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机械创新设计的基本原理范文1
关键词： 机构组合创新设计 《机械设计基础》 理实一体化
一、引言
高职高专课程教学改革的方向是加强实践教学环节，理论教学应与实验、实训、实习等实践环节有机地结合起来。《机械设计基础》课程是高职高专机械、机电类、近机类专业的重要专业基础课，内容主要包括机械传动系统中常用机构和通用零件的组成、工作原理、结构特点、基本的机械设计理论和计算方法。我们按照专业课“应用为目的”，利用先进的理实一体化教学方法解决了《机械设计基础》课程内容的广泛性与学时的有限性之间的矛盾，效果良好。而机构组合创新设计作为《机械设计基础》课程理实一体化教学的重要组成部分，对于提高学生的动手能力、综合分析能力和创新设计能力，有极其重要的作用。
二、机构组合创新设计基本方案
1.目的
增强学生对机械系统运动方案的整体认识，加强学生的机械工程实践背景的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、机械设计方法及工程实践能力；通过机构的拼接，在培养机械工程实践动手能力的同时，发现一些基本机构及机械设计中的典型问题，通过解决问题，加深学生对平面机构的组成原理和结构构成的理解，了解平面机构运动特性，掌握各种机构运动方案构成的创新设计方法。
2.设备
创新组合实验台一套，包括组成机构的各种运动副、构件、动力源及一套实验工具。设备名称：HKZB-Ⅲ机构组合创新实验台。
3.教学内容
（1）自拟机构运动方案或选择实验指导书中提供的机构运动方案作为拼接实验内容。
（2）将拟定的机构运动方案根据机构组成原理按杆组构成方法进行正确拆装，并用机构运动简图来表示。
（3）拼装机构运动方案，并记录由实验得到的机构运动学尺寸，创新组合设计机构。
三、理实一体化教学方案
采用理实一体化教学模式的目的是提高职业教育的教学效率，主要内涵包括：知识、理论、实践一体化，教、学、做一体化；内容、时间、地点的一体化，体现为理论课和实践课授课地点合一，基础理论贯穿于实践环节，以及多媒体、实物、实验、实训、社会调查等多种教学方式的统一。在教学效果上增强学生的感性认识，提高学生的思维能力和创造能力，调动学生的学习积极性，激发学生的求知欲。
四、机构组合创新设计是机械设计基础理实一体化教学的具体体现
“设计”从某种意义上讲就是一种“创新”。没有“创新”的设计只能是模仿别人的一种陈旧的设计，只有创新设计才有可能超越过去，创造未来。《机械设计基础》是培养学生从方案选择、系统设计、机构分析、机构设计到机械零部件设计的一门设计性很强的专业技术基础课，对学生后续专业课的学习及今后的工作关系重大，是专业核心课程。在教学内容中应加强机构选型及机构创新设计的基础知识学习，重点讲授机构创造演化的基本方法，以及组合机构形成的基本原理和组合机构的类型等，自始至终都应注意培养学生的创新设计能力。
高职教育是基于生产过程职教方法的推广，理实一体化教学模式使实践教学处于更加重要的地位，使机械设计基础课的实践教学从过去教师演示讲解的教学方式逐步转向在教师的指导下学生亲自动手做，这样不但能增强学生对机械的感性认识，而且能使学生对机械设计概念的理解更加透彻，发展学生在理论联系实际中的创新思维，培养学生运用实验方法研究机械的能力，提高学生的动手能力和解决问题的能力，弥补高职学生理论基础差的不足。
机构组合创新设计内容以培养学生的创新设计能力和独立工作能力为主，强调机械系统运动方案的确定，使学生把学到的各自成章、彼此独立的各种基本机构根据应用场合和设计要求合理地运用组合到具体设计中，达到培养学生从整体角度综合考虑设计问题的能力的目的。例如在讲四杆机构的组合使用时，我们以蒸汽机机构为例，先讲解图1所示的蒸汽机机构运动简图，1-2-3-8组成曲柄滑块机构，8-1-4-5组成曲柄摇杆机构，5-6-7-8组成摇杆滑块机构。曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联组合。滑块3、7作往复运动并有急回特性。如果适当选取机构运动学尺寸，可使两滑块之间的相对运动满足协调配合的工作要求。然后要求学生通过该蒸汽机的机构运动简图完成图2所示的“蒸汽机机构拼接”，把生硬的理论知识变成活生生的实物机械运动系统，使学生进一步熟悉机械零件的使用。
当然，在完成图2所示的“蒸汽机机构拼接”后，接上动力装置，让它运动，通过运动，检验运动的协调性，调节机构各构件的尺寸，验证和修改图1蒸汽机机构运动简图，加深学生对图1蒸汽机机构运动简图的理解。因此，机构组合创新设计可以使学生将所学习的知识进行综合归纳，学会将各类机构进行组合设计，既能巩固和应用所学过的基础理论知识，使学生掌握运动方案设计的初步方法，更能进一步提高学生利用技术资料和实物模型进行运算和绘图的能力。
五、结语
