框圖教學法在《液壓傳動》課程教學中的應用①

摘 要：《液壓傳動》課程在機械設計專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，內(nèi)容較多且知識點分散，由于教學課時的不斷壓縮，給教學效果的保證帶來了較大困難，如何在較短的時間內(nèi)讓學生對所學知識有較為系統(tǒng)的認識并掌握至關重要。本文介紹框圖法在《液壓傳動》課程教學中的應用，也即將知識點系統(tǒng)化為框圖結構，使繁雜的知識點變得更為直觀，讓學生通過清晰的框圖掌握所學知識點，在教學實踐中取得了較好效果，也可為其它類型專業(yè)課程教學提供參考。

關鍵詞：液壓傳動 框圖教學法 知識框圖 系統(tǒng)化

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0155-02

液壓傳動是高等工科院校機械專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，其特點是理論性和實踐性均較強，且知識點多而分散。為了適應現(xiàn)代社會人才需求，隨著近年來課程系統(tǒng)改革的不斷深入，專業(yè)課學時不斷壓縮，如我校本課程學時已由原來的60學時壓縮至目前的40學時（包括6個實驗學時），如何在這么少的學時內(nèi)將《液壓傳動》重要知識點傳授給學生，給教師提出了更高的要求。本人在教學實踐中，嘗試采用框圖教學法，將液壓傳動知識點系統(tǒng)化、框圖化，使學生對貌似紛亂復雜的眾多知識點有了較為清晰的掌握思路，大大提高了教學效果，本文對此進行詳細介紹，以為同類課程教學提供參考。

1 基本思想

一直以來，大學生對《液壓傳動》課程學后的感覺大多是知識點太多、圖形太多，面對復雜的液壓元件結構圖，感覺無所適從。而老師也面臨對液壓元件結構和原理，不詳細講解學生聽不懂，詳細講解又太費課時的尷尬局面。如能將課程中的知識點提煉成框圖表示，上課過程中以框圖為主線，逐個展開講解，對于學生了解上課內(nèi)容和各知識點間的相互關系將大有幫助。

2 知識框圖繪制

2.1 總體知識點

《液壓傳動》課程內(nèi)容可分為工作介質、動力元件、執(zhí)行元件、輔助元件、液壓控制元件、液壓回路等6個部分，其中液壓回路應是前5個部分的綜合應用，從而可分為5個大的知識模塊，每個知識框圖模塊又可分為小的模塊。

2.2 分級框圖

課程教學中要在總體知識點的基礎上將各部分內(nèi)容分別展開，下面以動力元件為例，介紹分級知識框圖的繪制與應用。

動力元件也稱液壓泵，按結構不同可分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等，根據(jù)幾何排量是否可調(diào)可分為定量泵和變量泵。然而其基本參數(shù)與計算方法、工作原理基本相同，各種泵的基本結構也都是建立在同樣工作原理基礎上的，即高低壓腔要分開、具有可變的密封容積及匹配的配流方式、具備吸油條件等。從而以工作原理為主線，繪制知識框圖，針對不同類型泵對照介紹，可大大增強學生對知識點的掌握效果。圖1所示，在總體知識點的基礎上，繪制的執(zhí)行元件知識框圖。

動力元件種類較多，對于具體各類型液壓泵需要繪制更為詳細的知識框圖，圖2為齒輪泵的知識框圖。

其中圖2所示的知識框圖，是在圖1所示框圖的基礎上的進一步細分，特點是內(nèi)容開始有明顯區(qū)別，如高低壓腔分開方式，齒輪泵與雙作用葉片泵具有明顯區(qū)別，這也是這兩種泵的結構特點所決定的。

3 知識框圖應用

知識框圖繪制完畢，使學生對要講授的知識點有大體認識后，下面就是如何進一步將知識點融會貫通，使學生充分掌握各知識點。知識框圖中的知識點雖然表面上較為獨立，實際上彼此之間是相互關聯(lián)的。下面以齒輪泵為例介紹如何在知識框圖的基礎上講解此部分內(nèi)容。

