課程教學(xué)論文探究分析《機(jī)械原理》課程的基本內(nèi)容

1、課程教學(xué)論文:探究分析機(jī)械原理課程的基本內(nèi)容    課程教學(xué)論文:探究分析機(jī)械原理課程的基本內(nèi)容論文代寫Pick to:" some content in the course of mechanical principle" ( such as: Group dividing, vector equation solving steps of the graphical method, motion analysis versions and methods for analytical, inversion design for

2、linkage mechanisms, crank angle between extreme positions, cam design formula, the combination mechanism, classification of gear tip radius mechanical balance formula, the choice and the narrative is discussed, put forward some new views.摘要:就機(jī)械原理課程的某些內(nèi)容(如:拆桿組的方法、矢量方程圖解法的解題步驟、運(yùn)動(dòng)分析解析法的版本和方法、連桿機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)

3、、極位夾角、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)公式、組合機(jī)構(gòu)的分類、齒輪齒頂圓半徑公式、機(jī)械的平衡等的取舍和敘述進(jìn)行探討,提出一些新的看法。  關(guān)鍵詞:機(jī)械原理;結(jié)構(gòu)分析;桿組法;凸輪 機(jī)械原理是高等學(xué)校機(jī)械類各專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力所需的知識結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位,其任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器動(dòng)力學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能,學(xué)會常用基本機(jī)構(gòu)的分析和綜合方法,并具有進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的初步能力。在培養(yǎng)高級機(jī)械工程技術(shù)人才的過程中,本課程不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程起承前啟后的作用,而且為學(xué)生今后從事機(jī)械設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)創(chuàng)新奠定

4、必要的基礎(chǔ)。目前,不少工科高校將本課程作為精品課程來建設(shè)。隨著教學(xué)改革的深入、課時(shí)的壓縮、計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入,對機(jī)械原理課程內(nèi)容的取舍和敘述有不同的版本17,其中有獲得高等學(xué)校優(yōu)秀教材優(yōu)秀獎(jiǎng)的1,5,有的是面向21世紀(jì)課程教材2,3,4,6、或普通高等教育國家級教材3,6。作者根據(jù)多年教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),就機(jī)械原理課程中的某些內(nèi)容的取舍和敘述談?wù)勔韵聨c(diǎn)看法。  1.機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析在“機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析”一章,對于拆桿組的方法,幾乎所有的教材都要求學(xué)生從離原動(dòng)件“最遠(yuǎn)端”的構(gòu)件開始拆桿組16。而實(shí)際上,與原動(dòng)件直接相連接的構(gòu)件有可能(從機(jī)構(gòu)組成原理來看)是離原動(dòng)件“最遠(yuǎn)端”的構(gòu)件。這種拆桿組的順序不符

5、合桿組裝配順序。在全部桿組都拆出之前,學(xué)生難以看出哪些構(gòu)件(從機(jī)構(gòu)組成原理來看)是離原動(dòng)件“最遠(yuǎn)端”的構(gòu)件,因此這種方法難以被學(xué)生理解和掌握。作者建議采用按桿組裝配順序分解機(jī)構(gòu)中的桿組7,8,這種拆桿組方法與步驟不僅使用方便,而且按這種拆桿組步驟所得的桿組順序正好與桿組裝配順序一致,易于被學(xué)生理解和接受。級機(jī)構(gòu)拆桿組的具體步驟如下:(1)將機(jī)架和原動(dòng)件標(biāo)為“0”。(2)將與“0”號構(gòu)件相連的未標(biāo)號構(gòu)件標(biāo)為“1”。(3)從所有“1”號構(gòu)件中,找出兩個(gè)用運(yùn)動(dòng)未知運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)接的構(gòu)件,則這兩個(gè)相聯(lián)的“1”號構(gòu)件就組成了一個(gè)級桿組。這兩個(gè)“1”號構(gòu)件之間相連接的運(yùn)動(dòng)副是這個(gè)級桿組的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副,這兩個(gè)“1

