對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一點(diǎn)體會(huì)

魯學(xué)海 袁祖強(qiáng)

南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 210009

對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一點(diǎn)體會(huì)

魯學(xué)海 袁祖強(qiáng)

南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 210009

闡述了開(kāi)設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)課的重要性。針對(duì)學(xué)生在做機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中普遍存在的問(wèn)題，從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力出發(fā)，提出了解決問(wèn)題方法。取得了良好的效果。

機(jī)械原理；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1、引 言

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)，是《機(jī)械原理》課程的一個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。它不僅能使學(xué)生在動(dòng)手、觀察、思維等各方面得到訓(xùn)練和發(fā)展，而且還能培訓(xùn)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，全方位提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，為學(xué)生以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

機(jī)構(gòu)是人為的實(shí)物組合，用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。工程設(shè)計(jì)常采用連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)滿足較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)剛性構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)付連接而成的機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合分析時(shí)，首先將能畫(huà)出表達(dá)運(yùn)動(dòng)特征的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，它在《機(jī)械原理》課程中屬重要環(huán)節(jié)。但是一般學(xué)生在上課以后，普遍反映所學(xué)的概念并不難懂，但實(shí)際掌握挺抽象，不知如何深入理解。加上學(xué)生對(duì)機(jī)械的感性知識(shí)掌握得太少，雖然見(jiàn)過(guò)一些機(jī)器，但只見(jiàn)其外表，對(duì)其構(gòu)造、組成原理、運(yùn)動(dòng)情況等一點(diǎn)也不了解。課堂上把實(shí)物抽象的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)付、運(yùn)動(dòng)鏈等概念，用一些簡(jiǎn)單的符號(hào)來(lái)代表，同學(xué)們對(duì)這些符號(hào)不容易接受，使學(xué)生處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在學(xué)完“平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)”之后，及時(shí)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生親自動(dòng)手測(cè)繪實(shí)際機(jī)器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)。

2、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪內(nèi)容及方法

（1）我們選用多種機(jī)械的機(jī)構(gòu)模型和一些簡(jiǎn)單具有一定代表性的實(shí)際機(jī)器進(jìn)行測(cè)繪。按綜合考慮，難易結(jié)合，在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，要求機(jī)構(gòu)模型按比例尺繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖并標(biāo)出機(jī)構(gòu)名稱(chēng)、有關(guān)尺寸以及自由度的計(jì)算，實(shí)際機(jī)械實(shí)物只要求畫(huà)出機(jī)構(gòu)示意圖，使圖與實(shí)物大致成比例即可，并計(jì)算自由度。以上我們所安排這些最基本的內(nèi)容，能夠舉一反三的特點(diǎn)，為進(jìn)一步去了解構(gòu)件的組成及其聯(lián)接方式和運(yùn)動(dòng)情況。通過(guò)機(jī)構(gòu)模型和機(jī)械實(shí)物的測(cè)繪，能使學(xué)生從理論抽象的轉(zhuǎn)入到實(shí)踐感性認(rèn)識(shí)的深化。

（2）在上實(shí)驗(yàn)課之前，我們要求每位同學(xué)認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，使學(xué)生對(duì)所做該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、?nèi)容和步驟有了一個(gè)全面的熟悉和了解，從而提高了實(shí)驗(yàn)效果和質(zhì)量，并把一些問(wèn)題帶到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去解決。

（3）測(cè)繪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，①將機(jī)構(gòu)緩慢地運(yùn)動(dòng)，從原動(dòng)構(gòu)件開(kāi)始仔細(xì)觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的情況，從而確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的數(shù)目。②根據(jù)兩構(gòu)件間接觸情況及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，確定各運(yùn)動(dòng)付的種類(lèi)。③合理選擇視圖，一般選和運(yùn)動(dòng)平面相平行的平面作為視圖的投影面。④測(cè)出各運(yùn)動(dòng)付間的相對(duì)位置，標(biāo)出有關(guān)的尺寸。⑤選擇適當(dāng)比例尺，用一些簡(jiǎn)單的線條和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)符號(hào)來(lái)代表構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)付。并計(jì)算自由度，學(xué)會(huì)判別機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的確定性。按要求獨(dú)立完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪。

