田紅亮　戚江艷　田戚可人

摘要：機械設計的性質(zhì)是以一般通用零件的設計為核心的專業(yè)課程。其全部教學環(huán)節(jié)的主要任務是培養(yǎng)學生有正確的設計思想并勇于創(chuàng)新探索。從機械設計的教學內(nèi)容、教學方法和習題課三個方面，論述了機械設計的教學特點。

關鍵詞：機械設計；卓越工程師；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）32-0110-02

傳統(tǒng)教學模式中課程之間的關系是線性的，能力的培養(yǎng)與目標要求對比不連續(xù)，階段性比較突出，講究知識體系的完備，側(cè)重培養(yǎng)分析能力[1]。其中作為機械專業(yè)的一門精品課程“機械設計”對學生專業(yè)知識學習的系統(tǒng)性和科學性有重要影響。近日，教育部公布卓越工程師教育培養(yǎng)計劃第三批學科專業(yè)名單，三峽大學土木工程、材料成型及控制工程、計算機科學與技術、生物工程四個專業(yè)名列其中。截至目前，三峽大學共有國家級特色專業(yè)5個（機械設計制造及其自動化、電氣工程及其自動化、水利水電工程、醫(yī)學影像學、工程管理）、卓越計劃專業(yè)7個（機械設計制造及其自動化、電氣工程及其自動化、水利水電工程、材料成型及控制工程、計算機科學與技術、土木工程、生物工程）、國家級實驗教學示范中心1個（物理實驗教學示范中心）、省拔尖計劃專業(yè)1個、省產(chǎn)業(yè)計劃專業(yè)5個。這些專業(yè)的獲批，對于推動三峽大學教育教學改革起到重要作用。本文以精品課程“機械設計”為研究對象，依托機械設計制造及其自動化所屬的卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，對機械設計教學方法進行了研究。

一、機械設計的教學內(nèi)容

機械設計是研究產(chǎn)品設計規(guī)律、設計程序及設計中思維和工作方法的一門綜合性學科[2]。機械設計能夠加強學生素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)，是高等院校機械類專業(yè)碩士研究生的首選考試科目之一。機械設計是專業(yè)課的重中之重。

1.總論部分，包括機器及零件設計的基本原則、設計計算理論、材料選擇、結(jié)構(gòu)要求，以及摩擦、磨損、潤滑等方面的基本知識[3]。摩擦學是有關摩擦、磨損與潤滑科學的總稱。當摩擦力較小時，切向應變能密度小于法向應變能密度時，此摩擦力為靜摩擦力，兩摩擦表面無相對運動。隨著摩擦力的加大，若切向應變能密度大于法向應變能密度時，兩摩擦表面有相對滑動，該摩擦力為最大靜摩擦力。當然，摩擦在機械中也并非總是有害的，如帶傳動、汽車及拖拉機的制動器等正是靠摩擦來工作的，這時還要進行增摩技術的研究。零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬于強度不足。零件在工作時所產(chǎn)生的彈性變形不超過允許的限度，就叫做滿足了剛度要求。兩零件的表面接觸剛度指因兩零件接觸表面上的微凸體，在外力的作用下發(fā)生變形所引起的兩零件相對位置改變的程度。微凸體法向接觸剛度等于微凸體法向彈性接觸載荷對微凸體頂端變形量的一階導函數(shù)。微凸體切向接觸剛度等于微凸體切向彈性接觸載荷對微凸體頂端切向變形量的一階導函數(shù)。有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時間后，卻可能由于某種（或某些）原因而失效。這個零件正常工作延續(xù)的時間就叫做零件的壽命。

2.連接部分。因為螺栓被連接件剛度的準確獲得有助于精確預報預緊力的形成及衰退規(guī)律，進而指導螺栓聯(lián)接工藝的優(yōu)化。被連接件的壓強分布能夠簡化為空心圓柱體、圓錐體、球體等形狀。國內(nèi)外已有的大量實驗證明，接觸剛度隨著接觸載荷的改變而變化，與接觸狀態(tài)緊密聯(lián)系，同時摩擦表面微觀幾何學形貌、兩接觸材料皆影響接觸剛度，使接觸剛度呈現(xiàn)出明顯的非線性特點。

3.傳動部分，包括螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及摩擦輪傳動等。齒輪接觸強度是齒輪設計中的一個主要設計參數(shù)，其大小直接關系到齒輪的承受載荷能力與運行壽命。因為赫茲彈性接觸理論不能運用于相同曲率半徑內(nèi)接觸時的接觸壓強，有限元方法相對比較煩瑣，但根據(jù)分形接觸理論可以計算齒輪接觸壓強。表面粗糙度對齒輪接觸強度的影響并非一種簡單的線性關系，不能單純地減小表面的粗糙度，達到提高齒輪接觸壓強的目的。要按照齒輪的實際外加力，獲得表面粗糙度的某個最佳值，能夠顯著地減小齒輪的加工成本。齒面的加工誤差與熱處理變形會引起齒輪出現(xiàn)沖擊、振動及噪聲。分形參數(shù)中的分形維數(shù)與分形粗糙度具有尺度獨立性，可以表現(xiàn)結(jié)合面的內(nèi)稟特點。

