课堂教学论文关于“机械设计”讨论式课堂教学——圆柱齿轮传动设计为例论文范文参考资料

课堂教学论文关于“机械设计”讨论式课堂教学圆柱齿轮传动设计为例论文范文参考资料 摘 要：机械设计是主要论述机械设计理论和设计方法，培养学生具有机械设计能力的技术基础课。为提高课堂教学效果，以圆柱齿轮传动设计为例，从基本知识和基本理论出发，围绕齿轮传动设计过程中齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析思路和计算方法，针对强度校核公式的计算推导过程开展讨论，分析了齿轮传动设计的基本思路，探讨了讨论式课堂教学的内容与方法，以期有助于学生进一步明确齿轮传动的设计思路，提高分析和解决问题的能力，培养创新设计的能力。 关键词：机械设计；齿轮传动；讨论式课堂教学 ：G640 文献标志码：A ： 机械设计是一门技术基础课，这门课程的特点是内容多、涉及知识面广1-2，既有理论性较强的设计理论的阐明论证，又有内容比较繁琐的零部件的结构、类型、工作原理、性能、材料等一般性介绍，尤其是许多公式比较复杂，参数、系数特别多,且在计算过程中常常采用附有一定假设条件的简化计算或估算，加上设计步骤较多，在学习过程中，特别在学习开始阶段，学生较为普遍地反映课程内容头绪多、系统性差，抓不住重点。因此，在教学实践中，除了切实抓好课堂教学这一主要环节外，还必须通过其他教学环节课堂讨论、习题课等来予以补充，本文就圆柱齿轮传动设计一章如何引导学生进行课堂讨论谈谈个人的一些做法和体会。 1 目的与方法 讨论式课堂教学是一种适应培养创造性人才的教学方法，它是在系列问题导引下、在教师的精心准备和组织下，为实现特定的教学目标，通过预先设计的方案，启发和引导学生就特定的问题进行思考和讨论，发表自己的见解，培养学生独立思考能力和创新精神的一种教学方法3-5。齿轮传动设计讨论式课堂教学的目的是巩固课堂所学知识，加深对重要概念、理论和主要公式的理解，并使学生所学知识系统化。其方法是先布置讨论题，要求学生结合课堂讲授及复习进行准备。 2 课堂讨论选题 2.1 设计思路 机械设计每个章节的学习内容具有系统性，研究问题都有一定的规律，都是从零件的类型、结构出发，介绍其工作原理和不同的应用场合，从工作情况分析来判断引起失效的主要形式，围绕失效形式，推导具体的设计公式和校核公式，掌握机械零件在结构设计、材料选取、热处理方法选择等方面的基本技能。从齿轮传动的研究思路出发，讨论研究零件设计问题的普遍方法，可以树立机械零件设计的基本思路，提高学生举一反三、触类旁通和分析问题、解决问题的能力。机械零件设计流程如图1所示。 2.2 基本知识、基本理论 机械设计研究齿轮的目的，主要是从研究齿轮的承载能力出发，分析影响齿轮承载能力的诸多因素，即不同材质的齿轮，经过不同方法的热处理或表面处理，齿面硬度不同，在不同性质的载荷和不同工作条件下可能出现的失效形式6。针对轮齿常见的五种失效形式及其影响因素，从工艺方面、润滑方面和结构设计等方面提出防止失效的关键措施，从而引出齿轮强度计算中比较成熟的两种计算方法齿根弯曲强度计算和齿面接触强度计算。 2.3 齿根弯曲疲劳强度计算 2.3.1 计算公式 目的：确定齿根危险截面弯曲应力的大小。 理论依据：材料力学中悬臂梁的弯曲应力计算公式，计算齿根危险截面的弯曲应力F。 2.3.3 讨论 其一，M受力因素影响。如果从动齿轮齿顶受力作为力学模型的话（假设=1，即仅有一对齿传力），那么，通过换算出现在校核公式中的应该是作用在齿顶上的圆周力，然而，出现在校核公式（3）中的是切向力Ft1，Ft1是分度圆上的圆周力，其大小为：Ft1=2000T1/d1，以Ft1代替齿顶圆上的圆周力是一次以大代小的简化代换，目的在于简化计算。校核公式中要用Ft1，而不直接用Fbn的原因是齿轮所受实际载荷并非名义载荷。影响齿轮所受实际载荷的因素有原动机和工作机的性质，齿轮的制造、安装精度，载荷的分布和分配等，故分别引入工作情况系数KA、动载荷系数KV、载荷分配系数K、载荷分布系数K，可见，这4个系数是对齿轮所受载荷的修正。 其二，W几何因素影响。