3、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪中常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

在多年的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，同學(xué)們普遍存在以下主要問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，我們提出相應(yīng)的解決方法。

（1）基本概念不清楚

實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行機(jī)械綜合分析時(shí)，為了突出表達(dá)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，常撇開(kāi)構(gòu)件的實(shí)際復(fù)雜的外形和運(yùn)動(dòng)付的具體構(gòu)造，而用簡(jiǎn)單的線條和規(guī)定的符號(hào)來(lái)代表構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)付，選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，測(cè)出各運(yùn)動(dòng)付間的相對(duì)位置和有關(guān)尺寸，測(cè)繪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)實(shí)際中，有一些學(xué)生還是按照模型的外形機(jī)構(gòu)照葫蘆畫(huà)瓢。例如，有一個(gè)最基本簡(jiǎn)單的油泵模型，名稱(chēng)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，正確的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1

但有些學(xué)生卻畫(huà)成如圖2，為何他們會(huì)把搖桿畫(huà)成彎形呢？就是因?yàn)樵瓲钍菑澢摹＿€有像剪床模型，名稱(chēng)是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于其中一滑塊實(shí)際形狀很大，它把整個(gè)機(jī)構(gòu)給包容了，那么，有的學(xué)生就按著原狀給畫(huà)出像門(mén)框狀。以上并非什么大錯(cuò)，但說(shuō)明學(xué)生對(duì)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，基本要求還沒(méi)有真正理解，概念上認(rèn)識(shí)不清，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的指點(diǎn)，物件的形狀及運(yùn)動(dòng)付的具體構(gòu)造可以忽略，而用簡(jiǎn)單的線條和所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)付符號(hào)來(lái)代替。使學(xué)生豁然開(kāi)朗，留下較深刻的印象。

（2）對(duì)演化機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)不夠

在我們實(shí)驗(yàn)中，機(jī)構(gòu)模型基本上都是偏心輪機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)的演化。學(xué)生在課堂上也許聽(tīng)懂了，但看到實(shí)際機(jī)械實(shí)物或機(jī)構(gòu)模型之后就無(wú)從下手，有的運(yùn)動(dòng)付一眼就能看出，但有的判別就比較困難，如回轉(zhuǎn)付中心，就不太容易看出，它卻被轉(zhuǎn)動(dòng)付B的半徑擴(kuò)大至超過(guò)曲柄的長(zhǎng)度，這時(shí)曲柄便變成一個(gè)幾何中心（B付中心）與回轉(zhuǎn)中心不相重合的圓盤(pán)，那么，畫(huà)時(shí)先從何處入手呢？首先從原動(dòng)件開(kāi)始，按運(yùn)動(dòng)傳遞的順序，將畫(huà)出回轉(zhuǎn)付中心與機(jī)架相聯(lián)接，然后，再畫(huà)出幾何中心與回轉(zhuǎn)中心相聯(lián)接（兩中心間的距離等于曲柄的長(zhǎng)度），那么連桿長(zhǎng)度又是如何確定呢？往往擴(kuò)大后的B付是一個(gè)大的圓環(huán)，問(wèn)題所在就是要找出擴(kuò)大后的B付中心，（幾何中心）才能定出連桿的長(zhǎng)度，（幾何中心到滑塊或搖桿中心的距離）。有的學(xué)生就直接把連桿的長(zhǎng)度確定在大圓環(huán)外與滑塊或搖桿中心的距離作為連桿的長(zhǎng)度，這是不對(duì)的。還有前面所述的回轉(zhuǎn)中心與幾何中心的距離就是曲柄的長(zhǎng)度。不錯(cuò)，那么在實(shí)際實(shí)物中又是如何測(cè)得的呢？經(jīng)過(guò)指導(dǎo)，學(xué)生們才恍然大悟，這樣的測(cè)量是比較精準(zhǔn)的，也就是將幾何中心位置搖至最低點(diǎn)，然后再將幾何中心位置搖至最高點(diǎn)，這兩點(diǎn)的距離之差除以2，就等于曲柄的長(zhǎng)度尺寸。

