摘""要:機(jī)械設(shè)計課程包含多種機(jī)械結(jié)構(gòu),若只是依靠以往的教學(xué)方式,往往很難使學(xué)生系統(tǒng)化掌握專業(yè)知識,而且機(jī)械設(shè)計課程所編寫的有關(guān)機(jī)械傳動內(nèi)容,大多是根據(jù)從工作原理、傳動結(jié)構(gòu)特性,到強(qiáng)度計算、教具應(yīng)用和維護(hù)的編寫順序,尤其是強(qiáng)度計算內(nèi)含大量復(fù)雜公式與參數(shù),還有各種表格與圖形,具有較大的學(xué)習(xí)難度。組合傳動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計,能夠系統(tǒng)巧妙地結(jié)合零散的機(jī)械設(shè)計教具,與機(jī)械設(shè)計課程理論、實踐學(xué)習(xí)要求相符合,而且可以將學(xué)生對機(jī)械設(shè)計課程學(xué)習(xí)的熱情全面激發(fā)出來,有助于提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)造力。
關(guān)鍵詞:傳動組合教具"機(jī)械設(shè)計課程"創(chuàng)新設(shè)計"實施效果
中圖分類號:TS951.7;TH122
Innovative"Design"of"Transmission"Combination"Teaching"Aids"for"the"Mechanical"Design"Course
WANG"Yinghui1""MA"Haibo2
(1.Guangdong"Innovative"Technical"College,"Dongguan,"Guangdong"Province,"523960"China;"2."Dongguan"Yida"Textile"Co.,"Ltd.,"Dongguan,"Guangdong"Province,"523400"China)
Abstract:"The"Mechanical"Design"course"includes"many"kinds"of"mechanical"structures,"and"if"it"only"depends"on"former"teaching"ways,"itnbsp;is"often"very"difficult"for"student"to"have"a"systematic"grasp"of"professional"knowledge."Moreover,"most"of"the"content"about"mechanical"transmission"written"in"the"Mechanical"Design"course"is"based"on"the"order"of"writing"from"operating"principles"and"transmission"structure"characteristics"to"strength"computation"and"the"application"and"maintenance"of"teaching"aids."In"particular,"strength"calculation"contains"a"large"number"of"complex"formulasnbsp;and"parameters,"as"well"as"a"variety"of"tables"and"graphics,"which"is"difficult"to"learn."The"innovative"design"of"the"combined"transmission"mechanism"can"systematically"and"skillfully"combine"with"scattered"mechanical"design"teaching"aids,"which"conforms"to"the"theoretical"and"practical"learning"requirements"of"the"Mechanical"Design"course,"can"fully"stimulate"students’"enthusiasm"for"learning"the"Mechanical"Design"course,"and"help"improve"their"mechanical"creativity.
