《機械設計基礎實驗教程》是根據專業(yè)培養(yǎng)總目標，在機械設計基礎系列課程實驗教學改革和實踐的基礎上編寫的，以面向機械工程設計為主線，重點闡述學生在現代機電產品開發(fā)設計過程中必須掌握的機械設計基礎相關實驗的基本原理、基本技能與實驗方法，培養(yǎng)學生綜合應用學科知識的能力和創(chuàng)新能力，幫助學生鞏固和加深所學的理論知識。《機械設計基礎實驗教程》按實驗獨立設課的需要編寫，主要內容包括四大模塊：①工程圖表達實驗；②原理和結構分析實驗；③運動學、動力學參數測定和性能測試實驗；④創(chuàng)新性、研究性實驗。全書共計24個實驗項目，按3個層次分類，項目之間相對獨立，各高校可按各自的實際情況選用。
《機械設計基礎實驗教程》可作為普通高等院校機械類相關專業(yè)的實驗教材，也可供教師、一般工程技術人員和科研人員參考。
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本書主要內容包括四大模塊: 工程圖表達實驗; 原理和結構分析實驗; 運動學、動力學參數測定和性能測試實驗; 創(chuàng)新性、研究性實驗。全書共計24個實驗項目, 按3個層次分類, 項目之間相對獨立, 各高�？砂锤髯缘膶嶋H情況選用。
目 錄
前言
第1章 緒論 1
1.1學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實驗課程任務 1
1.2本課程實驗教學內容體系及特點 2
1.3本課程實驗教學目標和方法、手段 4
1.4如何學好本課程 6
參考文獻 6
第2章 工程圖表達實驗 7
2.1齒輪泵測繪 7
2.2三維軟件認知實驗 13
參考文獻 20
第3章 原理和結構分析實驗 21
3.1機構運動簡圖測繪和分析 21
3.2漸開線圓柱齒輪的范成原理實驗 24
3.3漸開線直齒圓柱齒輪參數的測定 28
3.4軸系結構分析實驗 32
3.5減速器拆裝及結構分析 37
3.6汽車發(fā)動機拆裝及結構分析 42
3.7汽車變速器拆裝及結構分析 53
參考文獻 65
第4章 運動學、動力學參數測定和性能測試實驗 66
4.1機構運動參數測定 66
4.2回轉構件的動平衡實驗 70
4.3機組運轉及飛輪調節(jié) 83
4.4螺栓組及單螺栓連接綜合實驗 90
4.5鏈與萬向節(jié)傳動實驗 97
4.6帶傳動特性實驗 102
4.7封閉功率流齒輪侍動效率的測定 106
4.8液體動壓徑向滑動軸承實驗 112
4.9機械傳動綜合實驗 120
參考文獻 126
第5章 創(chuàng)新性、研究性實驗 127
5.1典型機械設備認知與方案創(chuàng)新實驗 127
5.2機構運動方案創(chuàng)意設計模擬實驗 133
5.3機械傳動（含機構）方案設計與綜合測試實驗 152
5.4機械手程序控制及應用 161
5.5凸輪輪廓測量及反求 166
參考文獻 172
第6章 慧魚創(chuàng)意設計實踐 173
6.1認識慧魚模型 173
6.2接口板與軟件的使用說明 182
6.3工程方案創(chuàng)新實訓系列實驗 198
參考文獻 207
第1章 緒論
1.1 學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實驗課程任務
競爭是市場經濟制度的基礎，競爭無處不在。但競爭的法寶是創(chuàng)新，一個單位需要靠創(chuàng)新、靠點子、靠思路來增加核心競爭力。作為國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，高校應該在人才戰(zhàn)略的高度來認識創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，為建設創(chuàng)新型國家，大批培養(yǎng)我國經濟、科學技術和社會發(fā)展急需的有開拓進取精神的創(chuàng)新型人才。
