卓越工程师教育培养计划框架下机械设计教学特点

田红亮　戚江艳　田戚可人

摘要：机械设计的性质是以一般通用零件的设计为核心的专业课程。其全部教学环节的主要任务是培养学生有正确的设计思想并勇于创新探索。从机械设计的教学内容、教学方法和习题课三个方面，论述了机械设计的教学特点。

关键词：机械设计；卓越工程师；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）32-0110-02

传统教学模式中课程之间的关系是线性的，能力的培养与目标要求对比不连续，阶段性比较突出，讲究知识体系的完备，侧重培养分析能力[1]。其中作为机械专业的一门精品课程“机械设计”对学生专业知识学习的系统性和科学性有重要影响。近日，教育部公布卓越工程师教育培养计划第三批学科专业名单，三峡大学土木工程、材料成型及控制工程、计算机科学与技术、生物工程四个专业名列其中。截至目前，三峡大学共有国家级特色专业5个（机械设计制造及其自动化、电气工程及其自动化、水利水电工程、医学影像学、工程管理）、卓越计划专业7个（机械设计制造及其自动化、电气工程及其自动化、水利水电工程、材料成型及控制工程、计算机科学与技术、土木工程、生物工程）、国家级实验教学示范中心1个（物理实验教学示范中心）、省拔尖计划专业1个、省产业计划专业5个。这些专业的获批，对于推动三峡大学教育教学改革起到重要作用。本文以精品课程“机械设计”为研究对象，依托机械设计制造及其自动化所属的卓越工程师教育培养计划，对机械设计教学方法进行了研究。

一、机械设计的教学内容

机械设计是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科[2]。机械设计能够加强学生素质教育和能力培养，是高等院校机械类专业硕士研究生的首选考试科目之一。机械设计是专业课的重中之重。

1.总论部分，包括机器及零件设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识[3]。摩擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。当摩擦力较小时，切向应变能密度小于法向应变能密度时，此摩擦力为静摩擦力，两摩擦表面无相对运动。随着摩擦力的加大，若切向应变能密度大于法向应变能密度时，两摩擦表面有相对滑动，该摩擦力为最大静摩擦力。当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度不足。零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求。两零件的表面接触刚度指因两零件接触表面上的微凸体，在外力的作用下发生变形所引起的两零件相对位置改变的程度。微凸体法向接触刚度等于微凸体法向弹性接触载荷对微凸体顶端变形量的一阶导函数。微凸体切向接触刚度等于微凸体切向弹性接触载荷对微凸体顶端切向变形量的一阶导函数。有的零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某种（或某些）原因而失效。这个零件正常工作延续的时间就叫做零件的寿命。

2.连接部分。因为螺栓被连接件刚度的准确获得有助于精确预报预紧力的形成及衰退规律，进而指导螺栓联接工艺的优化。被连接件的压强分布能够简化为空心圆柱体、圆锥体、球体等形状。国内外已有的大量实验证明，接触刚度随着接触载荷的改变而变化，与接触状态紧密联系，同时摩擦表面微观几何学形貌、两接触材料皆影响接触刚度，使接触刚度呈现出明显的非线性特点。

3.传动部分，包括螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及摩擦轮传动等。齿轮接触强度是齿轮设计中的一个主要设计参数，其大小直接关系到齿轮的承受载荷能力与运行寿命。因为赫兹弹性接触理论不能运用于相同曲率半径内接触时的接触压强，有限元方法相对比较烦琐，但根据分形接触理论可以计算齿轮接触压强。表面粗糙度对齿轮接触强度的影响并非一种简单的线性关系，不能单纯地减小表面的粗糙度，达到提高齿轮接触压强的目的。要按照齿轮的实际外加力，获得表面粗糙度的某个最佳值，能够显著地减小齿轮的加工成本。齿面的加工误差与热处理变形会引起齿轮出现冲击、振动及噪声。分形参数中的分形维数与分形粗糙度具有尺度独立性，可以表现结合面的内禀特点。