Key"Words:"Transmission"combination"teaching"aid;"Mechanical"Design"course;"Innovative"design;"Implementation"effect
機(jī)械類專業(yè)課程中會應(yīng)用到《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》教材,此為機(jī)械類專業(yè)的重要構(gòu)成,也是一門必修課,它的教學(xué)目的是讓同學(xué)們對所使用的部件和機(jī)構(gòu)的理論知識有一個全面的認(rèn)識,并培養(yǎng)他們對機(jī)械設(shè)計基本知識進(jìn)行分析的能力。從而獲得相應(yīng)的技術(shù),訓(xùn)練學(xué)生的機(jī)械設(shè)計能力,進(jìn)而提高他們的工作素養(yǎng)[1]。然而,由于這門課涉及的力學(xué)構(gòu)造種類繁多,如果僅僅依賴于傳統(tǒng)的授課方法,常常難以讓學(xué)生對其進(jìn)行系統(tǒng)的理解,而且機(jī)械設(shè)計課程所編寫的有關(guān)機(jī)械傳動內(nèi)容,大多是根據(jù)從工作原理、傳動結(jié)構(gòu)特性,到強(qiáng)度計算、教具應(yīng)用和維護(hù)的編寫順序,尤其是強(qiáng)度計算內(nèi)含大量復(fù)雜公式與參數(shù),還有各種表格與圖形,具有較大的學(xué)習(xí)難度。實際生產(chǎn)中,機(jī)械傳動設(shè)計有著不同的要求,就算可以背記很多公式與數(shù)據(jù),仍舊難以靈活應(yīng)用。因此,在機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)中,必須要為本課程開發(fā)一種新穎的專業(yè)傳輸組合教具,本文主要對該傳動組合教具展開系統(tǒng)化分析:
1"機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀
機(jī)械設(shè)計課程是機(jī)械類專業(yè)的重要課程之一,旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計的基本理論和實踐技能。目前,機(jī)械設(shè)計課程的教學(xué)現(xiàn)狀存在一些問題,具體包括以下幾方面:
教學(xué)內(nèi)容相對過時、不適應(yīng)市場需求。由于工業(yè)發(fā)展和技術(shù)的更新,機(jī)械設(shè)計專業(yè)的課程設(shè)置日益繁重,且含金量也越來越高。但是目前國內(nèi)機(jī)械設(shè)計專業(yè)的課程設(shè)置因大學(xué)的傳統(tǒng)習(xí)慣約束較深,不能及時地更新和調(diào)整,導(dǎo)致部分教學(xué)內(nèi)容相對過時、不適應(yīng)市場需求。
教學(xué)方式單一,缺乏實踐操作。許多機(jī)械設(shè)計專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容多以理論知識為主,很少注重實踐操作。學(xué)生往往不能直接將所學(xué)知識應(yīng)用于實際項目上。而且,機(jī)械設(shè)計專業(yè)的案例教學(xué)也難以在課堂上進(jìn)行深入的講解,而只能略有帶過。
學(xué)生素質(zhì)下降,現(xiàn)有教學(xué)手段較難實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。隨著各校爭奪生源而來的是學(xué)生生源質(zhì)量普遍下降,具體表現(xiàn)在:學(xué)習(xí)積極性不高,該掌握的基礎(chǔ)知識沒有掌握;學(xué)習(xí)沒有明確的目標(biāo),對職業(yè)人生沒有規(guī)劃;對就業(yè)和職業(yè)缺乏正確的認(rèn)識;沒有良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣,缺乏嚴(yán)謹(jǐn)求實的學(xué)風(fēng),對知識和技能的重要性認(rèn)識不夠。
2傳動組合教具創(chuàng)新設(shè)計背景