3.1 齒輪泵結構及工作原理

知識框圖中對應知識點：基本原理。

齒輪泵結構是以滿足液壓泵的基本工作原理為基礎的，即高低壓腔要分開、密封容積可變及可匹配的配流方式、具備油液吸入條件，具體實現(xiàn)方式如下。

（1）高低壓腔要分開。

（2）密封容積可變及可匹配的配流方式。

（3）油液吸入條件：齒輪旋轉過程中，嚙合密封容積逐漸增大，形成局部真空，油液在大氣壓的作用下被吸入空腔。

從而齒輪泵主要結構包括主、從動齒輪、傳動軸、泵體和泵前后端蓋等，工作原理就是依靠齒輪旋轉過程中，相互嚙合形成的密封容積變大和變小，實現(xiàn)吸油和排油，齒輪旋轉一周，各齒谷均吸排液一次。

3.2 齒輪泵的幾何排量和流量

知識框圖中對應知識點：基本參數(shù)流量幾何排量計算、流量脈動、泄漏及解決措施。

（1）基本概念。

幾何排量為一個齒輪的輪齒體積和齒谷容積之和。而流量包括瞬態(tài)流量和平均流量，液壓泵在一段時間內(nèi)的平均流量也是變化的，稱之為流量脈動，通常用流量脈動系數(shù)衡量，齒輪泵的缺點之一就是流量脈動較大。通過增大齒數(shù)，減小重疊系數(shù)和增大刀具壓力角可一定程度上減小流量不均勻性。

（2）流量泄漏。

液壓泵基本工作原理之一就是密封容積和高低壓腔要分開，實際上很難做到理想狀態(tài)，高壓腔和低壓腔之間總會因存在間隙而相互連通，進而產(chǎn)生油液泄漏。主要有三種形式的泄漏，即徑向泄漏、軸向泄漏和齒面嚙合處間隙泄漏，其中軸向泄漏最大，占總泄漏量的70%左右。泄漏量直接導致實際流量與理論流量相比要小，容積效率小于1，減小泄漏的措施通常是采用端面間隙補償。

3.3 齒輪泵壓力和提高措施

知識框圖中對應知識點：基本參數(shù)壓力工作壓力范圍、困油和徑向不平衡力及解決措施、提高工作壓力措施。

齒輪泵工作壓力一般在2.5～30 MPa左右，屬于中低壓液壓泵。

（1）困油現(xiàn)象。

齒輪轉動過程中有時會出現(xiàn)兩對輪齒同時進入嚙合，造成一部分油液在輪齒形成的密閉腔中無法排出，隨著齒輪轉動封閉容積減小，被困油液被擠壓而壓力急劇上升，并從縫隙擠出，同時引起油液發(fā)熱和造成不平衡負載，封閉容積增大時，又會造成局部真空而出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，對齒輪泵穩(wěn)定運轉帶來不利影響。

解決措施：在兩端蓋板上開矩形卸荷槽，卸荷槽之間距離應保證壓油腔和吸油腔在任何情況下均不能通過其直接連通。此處可簡要介紹無變位標準嚙合情況下，兩卸荷槽之間的距離計算公式[1]，以使學生加深印象。

（2）徑向不平衡力。

因齒輪泵高、低壓腔壓力不同而存在的壓力差稱為徑向不平衡力，會造成泵體內(nèi)表面與齒輪齒頂間具有徑向間隙，進而引起徑向泄漏。

減小徑向液壓力的措施如下。

（1）合理選擇結構參數(shù)。

（2）增大吸液口尺寸和減小高壓口尺寸。

（3）開徑向液壓力平衡槽。

（3）提高外嚙合泵壓力的措施

要提高齒輪泵的壓力，最直接的方法就是減小泄漏，也即盡量降低間隙的存在，通常隨著使用時間的延長，端面磨損會逐漸增大，如不及時修復或補償，會因間隙越來越大造成工作壓力下降。通常采用浮動軸套或彈性側板裝置自動補償端面間隙，此處可結合原理圖進行介紹，以加深學生印象。

4 結論

《液壓傳動》課程知識點較多且互相關聯(lián)，隨著教學學時的不斷壓縮，如何在較短的時間內(nèi)將眾多知識點脈絡化，以最簡潔的方式講授給學生至關重要。本文提出框圖教學法，也即將知識點用框圖的形式系統(tǒng)化、條理化，將抽象、繁雜的知識點用較為直觀的框圖表現(xiàn)出來，大大降低了課堂教學難度。文中以液壓泵中的齒輪泵、葉片泵為例，繪制了對應的知識框圖，并介紹了知識框圖的用法，為《液壓傳動》課程教學提供了一個新的思路，對于其它專業(yè)課教學也具有一定借鑒作用。

參考文獻

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