在《机械设计基础》课程的理实一体化教学实践中，我们感觉开发、培养和训练学生的创新思维变得越来越重要，机构组合创新设计可以使教学变得更加生动，更富有启发性，不仅有利于学生对基础理论知识的理解和掌握，而且可以提高学生分析问题、解决问题的能力，调动学生学习的主动性、自学性。高职学生普遍理论基础差，但兴趣广泛，探求新知识的好奇心强，思维不受条件的约束，蕴藏着巨大的创新潜力，关键是教育者要为他们营造宽松和谐的教学环境，启发和调动他们的学习热情和创造性，机构组合创新设计将课堂教学、创新理论和实践训练合理结合起来，是理实一体化教学模式的完美体现，学生能更好地发挥想象力和创造力，为成为技能型应用人才，适应就业岗位的需要，更好地服务于社会奠定基础。
参考文献：
机械创新设计的基本原理范文2
关键词：《机械设计基础》课程；提高；创新能力；培养
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0115-02
从目前高校对于《机械设计基础》课程的课程设置及相关机械工程专业的人才培养方案中可以看出，高校已认识到培养学生动手实践能力的重要性，增设了较多的实践课程教学培养环节。但是，目前大多数教师在教学过程中只注重对机构运动规律及原理的讲解，而在实践课程中也仅通过一些演示性的实验，来复制《机械设计基础》课程教学中所涉及到的机构或运动，导致该课程的教学形成了教师在课堂中介绍机构原理及运动规律的动画演示，实践课程时学生依照书本机构简图，“依葫芦画瓢”式的仿照出运动机构。这种教学模式忽略了对于具体机构在实际场合中的用途及机构部件的变化等外延的教学，大大降低了学生的学习兴趣，缺乏独立性的综合设计创新能力。因此，本文结合自己的教学经验及工程实际，探讨一种学生创新能力培养的方法来摆脱学生仿照学习的方式，让学生创造性地掌握《机械设计基础》课程中所学机构，提高其在生活实践中灵活应用的创新能力。
一、《机械设计基础》学习特点
《机械设计基础》作为一门专业基础课程的学习，最重要的特征就是需要适量的动手实践才能熟练掌握。因此，《机械设计基础》课程原理及其应用地掌握不能仅靠教师演示和学生简单地仿照，需要学生在学习好理论知识的基础上，通过适量地动手实践操作练习，慢慢摸索出机构的运动规律、机构设计的整体思路以及方案的布排和提高机构设计能力所需的潜在知识及应用情况。在实际工程领域中，机械机构的相关设计应用，要求设计者既具备基础专业技能，还能从工程实际的角度出发，提高机构或机器设计的工程实践性。因此，老师在授课过程中可根据实际情况鼓励学生将《机械设计基础》课程与其他学科结合，既可以调动学生的学习兴趣，又能有效激发学生的创新意识。因此要从多维度综合性地学习《机械设计基础》课程。
二、以学生为主体展开教学，注重学生创新能力的培养
1.学生为主体兴趣的激发。创新来源于兴趣，兴趣是创新的动力，兴趣才是最好的老师。面对当前学生《机械设计基础》课程学习中死记硬背及实践仿照为主、积极性不高的局面，首先，要改变教学中教师的角色，授课过程中师生互动环节应能根据实际需要进行适当调节，应当创造一种轻松的课堂教学氛围，在积极愉快的学习氛围中进行，建立一种兴趣学习，从而促进学生思考问题的主动性；其次，改变一贯的灌输式及枯燥的教学模式，重视学生创新能力及创新精神的培养。在实验室进行实践教学中搭建运动机构时，改变传统一味照抄实验指导书机构简图的特点进行仿制或仿构运动机构，让学生能根据自己的实际了解情况进行多维度设计。这样可以有效激发学生个人或团队思考的兴趣，主动学习《机械设计基础》课程中机构的积极性。同时还可以鼓励学生进行课外创作，把自己的设计思维共享，达到共同学习并促进其他同学思维地开发。
2.充分挖掘学生的主动性。学生主动性地挖掘是教师激发学生创新的前提，《机械设计基础》教学中应该充分利用各种机会让学生参与，并主动思考。在进入课堂教学内容之前，我们可以根据所了解的知识结构，设置一些需要利用到课堂授课内容才能解决的实际问题，把学生带入为解决实际问题的情景中开展教学。而在实践环节中，首先让大家对新的知识内容有所了解，并达到巩固的基础上鼓励学生充分发挥各自的想象力，从多维度地去寻求解决问题的思路和方法。而且，在实践过程中，若学生遇到暂且不能解决的问题时，我们首先应该是把问题提到课堂上进行整体讨论，让大家能各显神通并提出相应构思方法，最后通过讨论，并最终确定相应的一种或多种解决方案。让学生能充分地在主动参与中，培养学生的创造性思维能力的形成。还可在《机械设计基础》教学中对学生所提出的问题，多鼓励学生分组讨论并提出解决问题新方法，提高学生分析并积极主动解决问题的能力。
3.根据学生所学实际，培养学生的创新能力。授课教师对所讲课程体系，做到精心布排，特别是第一堂课及最后一堂课，首先使学生对本门课有个感性认识，通过中间课程的教学，并在最后根据教师教学及所把握到的学生所学情况，布置相应比较熟悉的机构创新设计作业，如：教室用设备包括桌椅、讲台、黑板、投影设备等；教具是指能帮助大学生理解和掌握机械类课程（包括但不限于“理论、材料力学”、“机械制图、原理、设计”、“机械制造基础”等）的基本概念、基本原理、基本方法等的教学用具。强调学生在设计时，结合上课及个人与团队观察实际找到合适创新设计方案，激发并培养学生解决实际问题的创新能力。