實踐研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)代學(xué)生在機(jī)械設(shè)計課程學(xué)習(xí)中存在一些問題:(1)課程機(jī)構(gòu)比較多,在剛開始的時候,學(xué)生們往往會產(chǎn)生一些概念上的混亂;(2)在實際教學(xué)中,教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)造性并不充分,特別是原有的資料設(shè)計,難以使學(xué)員對所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行真實的把握;(3)教學(xué)輔助工具的使用方式比較簡單,沒有形成系統(tǒng)的組織機(jī)制。在課堂上,老師們會發(fā)覺以前的課堂不能激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和積極性。因此,我們建議采用"CDIO的教學(xué)方式,在教學(xué)過程中,讓學(xué)生進(jìn)行"C"(構(gòu)思),"D"(設(shè)計),"I"(實現(xiàn)),"O"(操作)的教學(xué)培訓(xùn),在對機(jī)械設(shè)計課程的研究過程中,需要對齒輪傳動、槽輪傳動、四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入的掌握。如凸輪、復(fù)合等基本的機(jī)器構(gòu)造原則與使用場合。
由于目前大多數(shù)的機(jī)械設(shè)計教材都是以單一的機(jī)構(gòu)為主,許多的教學(xué)設(shè)備都只是進(jìn)行了簡單的拆卸和拆卸,這使得它們難以融入到學(xué)生的創(chuàng)造性思維當(dāng)中,從而不能有效地對學(xué)生進(jìn)行拓展訓(xùn)練。由于有些傳輸教具不適合實際的教學(xué)要求,因此,在"CDIO教學(xué)方式下,為了提高學(xué)生的動手和創(chuàng)造能力,我們自行開發(fā)了基于"CDIO的傳輸結(jié)合教具;這種創(chuàng)新的設(shè)計,是在老師的教育經(jīng)歷和學(xué)生調(diào)查報告的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。它可以在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)中使用,同時,老師和同學(xué)們也可以按照自己的選擇來拓展這種傳輸組合教具的使用能力,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在娛樂中即可掌握機(jī)械設(shè)計課程的知識與技能。圖1為機(jī)械設(shè)計課程創(chuàng)新設(shè)計傳動組合教具[3]。
3"傳動組合教具創(chuàng)新設(shè)計思路
機(jī)械設(shè)計課程中的傳動組合教具是一個用于展示和說明傳動組合原理的教學(xué)工具。這個教具可以幫助學(xué)生更好地理解機(jī)械系統(tǒng)中的各種傳動組合,包括齒輪傳動、鏈輪傳動、皮帶傳動等。通過觀察和操作這些傳動組合,學(xué)生可以更深入地理解它們的工作原理和特點(diǎn),從而更好地應(yīng)用這些知識。此外,機(jī)械設(shè)計課程中的傳動組合教具還可以促進(jìn)理論聯(lián)系實際的教學(xué)方法,使學(xué)生能夠更加直觀地理解機(jī)械設(shè)計的基本原理和實際應(yīng)用。這種教學(xué)方法可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性,提高他們的實踐能力和創(chuàng)新思維。機(jī)械設(shè)計課程傳動創(chuàng)新組合教具設(shè)計的主要目的在于,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性,通過游戲?qū)嶒瀸嵤C(jī)械設(shè)計課程教學(xué)。此次設(shè)計的傳動組合教具具有組合拼裝功能,通過不同的機(jī)構(gòu)組合,設(shè)計各個尺寸的構(gòu)件,達(dá)到不同的傳遞效應(yīng),滿足了機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)理念、設(shè)計、實施和操作的需要。所使用的教具可以為學(xué)生進(jìn)行拓展和常規(guī)性實驗,并在此基礎(chǔ)上不斷地進(jìn)行改進(jìn)和更新,體現(xiàn)出"CDIO模式的創(chuàng)新性和靈活性。
4.1常見機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計