對于工程創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，工程實踐能力無疑是基礎。學生的工程創(chuàng)新能力，應該是創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實踐能力的總和，一個是“想” ，一個是“做” 。凡是能想出新點子、創(chuàng)造出新事物、發(fā)現新路子的思維，都屬于創(chuàng)新思維，它是創(chuàng)新實踐和創(chuàng)造力發(fā)揮的前提。創(chuàng)新實踐則是通過創(chuàng)新思維得出的創(chuàng)新方案或思路，在現實中的實施，以獲得創(chuàng)新結果物化的活動，其最終使創(chuàng)造力得以展示。而工程創(chuàng)新活動本身就是實踐，沒有實踐，好的想法就無法轉換成現實。只會“想” ，不會“做” ，工程創(chuàng)新思維就無法變成工程現實，從事工程活動所追求的建構新的存在物，就無法突破�？梢�，工程實踐能力是創(chuàng)新能力的重要組成部分。為此，需要將工程創(chuàng)新所需實踐能力看成高校工科人才培養(yǎng)的關鍵之一，在教學各相關環(huán)節(jié)進一步強化實踐，保證學生在理論知識面廣度和深度上的獲得與工程創(chuàng)新能力的提高在工程實踐中達到協(xié)調發(fā)展。
實驗室是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的重要基地，實驗、實踐則是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，實驗、實踐教學是工科學生綜合能力培養(yǎng)的重要途徑。學生的知識、理論和技能需通過實驗和實踐來理解、掌握和訓練，學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題能力，創(chuàng)新能力，以及科學精神、協(xié)同能力等創(chuàng)新意識需要在實驗、實踐中培養(yǎng)，這是工科高校開設實驗課的主要任務。另一方面，實驗室是發(fā)現、發(fā)明和工程創(chuàng)新的搖籃。大量的發(fā)現、發(fā)明來自于實驗室的試驗、實驗活動；如設在麻省理工學院的林肯實驗室、加州理工學院的噴氣推進實驗室、加州大學的勞倫斯伯克利實驗室等因此出了很多諾貝爾獎獲得者。由此可見，實驗室也是衡量學校辦學實力和人才培養(yǎng)質量的標志。在新形勢下，我們要積極利用先進的實驗資源平臺，重視實驗教學環(huán)節(jié)，滿足教育部實驗、實踐教學占培養(yǎng)計劃學時25% 以上的規(guī)定，主動在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中發(fā)揮理論教學不可替代的作用。
但是，我國普通高校由于長期受應試教育的影響，普遍存在著“重課堂教學、輕實驗環(huán)節(jié)”的現象，如實驗教學零散于理論課程中教學雙方不重視，還有實驗創(chuàng)新教育認識不夠，以及教學工程背景弱化、教學內容與工程需求脫節(jié)、學生難以學以致用等諸多問題。我國培養(yǎng)的工科大學生與歐美等教育發(fā)達國家學生相比，其應試能力具有很大優(yōu)勢，但缺乏創(chuàng)新思維和技能，不善于利用現有條件和創(chuàng)造條件等，尤其在動手能力與創(chuàng)新能力等方面明顯處于劣勢。這些問題造成一些學生缺少最基礎的工程能力，如畢業(yè)設計時學生實驗設計無從下手，基礎知識不會綜合應用；就業(yè)時反映出學生的工程實踐經驗缺乏，脫離實際不受歡迎。因此，嚴重影響了高等工程教育培養(yǎng)品質，也嚴重影響了學生創(chuàng)新能力的開發(fā)，阻礙了國家科技實力的發(fā)展提高。所以，工程創(chuàng)新教育的改革，加強實驗、實踐教學已是刻不容緩。目前許多高校實驗單獨設課，就是解決問題的有效途徑之一。
機械設計基礎實驗在機械類專業(yè)培養(yǎng)中有舉足輕重的地位，課程的任務不僅培養(yǎng)學生系統(tǒng)地掌握機械設計基礎領域的實驗原理、方法手段和實驗技能，包括機械功能和結構表達與綜合分析，一般運動參數、動力學參數，以及機械性能參數測試，而且使學生具備將來獨立進行工程實驗研究的能力，包括實驗方案設計、儀器設備選用和系統(tǒng)搭接，實驗過程操作，實驗數據分析處理以及實驗方面創(chuàng)新活動。機械設計基礎實驗對后續(xù)的機械制造基礎、專業(yè)課實踐環(huán)節(jié)以及畢業(yè)設計都有極為重要的影響和積極作用。
1.2 本課程實驗教學內容體系及特點
本實驗教程覆蓋機械制圖、機械原理和機械設計三門技術基礎課的實驗。對于機械類專業(yè)學生而言，這三門是設計系列的專業(yè)核心課程，不僅理論課學時多，并且很多高校已將實驗從傳統(tǒng)的依附于理論課而變革為獨立設課。實驗課時大大增加，實驗目標和要求進一步提升，實驗方法和手段也進一步更新。