6、”號構(gòu)件分別與“0”號構(gòu)件連接的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副是這個(gè)級桿組的兩個(gè)外部運(yùn)動(dòng)副(注:如果找不到這樣兩個(gè)“1”號構(gòu)件,則表明該機(jī)構(gòu)不是級機(jī)構(gòu))。(4)將這兩個(gè)“1”號構(gòu)件改標(biāo)為“0”,返回第(2)步。  2.矢量方程圖解法在“連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析”一章,求解從動(dòng)件的速度和加速度,到底用解析法還是圖解法,多年來爭論不休?，F(xiàn)在,隨著計(jì)算機(jī)的普及,解析法己逐漸被大家接受了。現(xiàn)在,有的教材只介紹解析法3,4,6,7,有的則同時(shí)介紹圖解法和解析法1,2,5。在用矢量方程圖解法作機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析時(shí),關(guān)鍵或難點(diǎn)在于如何選擇用來列寫相對運(yùn)動(dòng)矢量方程式的兩個(gè)點(diǎn)。在所有介紹圖解法的教材中1,2,5,對此均無詳細(xì)

7、介紹,使得這個(gè)問題歷來成為學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。作者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出了用矢量方程圖解法對級機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的“內(nèi)外點(diǎn)法”,據(jù)此可方便地定出用來列寫相對運(yùn)動(dòng)矢量方程式的兩個(gè)點(diǎn),使得解題步驟有章可循,可確保兩個(gè)未知量在矢量方程的兩側(cè),而且是在兩側(cè)的最后一項(xiàng),利于作圖,解題難度大大下降?！皟?nèi)外點(diǎn)法”的思路和步驟是:經(jīng)拆桿組后,得出桿組的裝配順序,按桿組裝配順序逐個(gè)對桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。級桿組的兩個(gè)構(gòu)件之間連接的運(yùn)動(dòng)副是這個(gè)級桿組的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副,這兩個(gè)構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)已知構(gòu)件連接的運(yùn)動(dòng)副是這個(gè)級桿組的兩個(gè)外部運(yùn)動(dòng)副。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)簡稱內(nèi)點(diǎn),外部運(yùn)動(dòng)到的點(diǎn)簡稱外點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)副可能是轉(zhuǎn)動(dòng)副,也可能是移動(dòng)副。轉(zhuǎn)動(dòng)副中

8、心點(diǎn)就是轉(zhuǎn)動(dòng)副的點(diǎn)。移動(dòng)副的點(diǎn)是在導(dǎo)桿上與滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)副中心重合的那一點(diǎn)。內(nèi)點(diǎn)與任一個(gè)外點(diǎn)的關(guān)系必定是同一構(gòu)件上的兩點(diǎn)間關(guān)系或組成移動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件上的重合點(diǎn)間關(guān)系。找出級桿組的一個(gè)內(nèi)點(diǎn)和兩個(gè)外點(diǎn)后,將內(nèi)點(diǎn)分別相對于兩個(gè)外點(diǎn)列寫相對運(yùn)動(dòng)矢量方程式,然后聯(lián)立求解。在列寫相對運(yùn)動(dòng)矢量方程式時(shí),要注意分清相對運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)點(diǎn)到底是同一構(gòu)件上的兩點(diǎn),還是組成移動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件上的重合點(diǎn),以便正確地套用相應(yīng)的相對運(yùn)動(dòng)矢量方程式。  3.封閉矢量多邊形法和桿組法至于運(yùn)動(dòng)分析解析法,也有各種不同的版本和方法。按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的本質(zhì)不同有封閉矢量多邊形法1,2,5,6、約束條件法、桿組法3,4,7等。具體的數(shù)學(xué)工

9、具有復(fù)數(shù)矢量法、矩陣法、直角坐標(biāo)投影法等。用封閉復(fù)數(shù)矢量多邊形法進(jìn)行平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的過程是4:首先將機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件視為矢量并構(gòu)成封閉矢量多邊        形,用復(fù)數(shù)形式表示封閉矢量方程式,再將矢量方程式分別對所建的直角坐標(biāo)系取投影,獲得機(jī)構(gòu)位置參數(shù)之間的兩個(gè)標(biāo)量關(guān)系式;然后通過削元處理,得到待求構(gòu)件位置參數(shù);最后對復(fù)數(shù)位置方程求一、二階導(dǎo)數(shù),分別進(jìn)行速度和加速度分析。封閉矢量多邊形法的缺點(diǎn)是:對于不同的機(jī)構(gòu)都要單獨(dú)重新列寫封閉矢量多邊形,重新推導(dǎo)和求解方程組,重新求導(dǎo),所以通用性差。而由機(jī)構(gòu)組成原理知,任何機(jī)構(gòu)總