在校核公式（3）中出现的几何因素是尺寸参数b和m，由于齿轮的结构形状并非一等截面梁。所以，将有关影响齿根弯曲应力的几何因素归并为一个与齿数有关的齿形系数YFa，又由于实际齿轮传动的1，且齿轮在工作过程中载荷作用位置是不断变化的，比如斜齿圆柱齿轮，其接触线是倾斜的，为了考虑这些受力状况对齿根弯曲应力的影响，故分别引入了应力修正系数YSa和螺旋角系数Y。可见，YFa，YSa，Y是对轮齿根部危险截面应力的修正。 其三，影响极限应力的因素。根据GB/T 3480-1997 渐开线圆柱齿轮承载能力的计算方法中关于极限应力的测试方法7，可知：F lim是测量齿轮单侧工作（脉动循环）时的弯曲疲劳极限应力，其值是用几何尺寸和结构参数在一定范围内的高精度齿轮（模数m=35 mm，齿宽b=1050 mm，齿根圆角参数qst=2.5，齿根粗糙度Ra=10 m等），在一定条件下（v=10 m/s，稳定载荷，应力循环次数NL=3106等）通过试验取得。而所设计的圆柱齿轮及其计算尺寸，载荷性质和使用寿命不可能与试验条件完全相符，故分别引入寿命系数YN，应力修正系数Yst，可见，YN、Yst是对极限应力的修正。 综上所述，仅齿根弯曲应力的计算公式和齿根弯曲疲劳强度校核公式一项，所涉及到的系数就有KA，Kv，K，K，YFa，YSa，Y，YN，Yst等十多个，但通过讨论可以对各系数的意义和作用有个较系统和全面的了解。 2.4 齿面接触疲劳强度计算 2.4.1 计算公式 推导及参数选取过程需要注意两点：一是设法把弯曲应力计算公式中的两个参数b和m（m=d1/z1）消除，即引入齿宽系数d=b/d1；二是在齿轮尺寸参数尚未确定之前，有些系数无法查取。故只好近似取值，待齿轮尺寸初定以后，若有必要再作较为精确的校核计算。 2.6 参数选择与计算过程 根据设计公式（6）、（7），要求m或d1，就要解决不等式右边的参数K（KA，KV，K，K），T，YFa，YSa，d，u或H等，以齿根弯曲疲劳强度的设计公式为例，讨论如下：其一， H，与齿轮材料、热处理（或表面处理）方法及齿面的硬度有关，确定H，首先必须选择材料、热处理方法和齿面硬度。其二，KA，在原动机和工作机的性质确定后，可直接选取；Kv，按齿轮制造精度和圆周速度选取；K，按齿轮制造精度和总重合度选取。其三，K与d，与齿轮的布置及齿面硬度有关，所以，必须在选定d后才能查取K。其四，z，d是设计者自行选择的；u一般给出或自行选择；T，一般是给定的。 上述分析简要说明了设计公式中各系数或参数之间的联系。实际上按齿根弯曲强度设计齿轮的过程就是解决这些系数和参数的过程。由于有些系数存在着依存关系，只有选定一个（如d）之后，才能查取另一个（如K），而有的系数（如KA）放前一步或放后一步查询并不影响设计计算的进行。再如“选材”与计算T，颠倒后对设计计算毫无影响，因此，设计步骤并不唯一，应顺其规律逐步求解。 2.7 设计流程 设计准则1-2,6有二。其一，闭式传动。闭式传动的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断，当采用软齿面（齿面硬度350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低，因此，一般应首先按齿面接触疲劳强度条件，计算齿轮的分度圆直径及其主要几何参数，然后再对其轮齿的抗弯曲疲劳强度进行校核；当采用硬齿面（齿面硬度350HBS）时，则一般应首先按齿轮的抗弯曲疲劳强度条件，确定齿轮的模数及其主要几何参数，然后再校核其齿面接触疲劳强度。其二，开式传动。开式传动的主要失效形式为齿面磨粒磨损和轮齿的弯曲疲劳折断，由于目前齿面磨粒磨损尚无完善的计算方法，因此通常只对其进行抗弯曲疲劳强度计算，并采用适当加大模数的方法来考虑磨粒磨损的影响。 以直齿圆柱齿轮为例，设计流程如图2所示： 3 结语 机械设计涉及的学科多，课程学习具有一定的难度，讨论式课堂教学相比传统讲授规律的课堂教学方式更受学生欢迎。从实践过程来看，讨论式课堂教学的实施，一方面有助于提高学生学习的积极性和自觉性，培养分析问题和解决问题的能