三、任务驱动式教学，培养学生的创新能力
任务驱动式教学，是让学生为解决任务寻求解决方案的学习模式，将课程的知识体系转化为相应的教学及学习任务，并围绕教学任务开展教学的模式。在授课过程中，让学生带着思考任务并力求解决而主动参与教学学习过程中，强化学生的动手及创新能力，培养学生实际解决问题的创新能力。
四、协作讨论式学习，培养学生的创新能力
协作讨论式的学习，改变过去以教师讲教材、讲课件为主的局面，创造了自主式的学习环境，增强学生在课堂上的主体意识，充分参与课堂教学中，在探讨合作式学习过程中，进行充分地讨论、辩论，有利于创造性思维能力的发展，有利于学生从多维度去思考问题。在任务驱动的基础上，学生分3-5人小组合作讨论，改变了传统教学中教师的“一枝独秀”。教师在基本原理以后，根据学生自主搭配组员，各小组成员能积极讨论、交流学习经验，自行确定解决问题任务的思路，并分工合作，相互监督检查，共同完成教师布置的任务。最后由教师主导，各小组介绍自己的任务成果，创新发现及解决问题的过程中所遇到的困难，并能共同分析、解决，在此过程中教师的位置逐渐由主导变为引导，成为学生学习的引路人。在此学习过程中，对于任务方案的选择、优化等都能自主完成，组内互相协作，共同完成初定任务，这不仅培养了学生的团队合作精神，还有利于学生创造性思维及创新能力的培养。
本文通过在《机械设计基础》课程教学中，如何提高并培养学生的创新能力进行研究，首先从课程的学习特点实际出发，在实际教学过程中以工程及生活实际为导向，并通过以学生为主体展开教学、任务驱动式教学及协作式学习几个方面来培养学生的创新能力，并能通过在实际教学中的多次尝试取得了较好的教学效果。
参考文献：
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[2]张千锋.《机械设计基础》课程的教学研究与探讨[J].科学与财富，2012，（9）：17.
[3]韩永俊，金英子，冯江.《机械创新设计》教学研究[J].农机化研究，2003，7（3）：259.
机械创新设计的基本原理范文3
在全球化技术激烈的竞争中，如何快速开发具有自主知识产权的高新技术及产品，已成为提升企业综合竞争力的关键。TRIZ理论已被证明是一套先进的技术创新理论，在许多著名的高新技术企业获得成功的应用，创新效果显著。为提高国内产品的创新效率，介绍了TRIZ理论解决问题的基本原理，给出了基于TRIZ理论的产品设计流程。结合设计实例，应用TRIZ理论方法进行了组件功能分析、组件价值分析，并得出最终产品设计方案，证明了TRIZ理论在机械产品创新设计中可行性，为产品创新设计提出一种新的思路。采用与TRIZ理论体系相结合的创新模式，对提高企业自主创新能力有着十分重要的作用。
关键词：
TRIZ；创新设计；产品设计
为了适应市场竞争的需要，机械产品创新设计愈显迫切。传统的产品设计开发方法周期长、成本大，已不能满足现代市场的需求。机械产品设计的本质就是创新［1］。机械产品的设计应满足使用要求、经济性要求和社会要求。企业经济发展的关键的因素是如何获得创新产品，适应市场需求的产品，而创新方法是企业新产品成功开发的重要工具。产品设计需要突破原有的模式方法，这就是创新。创新方法是科技创新的手段，也是科技创新的内容，创新方法又聚焦TRIZ（TheoryofInventiveProblemSolving）理论，运用TRIZ理论的多种工具是产生创意的重要手段。TRIZ创新理论作为现代工程技术领域的核心创新方法已被广泛应用于制造业［2］。
1TRIZ理论
TRIZ理论是前苏联G．S．Altshuler及其领导的一批研究人员提出的发明问题解决理论［3］。经过50多年的发展，TRIZ已成为技术问题或发明问题解决的强有力方法学，应用该方法学已解决了前苏联、美国、欧洲和日本等许多国家企业成千上万产品幵发中的难题［4］。作为系统的方法论，TRIZ理论成功揭示了创造发明的内在规律和原理，将其应用在产品的设计开发之中，可很大程度上缩短产品设计开发的周期，加快工程创新的速度，提高企业的创新能力［5－6］。
2基于TRIZ理论的产品开发流程
TRIZ理论是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，其主要内容包括：技术系统进化法则、40个发明创造原理、39项技术特性、冲突矩阵、物质一场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法（ARIZ）以及工程效应知识库等。在产品设计过程中，上述各项内容都能从不同方面对设计人员提供创新方案的指导。应用TRIZ理论求解产品设计是一项系统的工程。TRIZ理论作为系统的方法论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，将其融合在产品设计之中，作为产品创新设计的重要工具，可很大程度上提高工程创新的速度，同时缩短产品开发的周期，提高开发效率，在制造业中被广泛应用。基于TRIZ理论的产品开发流程如图1所示。