4.軸系部分，包括滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器與離合器以及軸等。軸瓦是滑動軸承中的重要零件，它的結(jié)構(gòu)設計是否合理對軸承性能影響很大。有時為了節(jié)省貴重合金材料或者由于結(jié)構(gòu)上的需要，常在軸瓦的內(nèi)表面上澆鑄或軋制一層軸承合金，稱為軸承襯。常見的背襯有H62黃銅帶，表示平均含銅量為62%的普通黃銅帶，其中H表示漢字“黃”的拼音字母的第一個字母，62表示銅元素的平均含量。在普通黃銅的基礎上加入其他元素的銅合金稱為特殊黃銅，仍以“H”表示，后面會跟其他添加元素的化學符號和平均成份，如H62為含銅量60.5%～63.5%，余量為鋅含量。背襯可以是金屬，一般為黃銅，也可以是塑料。應用在船舶上的水潤滑橡膠艉管軸承一般有套筒式與板條式兩種。自從1840年水潤滑橡膠軸承用于船舶艉管軸承以來，已經(jīng)有170多年的歷史。只承受扭矩而不承受彎矩（或彎矩很?。┑妮S稱為傳動軸。為與傳統(tǒng)的滑動和滾動相區(qū)別，微動是指在機械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環(huán)等交變載荷作用下，兩接觸表面間發(fā)生的振幅極小的相對運動（位移幅度一般為微米量級），這些接觸表面通常名義上是靜止的，即微動發(fā)生在看似“緊固”配合的機械部件中。

5.其他部分，包括彈簧、機座和箱體、減速器和變速器等?；謴托允悄苁刮矬w位置恢復到平衡狀態(tài)的特性，是貯存勢能的元素，典型的恢復性元件是彈簧。系統(tǒng)勢能是重力勢能與彈簧的彈性變形的勢能之和。當恢復力與位移成正比時，其比例常數(shù)稱為彈簧常數(shù)或彈簧的剛度系數(shù)，單位為N/m。彈簧是組成振動系統(tǒng)最基本的元件，是不可或缺的，否則就不會發(fā)生振動。機座和箱體等零件在機床中占總質(zhì)量的70%～90%。

二、機械設計的教學方法

機械設計是綜合性要求很高的一門專業(yè)課，課程要求預備知識多且廣。如何在機械設計中既突出重點方法，又能讓學生將學會的機械設計方法融會貫通，并能自學其他設計方法，是本課程的重點與難點。使用知識單元化、富媒體化及學習行為管理，實現(xiàn)課堂教學工具，使傳統(tǒng)教學方式的“課堂上聽講，課堂下答疑”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢n堂上討論，線上學習”。應規(guī)劃機械設計的內(nèi)容，以知識單元為主題，錄制成微課。融會現(xiàn)存資源，將理論教學與實踐案例以多媒體形式呈現(xiàn)，建立和諧融洽的師生關系，點燃學生的學習興趣，興趣是學生最好的教師，努力提高學生的學習興趣顯得非常重要。研究教學大綱，分析與機械設計相關及機械設計先修課程的教學情況，與相關學科的授課團隊合作，形成立體化的課程管理庫，夯實專業(yè)基礎。

三、機械設計的習題課

習題的選取要具有典型性與針對性[4]，習題數(shù)量要少，質(zhì)量要保證好，但是解題的要求一定要高[5，6]。例如機械現(xiàn)代設計方法發(fā)展很快，目前較易見到的有分形設計（fractal design）。在一個世紀以前，相繼出現(xiàn)了一些被稱之為“數(shù)學怪物”（Mathematical monsters）的東西，人們無法用傳統(tǒng)的Euclid幾何語言去描述它們的局部和整體性質(zhì)[7]。經(jīng)典的數(shù)學怪物為馮·科克的分形曲線。按照分形接觸理論，可以計算機械結(jié)合部的法向接觸剛度、切向接觸剛度、靜摩擦系數(shù)、法向接觸阻尼、切向接觸阻尼、損耗因子、彈性模量、切變模量、泊松比的解析解。

傳統(tǒng)觀念得出結(jié)論，連續(xù)函數(shù)的不可導的點集合在某種意義上理應非常小，例如測量度為0。早期的數(shù)學家包括高斯都認為這是對的，一些書籍甚至把此看法當作定理，并寫了證明（現(xiàn)在看來，顯然是不嚴格的，比如說他們可能只考慮了初等函數(shù)）。為了說明直覺的不可靠，1842年提出了一致收斂概念的德國數(shù)學家Weierstrass于1872年7月18日在柏林科學院的一次演講中，構(gòu)造了一個連續(xù)函數(shù)卻處處不可微的例子，由此最終結(jié)束了想要證明最一般形式的連續(xù)函數(shù)的可微性的企圖，轟動了整個數(shù)學界！這個例子推動了人們?nèi)?gòu)造更多的函數(shù)，這樣的函數(shù)在一個區(qū)間上連續(xù)或處處連續(xù)，但在一個稠密集或在任何點上都不可微，從而推動了函數(shù)論的發(fā)展。大數(shù)學家Weierstrass于1872年設計了如下一個函數(shù)：

式中，0

參考文獻：

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[5]張學紅.淺談小學生數(shù)學學習習慣的培養(yǎng)[J].教育教學論壇，2015，（4）：249-250.

[6]田紅亮，戚江艷.對三峽大學科技學院畢業(yè)生林某在某衛(wèi)視節(jié)目中回答雞兔同籠的分析[J].金田，2014，312（01）：470-471.

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