（3）分析能力不夠

表示的機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和形狀上是千變?nèi)f化的。如一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)物油泵模型，學(xué)生在這一模型上出問(wèn)題的比較多，看似比較復(fù)雜，實(shí)際要能真正理解了，搞懂了畫(huà)起來(lái)也就很簡(jiǎn)單了。有兩個(gè)圓盤(pán)，各與機(jī)架相聯(lián)，大圓盤(pán)固定不動(dòng)，但在圓心上裝有一導(dǎo)桿插入在小圓盤(pán)上的滑塊里，隨小圓盤(pán)同時(shí)能轉(zhuǎn)360°位置，正確的畫(huà)法如圖3，屬轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，自由度計(jì)算F=3× 3×2×4=1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)確立的。而有的學(xué)生卻把它畫(huà)成如圖4，滑塊與機(jī)架相聯(lián)，滑塊只能在那里搖動(dòng)而不能轉(zhuǎn)360°，那么把轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)卻畫(huà)成了曲柄搖 塊機(jī)構(gòu)了，而于實(shí)際機(jī)構(gòu)不相符。這表明學(xué)生對(duì)自己所畫(huà)出來(lái)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并沒(méi)有作深入的分析和了解，畫(huà)好了簡(jiǎn)圖應(yīng)和實(shí)物對(duì)照分析，這個(gè)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)是這滑塊能否能轉(zhuǎn)360°，雖然構(gòu)件數(shù)目是相同的，但機(jī)架選擇的不同，那么機(jī)構(gòu)的性質(zhì)就變化了。

圖3

圖4

4、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)際接觸，學(xué)生有了一定的感性認(rèn)識(shí)，開(kāi)闊了思路，對(duì)所學(xué)到的理論知識(shí)的理解加深了。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況分析，從原動(dòng)件到執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的傳遞情況，就清楚地看到各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，能想到怎樣才會(huì)使其運(yùn)動(dòng)是確定的。這些都反映說(shuō)明了《機(jī)械原理》課的教學(xué)，不能只是在課堂上將原理上講清楚，還要通過(guò)結(jié)合實(shí)際機(jī)械實(shí)物進(jìn)行講解，更能使學(xué)生知道實(shí)際機(jī)械的狀況。結(jié)合真實(shí)的機(jī)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果得到了改善。學(xué)生在繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的技巧能力上得到了進(jìn)一步提高。很多學(xué)生體會(huì)到兩節(jié)課時(shí)間并不長(zhǎng)，但收效非常明顯，這對(duì)今后走上工作崗位，打下了良好的基礎(chǔ)，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，得到了學(xué)生的好評(píng)。培養(yǎng)學(xué)生不但有一定的理論知識(shí)，并要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有分析和解決問(wèn)題的能力，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論基礎(chǔ)知識(shí)的提高重要環(huán)節(jié)。

實(shí)踐表明該實(shí)驗(yàn)教學(xué)，得到了學(xué)生的肯定，提高了學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，有效的提升了學(xué)生對(duì)所學(xué)到的理論知識(shí)的消化，同時(shí)也提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

圖2

[1]孫恒,李繼慶.機(jī)械原理教程.西北工業(yè)大學(xué)出版社.1994年修訂本.

[2]齊新丹,魯學(xué)海.機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).南京工業(yè)大學(xué).2010年2月.

[3]盧玉明.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).高等教育出版社.1998年5月.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.121

魯學(xué)海（1957-），男，漢族，南京市人，助教，主要從事機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)。