3基于TRIZ理论的机械产品创新实例
通过下述实例简要说明开发流程及TRIZ理论在产品开发中的应用。现代工业对环境的洁净度要求越来越严格，而螺杆泵以其优越的抽气性能得到了用户的青睐。干式螺杆真空泵具有可靠性高、寿命长、强制输气和多相混输等优点，其抽气的关键部件就是一对相啮合的阴阳转子。
3．1组件功能分析现有真空泵单一的转子型线都会形成吸气封闭容积，导致螺杆真空泵功耗增加，效率降低，运转不平稳，噪声大。干式真空泵在吸入湿空气或者空气中的其他杂质时，转子表面在高温高压下易受到腐蚀，缩短转子的寿命；在高速旋转情况下，抽气和排气过程中产生大量的热，使得转子受热变形，转子可能产生干摩擦，破坏系统性能。基于上述问题，应用TRIZ理论对真空泵系统进行组件的功能分析，通过组件模型分析（见图2），描述了系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，并得出影响真空泵工作性能的3个功能因素：1）转子无法得到良好的冷却；2）环境无法改变，转子表面强度需提高；3）齿轮的精确啮合直接影响转子的啮合。
3．2组件价值分析组件价值分析如图3所示。通过对组件理想度进行诊断分析，为了简化和理想化的系统，给出系统裁剪思路：1）通过移除区域D中的冷却系统简化系统；2）通过增加其功能贡献来改进区域C中的系统组件———阳转子、齿轮和轴承。
3．3组件优化通过对组件功能和组件价值进行分析，得出目前市场上真空泵的主要缺点和进一步改进措施，具体如下。1）泵转子的型线有理论型线和实际型线之分，其理论型线要求保证转子在旋转过程中，2个转子始终保持互相啮合，故转子的理论型线应做成共扼曲线，但是干式泵实际工作时，2个转子的表面是不接触的，要求转子之间保持一定的间隙；因此，应该在转子的理论型线的基础上去掉间隙，得到转子的实际型线。2）在吸入湿度大的空气或工业废气时，转子表面易被腐蚀，使其表面强度降低，寿命缩短；同时转子由于质量不均匀，旋转时还会发生振动。在泵的吸入端设置干燥和过滤系统，可降低转子的腐蚀程度。3）转子在不断旋转过程中，会压缩空气，产生热量，致使转子温度升高，易受热变形，转子之间产生摩擦振动。可从转子的结构和材料入手，设计散热性好的转子。再结合TRIZ理论的小人法，以改善转子的型线、增强表面强度以及降低转子的温度为着手点，形成解决方案。但是，这些方案都可能带来系统的复杂性增加等不可预测的问题。
4结语
在制造业高速发展的时代，TRIZ理论是制造业实现快速产品创新设计的重要途径之一，而TRIZ理论通过中间工具建立了问题模型和结果模型之间的联系，是一种程式化的创新设计手段。TRIZ理论、创新方法和工具的合理应用，可实现企业的创新目标，提高自身的创新能力，缩短产品的开发创新周期，推动企业经济的增长。组件功能分析仅仅是创新设计的初步阶段，在此基础上进行组件价值分析，组件结构再设计、再分析，从而实现重大改型的创新设计，这才是产品创新设计的真正价值和意义所在；因此，应用TRIZ理论进行集成，进行现代产品创新设计是产品设计的新的发展方向，也是现代产品创新设计的需要，在企业中应对TRIZ创新方法实施推广和应用。
参考文献
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［2］赵敏，史晓凌，段海波．TRIZ入门及实践［M］．北京：科学出版社，2008．
［3］吕欣．基于TRIZ理论中39矛盾矩阵与40创新原则的产品创新设计研究［J］．包装工程，2009，30（5）：211－213．
［4］刘江南，刘秋平．基于冲突分析的工程车路面除雪装置创新研究［J］．湖南大学学报：自然科学版，2011，38（6）：33－36．
［5］HANBB，WANGJ．StatisticanalysisandvisualizationofTrizresearcharticlesinchina［J］．Library＆InformationStudies，2011，4（2）：54－59．
机械创新设计的基本原理范文4
[关键词]机械原理 卓越工程师计划 教学内容与课程体系 CDIO 教学方法改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）01-0132-03
机械原理是机械类和近机类专业十分重要的主干技术基础课程，是理论课程向工程实践课程转换的过渡性环节，具有增强学生对机械技术工作的适应能力和开发创造能力的作用，在机械类高级工程技术人才培养的基础系列课程中是不可替代的。[1]但是，传统机械原理教学存在目标单一、内容陈旧、方法死板、考核简单片面等不足，与理论力学、机械设计等相关课程间存在教学内容重复或脱节、整体协调性不足等问题[2] [3]，导致教师讲课费力，学生听课乏力，教与学的效果不理想，甚至造成对立的师生关系。
学校针对机械设计制造及其自动化专业国家级“卓越工程师教育培养计划”项目的实施需要，进行了基于项目的CDIO教学模式、基于网络资源和创意兴趣的自主学习模式等教学方法改革探索与实践。本文从机械原理的课程体系、教学方法等角度进行全面介绍。