4.轴系部分，包括滑动轴承、滚动轴承、联轴器与离合器以及轴等。轴瓦是滑动轴承中的重要零件，它的结构设计是否合理对轴承性能影响很大。有时为了节省贵重合金材料或者由于结构上的需要，常在轴瓦的内表面上浇铸或轧制一层轴承合金，称为轴承衬。常见的背衬有H62黄铜带，表示平均含铜量为62%的普通黄铜带，其中H表示汉字“黄”的拼音字母的第一个字母，62表示铜元素的平均含量。在普通黄铜的基础上加入其他元素的铜合金称为特殊黄铜，仍以“H”表示，后面会跟其他添加元素的化学符号和平均成份，如H62为含铜量60.5%～63.5%，余量为锌含量。背衬可以是金属，一般为黄铜，也可以是塑料。应用在船舶上的水润滑橡胶艉管轴承一般有套筒式与板条式两种。自从1840年水润滑橡胶轴承用于船舶艉管轴承以来，已经有170多年的历史。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。为与传统的滑动和滚动相区别，微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，两接触表面间发生的振幅极小的相对运动（位移幅度一般为微米量级），这些接触表面通常名义上是静止的，即微动发生在看似“紧固”配合的机械部件中。

5.其他部分，包括弹簧、机座和箱体、减速器和变速器等。恢复性是能使物体位置恢复到平衡状态的特性，是贮存势能的元素，典型的恢复性元件是弹簧。系统势能是重力势能与弹簧的弹性变形的势能之和。当恢复力与位移成正比时，其比例常数称为弹簧常数或弹簧的刚度系数，单位为N/m。弹簧是组成振动系统最基本的元件，是不可或缺的，否则就不会发生振动。机座和箱体等零件在机床中占总质量的70%～90%。

二、机械设计的教学方法

机械设计是综合性要求很高的一门专业课，课程要求预备知识多且广。如何在机械设计中既突出重点方法，又能让学生将学会的机械设计方法融会贯通，并能自学其他设计方法，是本课程的重点与难点。使用知识单元化、富媒体化及学习行为管理，实现课堂教学工具，使传统教学方式的“课堂上听讲，课堂下答疑”转变为“课堂上讨论，线上学习”。应规划机械设计的内容，以知识单元为主题，录制成微课。融会现存资源，将理论教学与实践案例以多媒体形式呈现，建立和谐融洽的师生关系，点燃学生的学习兴趣，兴趣是学生最好的教师，努力提高学生的学习兴趣显得非常重要。研究教学大纲，分析与机械设计相关及机械设计先修课程的教学情况，与相关学科的授课团队合作，形成立体化的课程管理库，夯实专业基础。

三、机械设计的习题课

习题的选取要具有典型性与针对性[4]，习题数量要少，质量要保证好，但是解题的要求一定要高[5，6]。例如机械现代设计方法发展很快，目前较易见到的有分形设计（fractal design）。在一个世纪以前，相继出现了一些被称之为“数学怪物”（Mathematical monsters）的东西，人们无法用传统的Euclid几何语言去描述它们的局部和整体性质[7]。经典的数学怪物为冯·科克的分形曲线。按照分形接触理论，可以计算机械结合部的法向接触刚度、切向接触刚度、静摩擦系数、法向接触阻尼、切向接触阻尼、损耗因子、弹性模量、切变模量、泊松比的解析解。

传统观念得出结论，连续函数的不可导的点集合在某种意义上理应非常小，例如测量度为0。早期的数学家包括高斯都认为这是对的，一些书籍甚至把此看法当作定理，并写了证明（现在看来，显然是不严格的，比如说他们可能只考虑了初等函数）。为了说明直觉的不可靠，1842年提出了一致收敛概念的德国数学家Weierstrass于1872年7月18日在柏林科学院的一次演讲中，构造了一个连续函数却处处不可微的例子，由此最终结束了想要证明最一般形式的连续函数的可微性的企图，轰动了整个数学界！这个例子推动了人们去构造更多的函数，这样的函数在一个区间上连续或处处连续，但在一个稠密集或在任何点上都不可微，从而推动了函数论的发展。大数学家Weierstrass于1872年设计了如下一个函数：

式中，0

参考文献：

[1]李响，杜轩，吴海华，田红亮.基于“卓越工程师教育培养计划”的机械类CAD/CAM精品课程群建设研究[J].科技纵览，2014，23（11）：187，197.

[2]沈景凤，石云霞，吕方梅.SPOC背景下设计方法学教学改革与对策[J].教育教学论坛，2015，（1）：260-261.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第8版.北京：高等教育出版社，2008：46-47.

[4]房明磊，许峰.高等数学习题课教学实践与思考[J].教育教学论坛，2015，（4）：59-60.

[5]张学红.浅谈小学生数学学习习惯的培养[J].教育教学论坛，2015，（4）：249-250.

[6]田红亮，戚江艳.对三峡大学科技学院毕业生林某在某卫视节目中回答鸡兔同笼的分析[J].金田，2014，312（01）：470-471.

[7]李水根.分形[M].北京：高等教育出版社，2006：1-2.