10、是在機(jī)架和原動(dòng)件的基礎(chǔ)上依次添加桿組而組成的。常用的桿組種類很少,但卻可以組合出許許多多不同的機(jī)構(gòu),如同在七巧板游戲中,只用七塊板就可以拼湊出許許多多各種不同的圖案一樣。我們可以預(yù)先編寫這幾種常用桿組的運(yùn)動(dòng)分析子程序,那么在對任何機(jī)構(gòu)作運(yùn)動(dòng)分析時(shí),只要先進(jìn)行拆桿組,然后根據(jù)桿組的裝配順序和種類,依次調(diào)用相應(yīng)的桿組運(yùn)動(dòng)分析子程序就可以了。因此,桿組法非常適合于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。作者認(rèn)為,運(yùn)動(dòng)分析解析法宜采用桿組法,教材宜介紹各種常用桿組運(yùn)動(dòng)分析子程序和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析主程序的編寫方法7。  4.計(jì)算機(jī)語言現(xiàn)在,計(jì)算機(jī)語言種類繁多,不同學(xué)校、不同專業(yè)、不同時(shí)期會采用不同的計(jì)算機(jī)語言。有的計(jì)算機(jī)

11、語言簡單,有的功能多但復(fù)雜。本人認(rèn)為,對于專業(yè)課程來說,計(jì)算機(jī)語言是為課程計(jì)算服務(wù)的。選用的原則是:夠用就行。計(jì)算機(jī)語言只要能滿足機(jī)械原理課程所要求的公式計(jì)算和圖形顯示就可以了。TRUE BASIC計(jì)算機(jī)語言是結(jié)構(gòu)化語言,簡單易學(xué),有外部子程序功能。特別適合于用桿組法作連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。它有較強(qiáng)的畫圖功能,很適合畫連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)畫和凸輪。不管學(xué)生原先學(xué)過哪種計(jì)算機(jī)語言,學(xué)生只要花半個(gè)小時(shí)就可學(xué)會TRUE BASIC。  5.平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在“平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”一章,有的教材同時(shí)介紹圖解法設(shè)計(jì)和解析法設(shè)計(jì),有的則只介紹圖解法設(shè)計(jì)。眾所周知。解析法雖精度高,但求解過程較復(fù)雜,而且容易出錯(cuò)

12、。而圖解法概念性強(qiáng),解題方便,較直觀。有點(diǎn)教材籠統(tǒng)地認(rèn)為圖解法精度低。的確,若不借助計(jì)算機(jī),圖解法所得結(jié)果的精度的確較差。但在AutoCAD已被學(xué)生廣泛掌握的今天,可要求學(xué)生在計(jì)算機(jī)上用AutoCAD完成圖解法設(shè)計(jì)作業(yè)。不僅求解過程簡單方便,而且其精度與解析法的精度一樣。因此,在設(shè)計(jì)平面連桿機(jī)構(gòu)時(shí),可以采用圖解法,而不必為了有解析法而采用解析法。當(dāng)然,對于某些機(jī)構(gòu),如曲柄滑決機(jī)構(gòu),解析法的公式較簡單,而且適用范圍比圖解法更廣,那么采用解析法也是合適的。當(dāng)采用反轉(zhuǎn)法(或轉(zhuǎn)化機(jī)架祛)設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)時(shí),大多數(shù)教材沒有給出解題的規(guī)律,僅僅是就題目解題目,使得學(xué)生在解具體題時(shí)不知從哪里入手,不知該以哪個(gè)構(gòu)

13、件為參考機(jī)架。作者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出用于反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)的“求待定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的一般方法”7,使得解題難度大大下降。其設(shè)計(jì)思路是:將含有待定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)己知構(gòu)件作為參考機(jī)架;在含有待定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)未知構(gòu)件上,選取一運(yùn)動(dòng)已知點(diǎn)作為圓周點(diǎn)。該運(yùn)動(dòng)未知構(gòu)件相對于參考機(jī)架繞著持定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),所以圓周點(diǎn)相對于參考機(jī)架的相對軌跡是個(gè)圓,圓心就是待定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)。為了求出圓周點(diǎn)相對于參考機(jī)架的相對軌跡,先根據(jù)已知條件求出圓周點(diǎn)相對于參考機(jī)架的幾個(gè)相對位置;然后在圓周點(diǎn)相對于參考機(jī)架的幾個(gè)相對位置不變的條件下,利用反轉(zhuǎn)法(或轉(zhuǎn)化機(jī)架法)使得參考機(jī)架重合,就會得出當(dāng)參考機(jī)架不動(dòng)時(shí)圓周點(diǎn)的幾個(gè)位置點(diǎn)。過