一、面向卓越工程师教育培养计划的教学内容体系构建
处理好机械原理与理论力学、机械设计等专业基础课间分工和衔接，不同于机械制图与建模、刚体运动与力分析、零部件强度计算与校核、材料成型与加工等专一知识和能力的培养[4]，机械原理以培养学生面向机械系统的机构设计与分析能力为主，在机构学、机器动力学和常用机构等基本知识学习基础上，更加注重机械系统的设计和综合创新能力培养。[5]处理好机械原理课程内部各章节间内在关系，机械原理教学内容可划分为机械系统、基本原理和常用机构三大模块，构建各教学模块间有机联系，课程体系与教学模块关系如图1所示。
机械系统模块是培养学生系统观念的重要途径，利用完整的机械系统实例把课程知识点串联，贯穿绪论、机器人机构及其设计、机械系统方案设计等章节的教学全过程，形成闭环。
基本原理模块包括结构分析、运动分析、力分析、效率与自锁、机械平衡、机械运转速度波动调节等章节，重点讲授：1.机构结构分析中机构组成、自由度计算、组成原理和型综合等知识点;2.机构运动分析中解析法;3.平面机构力分析中运动副总反力和机构受力分析;4.机械自锁和速度波动调节。而与理论力学等前期基础课联系紧密的运动分析图解法采用实例化教学，在学生自学、练习、讨论基础上，点明速度影像和加速度影像等知识点;实践性较强的机构运动简图、机械平衡以实验教学为主线。
常用机构模块包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系和其他常用机构等章节，重点讲授：1.连杆机构中平面四杆机构设计的图解法和解析法;2.凸轮机构中轮廓曲线设计解析法;3.齿轮机构中渐开线直齿圆柱齿轮啮合定律、啮合传动、变位齿轮和斜齿圆柱齿轮;4.齿轮系的传动比和效率计算。而常见多杆机构、凸轮基本尺寸确定、渐开线特性、其他常用机构等知识点以自学、调研等自主学习方式为主。
二、基于认知规律的“以生为本”教学方法改革与实践
国内众多高校长期开展机械原理精品课程建设，使教学理论、课程体系、教学内容、教学方法与手段等研究工作不断深入，在教材、电子教案、电子教具、教辅参考资料、教学视频和网络平台等教学资源建设方面进展显著，为机械原理课程教学方法改革奠定基础。
（一）基于慧鱼组合模型的机械系统概念强化与贯穿
课程学习前，利用工程训练中心慧鱼创意组合模型，让学生按照已有拼装路线亲手搭建典型的机械系统模型，如各种类型机器人，使课程教学从“积木游戏”场景中开始，逐步了解机械原理所学的连杆、凸轮、齿轮及齿轮系等机构;课程教学结束前，要求学生根据学习内容，自主搭建一个新型的综合型机械系统。学生能够全程深度参与课程教学，实现寓教于乐，激发学生学习兴趣和热情。
以学生自主搭建典型机械系统模型为课程学习对象，贯穿机构结构分析、运动分析和连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系等教学全过程。引导学生发现并解决其隐藏的科学问题，包括概念理解、问题分析、问题求解等主要的学习环节，教师承担定义阐述、提出问题、思路引导、方法总结和疑难解答等辅工作，激发学生主观能动性，真正实现学生自主学习、教师辅助指导的教学模式。
（二）基于网络教学资源的自主学习模式实践
随着互联网技术的发展，大学校园内学生上网便捷快速，机械原理课程的网络教学资源十分丰富，如国家精品课程资源网[6]、江苏科技大学课程建设与辅助教学平台[7]、第一视频教程网[8]等，为机械原理课程的自主学习模式探索奠定基础。同时，在学校课程建设与辅助教学平台上开设相应的同步网络教学班级，实现课上课下同步进行。随着基于网络教学资源的自主学习模式推广，学生对机械原理课程的学习主动性和积极性逐步得到加强。
由于网络资源自主学习的时间、地点具有很大程度的自由，且学生对自主学习的效率存在差异，教师需做好前期引导和后期考核工作：每次课结束前，应明确下次课教学内容和对应的网络资源材料;每次课开始时，需通过提问、课堂练习等方法检查学生课后自主学习效果，对共同存在的疑难问题要及时解释，强化理解。基于网络教学资源的自主学习模式，不但调动了学生的主动性和积极性，而且自主学习环节实际上是一次学习阶段，课堂提问与检测环节则是二次学习阶段，课后作业、答疑等环节则是三次学习阶段，三者具有一定的时间差，对课程知识点的理论和吸收具有良好效果，尤其是课程教学。
（三）基于计算机和编程技术的项目式教学模式改革
项目式教学分为科技论文写作与课外大作业两类。在机械原理学科发展方向调研和文献查阅基础上，每位学生选择一个自己感兴趣的方向，如机械发展史、医疗机器人、生物机械、仿生机构、微小机械等，严格按照国家科技论文写作要求和规范撰写报告，包含题目、中英文摘要、中英文关键词、引言、正文、结论和参考文献等部分。