4.1.1木偶上下運(yùn)動
關(guān)于木偶上下運(yùn)動的教具主要以凸輪機(jī)構(gòu)作為支撐,借助凸輪運(yùn)動搭建,根據(jù)推桿的接觸和凸輪的外形,可以畫出推桿的抬起路徑,見下圖2。襯套將心軸凸輪固定在其中,由于該凸輪呈盤形,并且其向徑將不斷地改變;這樣,在凸輪旋轉(zhuǎn)的時候,就可以實現(xiàn)木偶的上下移動。
4.1.2剪刀剪切運(yùn)動
所設(shè)計傳動組合教具基于連桿機(jī)構(gòu)理論,借助剪刀剪力運(yùn)動搭建教具,確保學(xué)生對傳動組合教具的應(yīng)用有一個正確認(rèn)識、理解和掌握,可以實現(xiàn)對各種長短桿的多連桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)。該教具可以通過圓盤的旋轉(zhuǎn)功能來驅(qū)動剪的剪切運(yùn)動,其主要的移動方式是:螺絲將剪刀片和曲柄等部件連接起來,當(dāng)驅(qū)動構(gòu)件曲柄做圓周運(yùn)動時,剪刀片根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的原理進(jìn)行橫向剪切[4]。
4.1.3錘子間歇擺動運(yùn)動
錘子間斷搖擺教學(xué)器具支持的理論,以間斷機(jī)制為主,采用錘子擊打木偶的動作來建立,保證學(xué)生了解并把握間斷機(jī)構(gòu)的實用運(yùn)用原則。可以通過鏈板長度或斷續(xù)式機(jī)械,緊密觀測錘頭是否到位。主軸與中間軸的齒輪互相配合,完成中間軸的轉(zhuǎn)動,并對中間軸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生動力。所述轉(zhuǎn)輪通過安裝在一側(cè)的錘子聯(lián)接杠桿,使錘子能夠上下?lián)u擺。
4.2傳動組合教具的娛樂性設(shè)計
在理解并掌握了機(jī)械設(shè)計課程中的一些常用的機(jī)構(gòu)知識之后,就必須按照老師的規(guī)定或者是由同學(xué)們自己的選擇來進(jìn)行創(chuàng)新教育,在傳動組合教具設(shè)計過程中,需要在教學(xué)環(huán)節(jié)融合娛樂性,以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,實現(xiàn)教學(xué)互動性的提升。
4.2.1木偶穿梭于剪刀間
此機(jī)構(gòu)運(yùn)行應(yīng)滿足的功能在于,閉合剪刀后,木偶會自動降低,且遠(yuǎn)離剪刀。而在剪刀張開的情況下,木偶會再次升高,且處于剪刀剪切范圍。剪刀在該過程中不會剪到木偶,具體見圖3。可依照設(shè)定需要,借助不同長短桿件組合,進(jìn)行各類運(yùn)動形態(tài)的搭建。具體運(yùn)動過程為:通過手輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)動,從而對轉(zhuǎn)動的主軸產(chǎn)生驅(qū)動效果,利用兩個支承盤,將其維持在一個水平的位置;該機(jī)構(gòu)在錠子的前方設(shè)置了一個凸輪,該凸輪與錠子之間的耦合,從而保證了錠子的旋轉(zhuǎn)與凸輪的轉(zhuǎn)動保持一致。在所述凸輪的上面,一般有一個圓筒狀的桿,它會隨所述的凸輪轉(zhuǎn)動而不斷地移動。另外,在心軸的前部裝有一個傘齒輪,它與圓錐齒輪通過螺絲相連,而傘齒輪則互相嚙合;為了完成旋轉(zhuǎn)的目的,對磁盤進(jìn)行驅(qū)動,四桿聯(lián)動桿安裝在磁盤上。當(dāng)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,會引起圓筒進(jìn)行上下運(yùn)動,而四連桿機(jī)構(gòu)則是進(jìn)行了剪剪運(yùn)動,經(jīng)過相應(yīng)的計算和設(shè)計,確保了四連桿機(jī)構(gòu)在剪切的時候,不會將木偶剪斷。
4.2.2錘子間歇捶打木偶