14、這幾個(gè)位置點(diǎn)作圓,圓心就是待定活動(dòng)鉸鏈點(diǎn)。解題時(shí),最后應(yīng)檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)未知構(gòu)件在所有位置是否定長。關(guān)于極位夾角,有的教材1,6未給出明確的定義;大多數(shù)教材25,7給出如下定義:機(jī)構(gòu)在兩個(gè)極限位置時(shí),曲柄兩位置之間所夾的銳角稱為極位夾角。但文獻(xiàn)9已發(fā)現(xiàn),極位夾角可能是銳角,也可能是鈍角,一般范圍是0°,180°)。極位夾角的定義應(yīng)改為:當(dāng)從動(dòng)件位于兩極限位置時(shí),對應(yīng)曲柄的一個(gè)位置與另一位置的反向所夾的角度。  6.凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)在機(jī)構(gòu)學(xué)上應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一。教材一般先簡要介紹圖解法,目的是為了講解反轉(zhuǎn)法概念,并為解析法設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。重點(diǎn)放在解析法設(shè)計(jì)上

15、。有的教科書25所介紹的凸輪廓線解析法公式只能用于與該教材所畫凸輪機(jī)構(gòu)一樣的凸輪轉(zhuǎn)向和偏置的凸輪機(jī)構(gòu),無法用于不同的凸輪轉(zhuǎn)向或不同的偏置方向。作者認(rèn)為,為設(shè)計(jì)方便起見,凸輪廓線的解析法公式應(yīng)該而且可以是通用的,應(yīng)能適用于不同的凸輪轉(zhuǎn)向或不同的偏置方向,詳見教材7?，F(xiàn)有絕大多數(shù)教材16都只要求檢驗(yàn)凸輪外凸部分的曲率半徑。而實(shí)際上,為了避免凸輪實(shí)際廓線內(nèi)凹部分在加工過程中被根切,應(yīng)確保凸輪實(shí)際廓線內(nèi)凹部分曲率半徑絕對值的最小值大于銑刀的半徑，因此,有必要計(jì)算凸輪實(shí)際廓線各點(diǎn)(外凸部分和內(nèi)凹部分的曲率半徑。現(xiàn)有幾乎所有機(jī)械原理教科書1,36都要求學(xué)生用數(shù)學(xué)上的曲率半徑普通公式來計(jì)算凸輪廓線的曲率半徑

16、,學(xué)生需要對凸輪廓線公式作兩次求導(dǎo),使用起來非常繁瑣,求導(dǎo)工作量很大,實(shí)際上是很難被學(xué)生所采用的。教材7則采用經(jīng)推導(dǎo)并整理后的較簡單的曲率半徑公式。這些公式比傳統(tǒng)教科書中的公式簡單、使用方便,使得要求學(xué)生編程計(jì)算并校核凸輪曲率半徑成為現(xiàn)實(shí)。作為例題,教材7還介紹了計(jì)算偏置直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)理論廓線、實(shí)際廓線、滾刀中心軌跡、壓力角、曲率半徑的計(jì)算機(jī)程序的編寫方法。  7.組合機(jī)構(gòu)目前,對于組合機(jī)構(gòu)的分類,有各種不同的分類法。有的是根據(jù)組成組合機(jī)構(gòu)的子機(jī)構(gòu)的名稱來分類的2,4,5,如:凸輪連桿機(jī)構(gòu)、齒輪連桿機(jī)構(gòu)、雙凸輪機(jī)構(gòu)等。這種分類法沒有顯示該組合機(jī)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系,不利于組合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)分析。作者建議按照各基本機(jī)構(gòu)或桿組之間運(yùn)動(dòng)傳遞的路線將組合機(jī)構(gòu)劃分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、復(fù)合式、迭聯(lián)式、反饋式、混合式等1,3,6,7,這種分類法有利于組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和綜合。  8.齒輪機(jī)構(gòu)“齒輪機(jī)構(gòu)”一章歷來是較重要、篇幅較大的一章。現(xiàn)有大多數(shù)教科書關(guān)于齒輪的篇幅過長。應(yīng)在保證教學(xué)基本要求的前提下,敘述力求簡潔,某些需要