內容的學習，旨在培養學生的綜合設計能力、工程實踐能力和創新能力。近幾年，在各高校老師的共同努力之下，《機械設計》課程教學均進行了大量的改革，取得了諸多豐碩的成果，促進了《機械設計》課程教學質量的提高。同時，也出版了多本《機械設計》教材，而且有些教材確實有一些亮點和創新，體現了當今該領域的較高水平。

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

就以上兩個關于《機械設計》課程的例題求解處理問題，近幾年，我們有意識地在課程教學中進行了改進和創新，取得了較好的效果，在此與大家進行交流，也請大家批評指正。

一、設計問題的多方案提出和選優

在現有教材的例題部分，一個實際問題的設計，通常情況是這樣的模式：運用該章節所介紹的設計方法和過程，一路設計下來，最后得到一個唯一確定的答案。例題這樣布局的問題是：學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求解方案，其中的一些參數取值就只能取例題中所示的數值大小。

然而，機械設計的實質是在滿足一定約束的前提下，力求達到規定的功能和性能要求的過程。因而，設計方案和設計參數理應有多種方案可供選擇。進而在多個可行方案中選取較優方案，而且這個較優方案一定是在某些約束條件下的最優。究竟選取哪個方案，還要根據應用時的具體情況進行具體分析。現舉例說明如下：

設計螺旋輸送機的雙級圓柱齒輪減速器中的高速級斜齒圓柱齒輪傳動。已知：輸入功率P1=15KW，轉速n1=970r/min，齒數比u=4，單向運轉，載荷平穩，每天工作16小時，預計壽命為5年，可靠性要求一般，軸的剛性較小，電動機驅動。

（1）可行方案

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

（2）方案選擇

接下來，應根據預定的設計目標，例如：體積最小或重量最輕或傳動最平穩或傳動效率最高或其中某幾項的綜合要求等，對上述可行方案進行技術經濟評價或憑設計者的經驗，確定出一種較好的方案。具體到本設計問題中：

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小）；

若要求傳動平穩，則可選用方案2（齒數較多，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小）。

可見，通過對設計問題進行多方案分析、比較，可較好地培養學生的獨立分析能力、綜合設計和創新能力。

二、校核計算中的“意外”應對和處理

在現有的教材例題中，凡是有工作能力需要校核計算的地方，其校核計算結果一般都是滿足要求的。于是乎，學生就慢慢形成了“凡是校核的地方都是通過的”這樣一種錯誤意識。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，既然要有校核這個計算步驟，就一定存在校核不通過的可能。關鍵是，我們在例題中要反映出這種可能，而且要教會學生在遇到這種情況下，我們該如何調整參數，使其達到設計要求。現舉例如下：

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

解：（1）選擇鍵連接的類型和尺寸

一般8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應選擇平鍵連接。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并參考鍵的長度系列，取鍵長L=90mm（比輪轂寬度小一些）。

（2）校核鍵連接的強度

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

由擠壓應力計算公式可得：

Mpa=149.7MPa>[σp]=100MPa

可見連接的擠壓強度不夠。考慮到相差較大，因此改用雙鍵，相隔180°布置。雙鍵的工作長度l=1.5×70mm（下轉81頁）（上接22頁）=105mm。

由擠壓應力計算公式可得：

σp=99.8MPa<[σp]=100MPa（合適）

可見，在校核計算中，確實會遇到校核計算不能通過的情況。

三、結論

機械設計問題一定是多元化的，一個參數的選取也一定是有多個可能的，這樣就會形成多個求解方案。作為設計者應該具有在多個可行設計方案中選取較優方案的能力。《機械設計》課程中例題求解模式如做到這樣的模式，對學生的能力培養無疑是大有裨益的。

參考文獻：

[1]鐘毅芳，吳昌林，唐增寶.《機械設計》武漢：華中理工大學出版社1999年.

[2]李良軍.《機械設計》北京：高等教育出版社2009年.

[3]李俊.應用認知規律，提升機械設計教學質量.機械設計教學研究2010.中國機械工程學會機械設計分會編機械工業出版社P303-304.

作者簡介：

李俊（1966-），男，副教授，工學博士，研究方向：計算機輔助設計。