课外大作业是项目式教学的重点，引入计算机技术和Matlab软件进行机械原理课程课外大作业的解析法分析。课外大作业包括运动分析、力分析、连杆机构设计、凸轮轮廓曲线设计、齿轮轮廓曲线设计和速度波动调节这六种类型，要求全体学生自行分成3-4人一组，从六类大作业题目中分别选择三项，共同完成分析建模、编程求解、报告撰写、演示答辩等环节，各团队成员必须有明确的分工与协作，禁止以逸待劳现象。完成后要求提交大作业实践报告、Matlab程序源文件及分析建模的关键草稿纸等材料，实践报告应达到内容完整全面、字迹图标工整清晰、格式符合国家科技论文规范等要求，Matlab程序源文件应达到运行流畅、注释合理充分、格式整齐美观等要求。
项目式教学实施过程中，以学生为主体，教师起引导答疑作用，实现科研基本思路和规范的训练，培养学生运用计算机和编程技术进行学习、研究的能力，为学生后继其他课程的学习、课程设计、毕业设计以至毕业后科研创新打下良好的基础，培养学生进行科学研究或工程设计的良好习惯。
三、课程综合改革实践效果与注意事项
通过机械原理课程教学改革与实践，在掌握课程基本理论、基本知识和基本技能基础上，学生的机构设计、综合、创新等专业能力和系统性工程意识、基本的科研素养得到显著提高，在后续的专业课程、第二课堂（如课外科技制作、机械创新设计大赛等）、毕业设计等学习环节中充分发挥作用，尤其是第二课堂，机械类专业学生兴趣浓厚，积极主动，上手快，创意多，动手实践能力强。
由于机械原理课程教学改革涉及内容体系、课堂教学、课内实验、课外大作业和期末考试以及相应的考核方法，存在面广、点多、工作量大等问题。为保证课程教学与考核方法综合改革实践的效果，应注意以下几个事项：
（一）学生的兴趣与投入。课程学时不断压缩，课堂教学时间越来越短，但教学内容与要求反而提高，而课余活动（尤其是网络普及带来的网络活动）不断丰富，导致学习时间减少。针对现状，必须全面激发学生的学习兴趣，自主投入一定的课外时间用于课外学习，包括项目驱动式课外大作业、课外科技创新与制作等内容。
（二）教师的钻研与投入。目前高校普遍存在“重科研、轻教学”的问题，使职称评审、考核奖励等活动的科研成果要求不断提高，导致教师对教学的专研精神和精力投入不足，需从学校制度上做适当引导，如我校职称评审中的教学绿色通道和重金奖励的教学模范奖，将教学成绩、学生评价作为考核指标。
（三）课外学习资源的建设与应用。课外学习的硬件资源包括场地（如开放教室、实验室、机房等）和慧鱼组合模型、常用工具、常规机床等设备设施;软件资源包括课外大作业的项目和本科生创新计划、机械设计创新大赛等活动。
四、结束语
为从知识、能力和素质三个层次上提高机械原理课程教学质量，进行了课程体系梳理、教学方法改革与实践，构建有机统一的课程教学模块，实践基于慧鱼组合模型、网络教学资源、计算机和编程技术的新型教学方法，有效提高了学生知识水平、专业能力、工程意识和科研素养。
[ 注 释 ]
[1] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.
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[6] http：// / details？uuid=8a833996-18ac928d-0118-ac9291e8-0636 / 2014-02-20.
机械创新设计的基本原理范文5
关键词：压电发电；振动能量；振动测试
中图分类号：TP207 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）04-0900-03
Test and Reproduce of Vibration used for Piezoelectric Power Generation
LI Hong-yan
（College of Electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804，China）
Abstract： Introduced the present situation of piezoelectric power generation from vibration， in recent years， as more and more green energy is demanded， using piezoelectric material to harvest vibration energy from environment become the focus of study. Introduced the basic principle of piezoelectric power generation， piezoelectric power generation is realized by using the piezoelectric material's piezoelectric effect. Designed test system and test the roadbed vibration waveform ，discussed a way to reproduce the vibration wave in the laboratory.
