综合性、设计性《机械原理实验》探索

潘莉萍，万朝燕，宋春雨，熊兆江，刘林林

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

【课题项目】

综合性、设计性《机械原理实验》探索

潘莉萍，万朝燕，宋春雨，熊兆江，刘林林

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

为进一步提高《机械原理实验》的教学水平，探索并设计了一种综合性、设计性实验——机构组合设计与搭接实验。该实验为工科学生重要的技术基础课程《机械原理》的教学及首项课程设计《机械原理课程设计》服务。实验改变了以往机械原理实验多为演示性、验证性实验的局面，其训练内容涉及常用机构、组合机构设计与分析、机械系统方案设计等。实验在加深学生对机构运动特性、运动干涉等问题的理解，培养学生观察问题、发现问题的能力，培养学生发散思维和创新设计能力等方面具有一定的意义。

机构组合；机械原理；实验；机械系统

随着我国由“制造大国”向“制造强国”转变的历史性跨越，高校的实践教学愈加受到广泛的重视[1，2]。而对于培养目标为“培养具有社会责任感、基础扎实、知识面宽、富有创新精神与实践能力的应用型高级专门人才”和“以工为主，以轨道交通为特色”的大学来说，逐步将演示性、验证性实验改变为综合性、设计性实验，以强化对学生的机械综合设计能力、实践动手能力及工程意识、创新意识与创新能力的培养，更是迫在眉睫。

一、问题的提出

《机械原理》课程是工科机械类各专业的一门承上启下的重要技术基础课，在学生从理论学习到实际设计的转化过程中起到重要的桥梁作用。该课程的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。由此可见，实验教学在整个机械原理课程的教学体系中，具有十分重要的地位，除了能使学生巩固和加深对理论知识的认识与理解外，更是理论结合实际、提高学生的动手能力、启迪学生的创新思维的必要手段。以往传统的机械原理实验项目多为《机构运动简图测绘》、《渐开线齿廓范成原理》和《回转件的动平衡》等验证性实验。经过近几年的努力，实验室研发了《平面连杆机构设计实验》，为开创设计性实验探索了道路。为了进一步深入开展综合性、设计性实验的设计、开发与实践，课题组研发了此项机构组合设计与搭接实验。

二、实验的目的及任务

设计性、综合性实验——《机构组合设计实验》的训练内容涉及常用机构、组合机构设计与分析、机械系统方案设计等，该实验的目的为：

1.培养学生机构运动方案的构思与设计，提高其综合利用所学知识解决实际问题的能力和动手能力；

2.通过对实际工程问题的机构设计及搭接，加深学生对机构运动特性、运动干涉等问题的理解，培养学生观察问题、发现问题的能力；通过实验的多方案设计培养发散思维和创新设计能力；

3.培养学生协作能力及团队精神。此项实验的任务可根据学生理论知识掌握程度，自选或指定以下机构之一：内燃机机构；精压机机构；牛头刨床机构；齿轮—曲柄摇杆机构；齿轮—曲柄摆块机构；双滑块机构插床机构；筛料机构；凸轮—五杆机构；间歇运动组合机构等。

实验以学生为主，构思2～3个可行方案，比较各方案优缺点；对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图，进行实物搭接和试运转；在老师引导下学生发现所搭接机构的不足之处，并提出改进措施。

三、实验原理、方法与步骤

1.实验装置。实验选用湖南长庆机电科教有限公司生产制造的CQJP—D机构运动创新设计方案实验台为实验装置：

①实验台机架（如图1所示）：

图1 实验台机架

图2 实验台组件

②实验台组件：该试验台组件涵盖了机械原理课程中讲到的各种机构的典型构件：连杆和滑块、齿轮和齿条、凸轮、槽轮和拨盘等，如图2所示。另外还提供了用于连接、固定和锁紧等辅助功能的组件：复合铰链、主/从动轴、铰链支座、压紧螺栓、层面限位套、高副锁紧弹簧、齿条护板等。

2.实验原理。机构具有确定运动的条件是其原动件的数目等于其所具有的自由度的数目。因此，如将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分开来，则由其余构件构成的构件组必然为一个自由度为零的构件组。而这个自由度为零的构件组，有时还可以拆分成更简单的自由度为零的构件组，将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组（或阿苏尔杆组），简称为杆组[3]。由杆组定义，组成平面机构的基本杆组应满足条件：F=3n-2P1-Ph=0 式中：n为杆组中的构件数；P1为杆组中的低副数；Ph为杆组中的高副数。由于构件数和运动副数目均应为整数，故当n、P1、Ph取不同数值时，可得各类基本杆组。当Ph=0时，杆组中的运动副全部为低副，称为低副杆组。其F=3n-2P1=0，故n=2P1/3，故n应当是2的倍数，而P1应当是3的倍数，即n=2、4、6……，P1=3、6、9……。当n=2，P1=3时，基本杆组称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应用最多的基本杆组，绝大多数的机构均由Ⅱ级杆组组成。n=4，P1=6时的基本杆组称为Ⅲ级杆组。由上述分析可知，机构的组成原理为：任何平面机构都是由若干个基本杆组（阿苏尔杆组）依次联接到原动件和机架上而构成。此原理即为机构组合设计与搭接实验的基本原理。

3.实验的方法与步骤。①掌握平面机构组成原理；②熟悉实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；③确定设计机构的类型，构思2至3个可行方案，比较各方案优缺点；④对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图；⑤将优选方案正确拆分成基本杆组；⑥正确拼接各基本杆组，将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上，进行实物搭接和试运转；⑦按要求完成实验报告。

此项实验从培养学生机构运动方案的构思和动手实践能力出发，能够使学生受到三个层次的训练：①掌握实验的基本技能，验证所学的理论，加深对所学知识的理解；②课程学习与工程实际结合，初步具有进行新型机构创新设计的能力；③鼓励学生自己结合有生产背景的实际课题提出设计目标，进行原理方案设计，在锻炼动手实践能力的同时，加强学生发现问题、分析问题和解决问题能力的培养。

[1]王汝贵，蔡敢为.两自由度可控机构动态性能实验装置研制[J].实验室研究与探索，2012，31（12）：3-5，11.

[2]蔡书平，桂亮.机械运动学与动力学实验教学应用研究[J].高校实验室工作研究，2012，（4）：47-49.

[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006.

G642.0

A

1674-9324（2014）22-0175-02

2012年辽宁省教改立项项目（辽教发[2012] 130号），2013年大连交通大学教改立项项目，2011年大连交通大学实验技术研究与开发立项项目。