在機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)中,當(dāng)錘子朝下擺時,將使三角板移動到最低位置,這時,手偶會下落。當(dāng)錘子往上甩的時候,它的頂點(diǎn)是在頂點(diǎn),這時,人就會被抬起來。保證錘子在晃動時不會傷著人偶。可以根據(jù)設(shè)置的需要,通過間歇機(jī)構(gòu)的間歇周期,各個間歇機(jī)構(gòu)的結(jié)合,來建立是否可以捶打傀儡所呈現(xiàn)的動作狀況。其基本原理是:主、次軸互相配合,以實現(xiàn)次軸的轉(zhuǎn)動,并對次軸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生驅(qū)動效應(yīng)。該輪盤通過一根與側(cè)面相接觸的錘子聯(lián)接杠桿,使錘子能夠進(jìn)行上下?lián)u擺,其中,該旋轉(zhuǎn)圓盤作為一種可移動部件,當(dāng)該旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,由于受到錘子自身的作用,該圓盤也會旋轉(zhuǎn);錘子向左傾斜,當(dāng)圓形的鋁塊撞擊錘子的時候,錘子就會進(jìn)行間歇性的抬起。
4.2.3槽輪永不停轉(zhuǎn)
這種傳動組合教具的機(jī)械運(yùn)動要達(dá)到的作用是,通過主軸的旋轉(zhuǎn),使有槽的齒輪進(jìn)行連續(xù)的移動。分針旋轉(zhuǎn)了六圈,指針也跟著旋轉(zhuǎn)了一圈,每一圈都有一圈。這就是為什么有凹槽的輪子永遠(yuǎn)不會停止轉(zhuǎn)動。其實現(xiàn)步驟是:通過驅(qū)動齒輪的驅(qū)動來實現(xiàn)驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn),通過驅(qū)動齒輪的撥針來實現(xiàn)驅(qū)動齒輪的間歇擺動;確保傳動帶6圈時,從動帶1圈。傳動皮帶輪與錠子通過銷釘相互聯(lián)接,以實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。而驅(qū)動滑輪則通過正時帶來驅(qū)動被驅(qū)動滑輪的旋轉(zhuǎn),并且在被驅(qū)動輪上安裝有分針,以確保分針的運(yùn)行與驅(qū)動滑輪的運(yùn)行相協(xié)調(diào)[5]。從動槽輪借助軸與時針相連接,由此時針運(yùn)動就能夠和東槽輪保持一致。從以上分析可知,借助一定數(shù)據(jù)設(shè)計,就能達(dá)到分針轉(zhuǎn)動六轉(zhuǎn)而時針轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)的目的,這就是槽輪永不停轉(zhuǎn)的原理。
5"傳動組合教具創(chuàng)新設(shè)計特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)
5.1傳動組合教具創(chuàng)新設(shè)計特點(diǎn)
將"CDIO的教學(xué)方式運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計課程的教學(xué)中,使用的大部分都是關(guān)于設(shè)計工程力學(xué)和機(jī)械設(shè)計等方面的知識。為了達(dá)到各個函數(shù)的轉(zhuǎn)化目的,可以利用各種長度的不同的部件。保證機(jī)制正常運(yùn)作,并能以機(jī)器動作來進(jìn)行示范。本發(fā)明的傳遞式復(fù)合教學(xué)器具有以下幾個方面的特色:(1)選用多種構(gòu)造,可以構(gòu)造出各種形狀的機(jī)械裝置,并能向?qū)W生進(jìn)行可視化展示。(2)同樣的機(jī)制可以實現(xiàn)各種形態(tài)的設(shè)計,例如:剪刀完全剪到桿身,剪刀正好剪到桿身,剪刀根本就不能剪到桿身;本發(fā)明的剪子恰好不能剪斷棒身,達(dá)到了擴(kuò)展練習(xí)的目的。(3)"傳輸結(jié)合的教材選用純粹的力學(xué)設(shè)計,實行桌上型教材的教學(xué)方式十分有益。(4)"為使學(xué)生能更好地了解機(jī)器的內(nèi)在活動,選用了一種透明的"PMMA制作支架。(5)將各種機(jī)制集合在一臺教學(xué)設(shè)備上,節(jié)省了傳輸設(shè)備的費(fèi)用;(6)傳動組合教具選擇標(biāo)準(zhǔn)模塊組成,從而為后續(xù)擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)[6]。
5.2傳動組合教具創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)