Key words： piezoelectric power generation； vibration energy； vibration test
近年来，随着经济全球化、人口的不断增长以及科技的飞速发展，能源在整个人类社会生活中所占据的地位越来越重要。能源的发展以及环境保护也成为全人类关心的焦点问题之一，也是我国社会经济发展的重要问题[1]。同时，随着环保意识的增强，排放标准要求越来越严格，使得人们对电力的需求日趋增强。随着新型高效压电材料的快速发展，利用环境中的机械振动来发电的研究与利用变得愈加的热门。
环境中到处存在着可利用的机械微能源，如列车经过时路基的振动，隧道中车辆驶过时引起的风能和噪声能源。这些能量均可以利用压电材料的压电特性将其转换为电能。
本文主要内容包括：压电发电原理的主要介绍；可用于压电发电的振动的测试实验；实测振动谱复现方法的研究。
1 压电发电基本原理
1.1 压电效应
某些晶体在受到机械力作用而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现数量相等的异号电荷，这也就是压电现象。具有压电效应的介质叫做压电体。通过进一步的研究科学家发现，压电体分别有两种压电效应：正压电效应、逆压电效应。
在无电场条件下，只有晶体的应变或应力，由于“压”而产生“电”的效应叫做正压电效应，如图1所示。
压电材料由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应，如图2所示。
1.2 压电方程组
压电方程是全面描述机电耦合与变换中应变[S]、应力[T]、电位移[D]、电场强度[E]这四个变量之间的线性关系的数学表达式，它集中表达了正、逆压电效应变量间的数量关系。压电材料在[T]和[E]作用下，产生电位移[D]与应变[S]的方程为：
[S=sET+dtE] （1）
[D=dT+εTE] （2）
式（1）（2）中，[εT]为应力恒定时的自由介电常数矩阵，[D]是电位移，[E]是电场强度，[d]是压电常数矩阵，[dt]是逆压电常数矩阵，[S]和[T]分别是应变和应力， [sE]为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵。
2 振动测试
为了更好的了解环境中存在的振动能源的特性，笔者去实地进行了振动测试。
测试系统包括传感器、A/D采样器和上位机。其中用了加速度传感器和速度传感器分别如图3和图4所示。
本课题进行了实地测试。测试地点为11号线昌吉东路地铁站附近，图5为列车经过时路基的振动时域图。
将时域波形进行FFT变换后得到路基振动谱的频域波形，如图6所示。
由图6可以看出峰值频率主要集中在35-85Hz，其中75Hz点较大。因此，我们在设计压电振子时，应该尽量使其一阶谐振频率在35HZ～85HZ之间，最好是在75HZ，这样压电振子在隧道环境中会有更多的可能在谐振频率下工作，从而提高从机械能到电能的能量转化效率。
3 振动谱复现方法探讨
在实际设计压电振子时，我们只关心隧道中路基振动频谱的能量主要集中在那个频率附近，从而为我们设计压电振子提供必要的参数。考虑到压电发电装置的设计需要多次反复实验，加之列车每次经过时隧道路谱具有重复性质，因此可以尝试设计一套可以复现路基振动频谱的模拟实验平台，在此平台上完成压电发电装置设计和初步实验，这是非常有意义的。
为此我们设计了一套模拟振动路谱的实验系统如图7所示。
由于隧道中振动的时域信号可能在每次测量、在不同路段测量时不尽相同，但理论上频域的波形则会非常接近，更能反应系统振动的特征信息，因此在通常路谱模拟实验中都以路谱频域信号作为控制对象。如图7所示就是将列车经过时振动的时域波经过FFT变换[2]后作为控制目标，通过功放驱动振动台，并激励压电发电装置进行工作，为了保证振动台输出的谱线与实测的谱线吻合，系统要建立闭环的控制。
4 总结
本文主要介绍了一种可以测试环境中振动波形的测试系统，改系统由传感器、A/D采集系统和一台上位机组成。进行了实地的振动测试，由测得的时域波形和频域波形得知，列车经过路基的振动频率主要集中在35HZ～85HZ，最集中的频率点为75HZ，这为设计压电振子提供的依据，因为压电振子工作在谐振频率时发电能力最强[3]。最后文章探讨了一种在实验中复现室外环境中所测得波形的方法，设计一个闭环控制系统。
参考文献：
[1] 张存娥.压电材料的风能转换装置理论研究与创新设计[D].西安：西安理工大学，2009.
机械创新设计的基本原理范文6
机械是我国制造产业不可或缺的部分,特别是应用在人类生产生活中的一些十分关键的机械化生产。随着经济的发展和科学的进步,机械设备也在不断丰富和发展,把人类从繁重或危险的劳作中解救出来。目前,虽然我国在机械设计和理论上都有很大的进步,可是对于少数问题的解决还存在着很大的不足,这就要求机械设计研究者进行大量实验并对实际问题展开深度研究。七年前,我国制造业的工业增加值已经跻身世界第二的位置,进一步证明我国俨然可称作制造大国,但这并不意味着我国就是制造业强国,两者之间是量和本质的根本差异。我国的机械设备和产品即没有真正形成自主知识产权,产品的制造和设计水平也远远落后于发达国家,而且在产品的功能等方面更是严重缺乏创新性。1949年后我国的机械设计水平开始有了长足的发展,但依然无法与发达的德、美、日等工业强国媲美,依然处于落后地位。这种长时间的落后现状也正说明了我国在机械产品方面的设计理论、方法以及技术领域极度缺乏创新性,另一方面也预示发展我国机械产品现代设计理论方法研究的重要性和紧迫性。所以,一定要加强深化现代设计理论方法的探索研究,把现代设计理念全面应用于到我国的制造业当中去。
