《机械设计》课程教学中的例题求解模式初探

【摘要】《机械设计》课程是机械类学生的一门重要技术基础课程，在培养学生解决问题、分析问题和创新能力方面具有重要作用。教材中的例题是学生学习的范本，其求解模式的不同对学生的影响极为重要。本文针对设计问题的多方案提出及优选，以及校核计算中的意外应对和处理这两个方面的问题进行了探讨。

【关键词】《机械设计》课程 例题 求解模式

【基金项目】重庆市高等教育教学改革研究基金项目（编号：153013），重庆大学机械基础系列课程校级优质重点课程建设（项目号：0209001104610）。

【中图分类号】TH122-4；G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）04-0022-02

《机械设计》是机械类学生的一门核心技术基础课程，通过若干种常用机械零部件的设计方法、结构设计及机械传动系统方案等内容的学习，旨在培养学生的综合设计能力、工程实践能力和创新能力。近几年，在各高校老师的共同努力之下，《机械设计》课程教学均进行了大量的改革，取得了诸多丰硕的成果，促进了《机械设计》课程教学质量的提高。同时，也出版了多本《机械设计》教材，而且有些教材确实有一些亮点和创新，体现了当今该领域的较高水平。

然而，在这些教材中，《机械设计》中的例题部分的处理，均存在这样一些共性问题：一是问题的求解结果单一化，未能真正反映在实际设计工作中，是在多个可选方案中按照不同的约束条件选取较优；二是凡是需要工作能力校核计算的地方，其校核结果均是符合要求的，而实际情况也通常不是如此，乃至当学生自己求解时，遇到校核不能通过时感到惊讶。

就以上两个关于《机械设计》课程的例题求解处理问题，近几年，我们有意识地在课程教学中进行了改进和创新，取得了较好的效果，在此与大家进行交流，也请大家批评指正。

一、设计问题的多方案提出和选优

在现有教材的例题部分，一个实际问题的设计，通常情况是这样的模式：运用该章节所介绍的设计方法和过程，一路设计下来，最后得到一个唯一确定的答案。例题这样布局的问题是：学生就误以为该问题就只能这样处理，该问题就只有这样一个求解方案，其中的一些参数取值就只能取例题中所示的数值大小。

然而，机械设计的实质是在满足一定约束的前提下，力求达到规定的功能和性能要求的过程。因而，设计方案和设计参数理应有多种方案可供选择。进而在多个可行方案中选取较优方案，而且这个较优方案一定是在某些约束条件下的最优。究竟选取哪个方案，还要根据应用时的具体情况进行具体分析。现举例说明如下：

设计螺旋输送机的双级圆柱齿轮减速器中的高速级斜齿圆柱齿轮传动。已知：输入功率P1=15KW，转速n1=970r/min，齿数比u=4，单向运转，载荷平稳，每天工作16小时，预计寿命为5年，可靠性要求一般，轴的刚性较小，电动机驱动。

（1）可行方案

通过计算所得到的一组基本参数和尺寸，能满足设计要求和约束条件，是一个可行方案，但不是唯一的方案，也不一定是最好的方案。适當改变参数（如改变z1、β等）或材料、热处理方式，经同样计算，还可得到多种可行的方案，具体计算过程在此省略，其计算结果表1所示：

（2）方案选择

接下来，应根据预定的设计目标，例如：体积最小或重量最轻或传动最平稳或传动效率最高或其中某几项的综合要求等，对上述可行方案进行技术经济评价或凭设计者的经验，确定出一种较好的方案。具体到本设计问题中：

若考虑体积最小或重量最轻，则可选用方案4（分度圆直径和齿宽最小）；

若要求传动平稳，则可选用方案2（齿数较多，重合度较大）；

若要求成本较低，体积较小，则可选用方案3（材料成本低，分度圆直径和齿宽较小）。

可见，通过对设计问题进行多方案分析、比较，可较好地培养学生的独立分析能力、综合设计和创新能力。

二、校核计算中的“意外”应对和处理

在现有的教材例题中，凡是有工作能力需要校核计算的地方，其校核计算结果一般都是满足要求的。于是乎，学生就慢慢形成了“凡是校核的地方都是通过的”这样一种错误意识。乃至于真正在遇到校核不能通过的情况下，反而感到束手无策，不知怎么办才好。其实，既然要有校核这个计算步骤，就一定存在校核不通过的可能。关键是，我们在例题中要反映出这种可能，而且要教会学生在遇到这种情况下，我们该如何调整参数，使其达到设计要求。现举例如下：

某减速器中有一直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点之间，齿轮和轴的材料均为锻钢，用键构成静连接。齿轮的精度为7级，装齿轮处的轴径d=70mm，齿轮轮毂宽度为100mm，需传递转矩T=2200N.m，载荷有轻微冲击。试设计此键连接。

解：（1）选择键连接的类型和尺寸

一般8级以上精度的齿轮有定心精度要求，应选择平键连接。由于齿轮不再轴端，故选用圆头普通平键。

根据d=70mm从平键尺寸表中查得键的截面尺寸为：宽度b=20mm，高度h=12mm。由轮毂宽度100mm并参考键的长度系列，取键长L=90mm（比轮毂宽度小一些）。

（2）校核键连接的强度

键、轴和轮毂的材料都是钢，由表可查得许用挤压应力[σp]=100-120MPa，取其平均值[σp]=100MPa，键的工作长度l=L-b=90-20=70mm，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=6mm。

由挤压应力计算公式可得：

Mpa=149.7MPa>[σp]=100MPa

可见连接的挤压强度不够。考虑到相差较大，因此改用双键，相隔180°布置。双键的工作长度l=1.5×70mm（下转81页）（上接22页）=105mm。

由挤压应力计算公式可得：

σp=99.8MPa<[σp]=100MPa（合适）

可见，在校核计算中，确实会遇到校核计算不能通过的情况。

三、结论

机械设计问题一定是多元化的，一个参数的选取也一定是有多个可能的，这样就会形成多个求解方案。作为设计者应该具有在多个可行设计方案中选取较优方案的能力。《机械设计》课程中例题求解模式如做到这样的模式，对学生的能力培养无疑是大有裨益的。

参考文献：

[1]钟毅芳，吴昌林，唐增宝.《机械设计》武汉：华中理工大学出版社1999年.

[2]李良军.《机械设计》北京：高等教育出版社2009年.

[3]李俊.应用认知规律，提升机械设计教学质量.机械设计教学研究2010.中国机械工程学会机械设计分会编机械工业出版社P303-304.

作者简介：

李俊（1966-），男，副教授，工学博士，研究方向：计算机辅助设计。