在機(jī)械設(shè)計過程中,傳動組合機(jī)構(gòu)包含了齒輪傳動機(jī)構(gòu)和滑輪機(jī)構(gòu)等,這些設(shè)備都是以主動輪為中心的,然后通過正時帶傳動的作用來帶動無源車輪。在皮帶的傳輸過程中,齒輪的速度比非常準(zhǔn)確,不會給主軸造成太大的壓力,而且它的結(jié)構(gòu)更加完美;具有較好的抗老化和抗磨損性能。而要獲得最好的傳輸速率,就必須選用大、小皮帶輪的聯(lián)合驅(qū)動,這樣才能獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。皮帶的中間距離是至關(guān)重要的,如果中間距離過小時,張緊力就會不夠,同時摩擦也會不夠;在這種情況下,齒輪很容易發(fā)生滑動,容易造成齒輪的磨損,從而導(dǎo)致齒輪的負(fù)載程度下降,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致齒輪不能運(yùn)轉(zhuǎn)。但是,如果間距太大,將使皮帶的拉力增大,從而引起皮帶的形變,從而降低皮帶的使用壽命。所以,需要建立合適的皮帶中心,現(xiàn)在一般都是用張緊輪來調(diào)整中心距離。教學(xué)工具通常都是用來簡單機(jī)械的,因此很少使用張緊輪,但采用定點(diǎn)定位法來調(diào)整中心距離。在齒輪傳動和傳動過程中,傳動裝置的驅(qū)動輪和傳動裝置的無源齒輪均為共軸齒輪,驅(qū)動傳動無源輪即可完成傳動裝置的傳動。該裝置的傳動較為平穩(wěn),精度高,而且其構(gòu)造較為完備,運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高,壽命更長。在傳動結(jié)合教學(xué)工具的設(shè)計過程中,通常都會使用圓錐嚙合傳動、直齒嚙合傳動和斜齒嚙合傳動。如果能科學(xué)合理地使用它,就能減少機(jī)器之間的相互干擾,對機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常有益。
6"創(chuàng)新型傳動組合教具實施效果
機(jī)械設(shè)計課程采用CDIO教學(xué)模式,在創(chuàng)新性設(shè)計傳動組合教具時,主要是以CDIO教育教學(xué)改革現(xiàn)狀為基礎(chǔ),是在各個高校創(chuàng)新社團(tuán)、高校生、指導(dǎo)教師共同研制產(chǎn)生,所設(shè)計的大量傳動組合教具也先后獲得國家機(jī)械設(shè)計大賽獎項,例如:浙江省某大學(xué)所設(shè)計的傳動組合教具,榮獲了浙江第十一屆高校機(jī)械設(shè)計競賽二等獎,同時還榮獲浙江新苗人才培養(yǎng)計劃項目立項,所設(shè)計的傳動組合教具在機(jī)械設(shè)計課程中得到試用,并選擇理論教學(xué)+傳統(tǒng)教具的教學(xué)模式,通過教具實驗和傳統(tǒng)認(rèn)知等實施教學(xué),實踐發(fā)現(xiàn),該教學(xué)模式大大提升了高校生的學(xué)習(xí)主動性,同時也提升了學(xué)生的機(jī)械設(shè)計應(yīng)用能力,學(xué)生具有較高的傳動組合教具接受度,大大提升了其學(xué)習(xí)主動性,授課教師對傳動組合教具也具有較高認(rèn)可度,對學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍與專業(yè)綜合素質(zhì)都具有提升作用。
7"結(jié)語
機(jī)械設(shè)計課程中的傳動組合教具是一個非常有用的教學(xué)工具,它可以幫助學(xué)生更好地理解機(jī)械設(shè)計的基本原理和實際應(yīng)用,提高他們的實踐能力和創(chuàng)新思維。本組合傳動設(shè)備是一種新穎的復(fù)合驅(qū)動裝置,將原有分散的教學(xué)工具有機(jī)地融合在一起,如:堯行星齒輪的帶輪結(jié)構(gòu);這種結(jié)合傳動教學(xué)工具的系統(tǒng)化更加優(yōu)化和完善,它的功能也更加的完善,它既滿足了機(jī)械設(shè)計課程的理論和實際學(xué)習(xí)要求,又能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計課程的積極性,有助于提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)造力,同時也有助于機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)效率的提升。
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