2新型机械设计发展意义
2.1个人利益需求。从生产者的个人利益而言,机械的设计与制造应为其带来可观的收益,这是机械设计与制造的动力之一。2.2社会的需求。机械设计需要体现对生产力的提高作用,体现在新的经济条件下新的生产形式或表现。因此,新型机械的设计需要社会的需求和个人利益两方面的动力。但并非每一项新型机械的设计都能满足社会的发展需求和个人的利益要求。因此,如何设计出既符合时代要求,体现时代特征,又能促进经济发展的机械是每一个机械设计者都要思考和着重解决的问题,也是实现个人利益的决定因素。
3机械设计理论的发展方向
随着市场需求的多元化与产品质量标准的不断提高,我国现代机械设计理论方法的发展也在不断的发生变化。总而言之,我国现代机械设计理论理念和方法未来需要在这些方向上贯彻执行:第一,在功能上要实现高精度、高效率、智能化;在外观操控上要实现轻量型、多便捷性;在层次上重点发展集成化。具体来说,我国现代机械设计理论方法的发展对象由单机走向了系统,设计的根本诉求由一个个小目标的实现不断走向众多大目标的达成,进而减少产品设计的时间;设计应用的领域也由单一化延伸到更多领域;产品设计由自由发展走向了有条不紊地发展;设计工作的人员从一个人走向了团队化。
4机械设计理论在汽车工程上的研究
4.1汽车工程概述随着工业革命的发展,人类历史上出现了第一辆汽车,近年来,伴随汽车工业的异军突起,汽车作成为当今社会生活必不可少的一部分,已经被广泛普及。汽车带来的出行或运输便捷性提高了人们的生活质量,加快了生活节奏,更为人类文明的发展和进步产生了巨大影响。但是,在之前的几十年中即便我国的汽车产业发展已经发生了巨大的进步,可当下的科学技术水平依然还存在局限性,对于汽车的研究在各方面还需要更进一步的提高。新型机械设计理论以及一些基本原理在汽车工程方面有着很大的研究方向,并且对其有着一定的推动作用。4.2机械设计理论应用于汽车工程上的意义汽车工业的发展也是一个国家制造业前进的有力代表,并直接影响该国家制造业的发展进程。在一定意义上讲,汽车工业不仅是最广泛的一种工业,还是最新技术的最大载体。举个例子,有些航空、航天领域的高新技术只有通过汽车工程工业才能够更好的转化形成规模型的产业,这就说明新型机械设计理论及基本原理在汽车工程、工业上有着很大的促进作用。随着社会发展,对于汽车工程技术的研究有着越来越高的标准,这也迫切需要研究工作将机械设计理论揉入汽车工业,推动汽车工业的发展。在实际生活当中,对于汽车工程的研究归根结底是技术方面上的研究,技术研究又离不开实际操作方向上的研究,这些实际操作上的研究与机械设计的基本理论有着密不可分的关系,甚至有些实际操作有着很强的密切性。比如汽车的噪声、振动等研究,同时这些实际操作对于这些问题的解决有着很好的作用效果。
5新型机械设计理论在汽车工程上的应用
5.1在汽车工程噪声和振动上的应用汽车是企业生产、人们生活和商业运行各方各面必不可少的交通工具。汽车各个零部件是否能高效、安全运转,是否能够促进运输的高效安全进行,关乎人门的衣食住行和交通安全。如果汽车零部件或者其他重要设备一旦出现问题,那么就势必会对汽车的安全造成影响从而给人们出行带来威胁。汽车无法正常行驶,甚至会产生故障,故障性振动就是其中一大问题。车辆工作条件下乘客感受到的噪声、振动和声振粗糙度,是判断汽车质量的一个综合性指标。这项指标分析是评价汽车舒适性的又一项十分重要的指标,直接关系到了汽车产品的市场形象。减少以上现象的最简单的办法就是避免输入载荷频率和结构模态频率接近,可以利用频率分布表完成这一工作,不仅有助于对振动频率进行匹配,用于消除振动过程中出现的耦合现象,还有利于改善产品的振动特性,从而可以大大降低汽车的噪声及振动。利用NVH分析可以预先得到新开发车型性能指标,还能对设计以及制造等各个环节进行更好的优化和完善。该分析不管从设计成本上,还是从开发周期上,都为设计新型车型提供了很好的保障。5.2在汽车结构强度与模态分析及结构优化上的应用在世界经济和社会全面发展的趋势下,节能、舒适、降低排放和提高安全性已经成为现代汽车结构、性能和技术的一个关键研发方向。车身轻量化发展主要优化汽车框架和结构、车身制造上采用高强度低密度材料,如高强度和汽车高强度板料两个方向。车身是车的主要组成,车身必须有很好的强度从而保证车的寿命,以足够的刚度来保证车的装备与使用要求。在机械创新设计与检测技术中,机械有限元分析的方法能够有效地满足上述车身的设计,其主要应用体现在两方面:一方面是在汽车设计中对结构件、主要机械零件的强度、刚度和稳定性进行分析:另一方面是在汽车结构分析中通常采用有限元法来进行各构件的模态分析,同时在计算机上可以清晰地观看各构件的振动模态,这就为结构的动态设计提供了方便。因此说有限元分析的方法在汽车结构上的应用提高了车身设计水平。
6结语
机械设计的基本原理以及设计理论在制造等产业有着很好的应用前景,特别是在汽车工程方面,绝对发挥着良好的效果,不仅对汽车工程技术和实际操作上的研究有贡献,还对汽车工程、设计上的具体应用起到推动作用,对于汽车工程的发展有着积极效果,对社会发展也有着深刻的促进意义。
作者:李宪才 单位:河北农业大学机电工程学院
参考文献
