“楔键联接简化强度计算”的教学设计
2018-01-20张益
张益
摘要：对“楔键联接简化强度计算”的教学过程进行设计，并结合教学经验提出教学中应注意的问题。
关键词：机械设计;教学设计;楔键;强度
中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）31-0147-02
“楔键联接简化强度计算”是机械设计课程中的难点内容，历年的教学中，很多学生对这一内容感到有一定难度。“楔键联接简化强度计算”部分主要介绍了楔键在工作时，视键轴为一体时的受力分析情况和楔键联接的简化挤压强度条件的导出过程。
1教学目标设定
1.1教学内容难于理解的原因分析
教学内容为所用机械设计教材“联接”部分“键联接”章节中的“楔键联接简化强度计算”。因其在分析问题时将键和轴视为一体进行受力分析，并在计算取值过程中依经验进行适当估算和取值，这样，一些学生可能对强度条件计算式的导出感觉上不好理解。教学中，应根据学生的理解障碍，针对性地讲清简化强度计算为何如此分析问题，都在哪里进行了简化，以帮助学生理解。
1.2教学目标
根据所确定的教学内容和学生们的具体情况，制定本节课如下的教学目标：
1）知识目标：掌握楔键联接的简化挤压强度条件，会运用该强度条件解决校核楔键强度和确定最大传递转矩等问题。
2）能力目标：通过对实际例题的讲解，培养学生研究问题和解决问题的能力。
2教学方法和教学手段
针对一些學生可能对强度条件计算式的导出感觉上不好理解的问题，可考虑使用多媒体教学课件，演示将键和轴视为一体进行受力分析的情况，并讲清楚为何在计算时依经验进行估算和取值。与此同时，在板书上进行公式的推导，得出楔键联接的简化挤压强度条件计算公式。
3 教学过程
3.1复习与新内容引入
首先，复习机械联接的作用与分类;进而复习“键联接”，这种重要的机械联接类型，复习内容包括键联接的作用与分类和平键联接与半圆键联接的强度计算。这样，就自然地引入本次课的教学内容，即“楔键联接简化强度计算”问题。
之后，提出楔键联接和平键联接与半圆键联接的区别，即平键和半圆键的工作面是侧面，而楔键的工作面是与轮毂和轴相楔紧的上下两面。然后进一步对楔键联接的失效形式进行分析，得出因楔键联接也属于静联接，所以其主要失效形式是上下工作面的压溃的结论。进而进入本次课的难点部分，即楔键联接的简化挤压强度条件的导出过程。
3.2课程难点的教学过程
本次课程的难点是楔键联接的简化挤压强度条件计算式的推导过程。简化挤压强度条件计算式的推导以楔键工作时的受力分析为基础，这里为了分析问题的方便，做出一定的简化，即把楔键和轴视为一体进行受力分析，同时将下方圆柱面上的径向分布力，用通过轴心竖直向上的集中力代替。工作时，楔键上表面的分布力的作用情况，与只楔紧而未工作时相比也发生了变化。在计算时，假设压力沿键长方向是均匀分布的，沿键宽方向为三角形分布，越靠近转动趋势方向沿键宽方向的分布力值越大。这时，作用在楔键上表面的竖直向下的压力合力不再通过轴心，这里还要取压力合力在水平方向上，向转动趋势方向偏移了键宽的六分之一长，及取楔键上表面到轴心的径向长度约等于轴的半径值。在经过上述的分析与取值后，楔键工作面上的压力合力可以用简单的力矩平衡方程求得，其合力计算式为[F=6Tb+6fd]。
在求得楔键工作面上的压力合力后，计算工作面上的挤压应力就是相对简单和容易的了。这里，可以看出楔键工作时的受力分析是突破课程难点的关键，学生理解上的难处主要是力的等效替换和近似取值的确定问题。所以在力的等效替换的讲解上要耐心细致，多留时间给学生们去接受和理解。在一些近似取值问题上，要给学生们讲清楚，这些取值是实践经验的总结，并且是经过实践检验的，已达到帮助学生理解与掌握的目的。
在上述教学过程进行后，学生们基本认同并接受受力分析的结果后，则可给出工作面上的挤压应力的计算式，因为工作面上的压力呈三角形截面分布，故将工作面面积取一半代入，则挤压应力的计算式[σp=2Fbl]。
联立上述两式，就可以得出我们需要的楔键联接的简化挤压强度条件计算式。强度条件要求挤压应力[σp]小于等于许用挤压应力[[σp]]。
3.3 课程总结
对课堂所讲内容进行归纳和总结，并对受力分析和推导计算的思路进行梳理，之后，以例题帮助学生理解，并布置作业。
4教学经验反思
教学中应当注意板书的各功能区要分明，结论与推理过程的书写应分区进行。还有要注重多媒体教学课件的使用，但不应使课件占主导地位，多媒体教学课件应该是帮助学生理解的工具。
另外，通过一堂课的讲解，学生们的掌握程度必然有限，今后应再安排习题课教学环节，通过对具体习题的讲解，帮助学生加深理解，巩固知识。
参考文献：
[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.