結構決定功能。為了達到機械類專業(yè)培養(yǎng)教育目標，更好地滿足學生全面發(fā)展和個性化要求，需要根據機械設計基礎課程體系，通過深化改革，科學地、系統(tǒng)地構建實驗教學模塊結構及內容體系。
首先，從課程涵蓋的內容考慮，三門課程教學的主要目標是培養(yǎng)機械設計工程師需要掌握的領域基本知識、基本方法和基本技能，包括工程圖的表達、機械原理方案設計、機械結構方案設計、機械運動學分析與設計和動力學分析與設計5 個模塊。作為相關的實驗課程，根據專業(yè)培養(yǎng)總目標，以面向機械工程設計為主線，主要是培養(yǎng)學生在機電產品開發(fā)設計過程中必須掌握的機械設計基礎相關實驗的基本原理、基本技能與實驗方法，所以構建的實驗內容體系由3 個模塊組成，分別是工程圖表達實驗模塊，原理和結構分析實驗模塊，運動、動力學參數測定和機械性能測試實驗模塊。其次，為促進學科知識綜合應用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，內容體系適當拓展，將三門課程的相關實驗內容與新技術、創(chuàng)新技法交融，構成第四個模塊：創(chuàng)新性、研究性實驗模塊。
從實驗教學層次劃分，構建多層次的實驗教學體系，主要劃分為兩大類：一是基本型實驗；二是提高型實驗�；拘蛯嶒灠ɑA性實驗模塊（包括驗證、認知實驗）和設計性、綜合性實驗模塊兩類，而提高型實驗主要包括創(chuàng)新性實驗和研究性實驗。所以，針對機械類專業(yè)學生的大工程教育趨勢和特點，我們從認知性和驗證性實驗，到設計性和綜合性實驗，再到創(chuàng)新性和研究性實驗，建立了三個層次的實驗教學新體系，可以滿足機械類專業(yè)人才的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求。
對于具體實驗項目選編，一是考慮教學改革的需要，有的教學內容需從純理論教學轉為實驗、實踐教學，有的理論教學內容還需要通過實驗教學深化理解和鞏固；二是結合相關高校的實驗教學實際情況，本教材精選了共24 個相對獨立的實驗項目。其中基礎性實驗9 個，設計綜合性實驗9 個，創(chuàng)新研究性實驗6 個，能夠滿足機械類專業(yè)學生的機械設計基礎實驗教學需要。具體教學內容和教學參考學時分配如
表1.2.1 所示，實施時可以根據需要選擇。
必須指出，所列創(chuàng)新性、研究性實驗項目僅是參考專題，各校實施過程中可以從科學研究、生產實踐和實驗室建設等項目中提煉出來新專題，也可以鼓勵學生自主選擇實驗課題。
上述所建實驗教學內容體系所包括的實驗項目，系統(tǒng)地考慮了與理論課內容體系的呼應，強調了基本與拓展、傳統(tǒng)與現代、創(chuàng)新與繼承、課內與課外的結合，并具有以下特點：
（1） 實驗項目具有工程性和先進性，許多傳統(tǒng)實驗項目體現出“改造一新”的特色，如在實驗過程及實驗報告撰寫中融入學生的自學、探索、應用、動手、編程、改變實驗條件、查找資料等要素，有利于提高學生的學習興趣并培養(yǎng)學習能力。
（2） 遵循教學設計的基本原則，實驗項目具有層次性、獨立性和可選性（包括儀器設備可選） ，便于因材施教、因校施教，便于開放選修管理，滿足學生個性化培養(yǎng)的需要。
（3） 不少實驗項目，尤其是提高型實驗項目選自有關高校實驗教學改革的成果，結合實驗儀器設備的開發(fā)，具有明顯的特色和示范輻射作用，具有引領性。
（4） 重視理論指導實踐，對一些實驗前必須理解的或實驗中需結合的知識點專門提出要求，以求好的實驗效果。
（5） 打破常規(guī)的按理論來建立的實驗內容體系，改以機械工程設計為主線，并將設計性、綜合性實驗歸入基本型實驗，有利于“學以致用”目標的實現。
1.3 本課程實驗教學目標和方法、手段
實驗教學是培養(yǎng)高素質、創(chuàng)新應用型人才的重要手段。正如前面所說，目前實驗教學問題不少，需要針對性地開展實驗教學改革，除實驗教學內容體系外，尤其對實驗教學的方法和手段的改革更應重視。改革的關鍵是明確實驗教學目標和具體目的，根據實驗項目結合學生特點探索有效的實施途徑，這是提高實驗教學質量的有力保證。
機械設計基礎實驗課程總的教學目標是通過4 個模塊的基本型實驗和提高型實驗，使學生針對機械設計基礎領域掌握必要的實驗原理、技術和方法，同時經過專門的實驗訓練，積累必要的實驗經驗，以便今后能夠獨立開展這方面的實驗研究�；A性實驗教學目標是使學生掌握基本的實驗測量技術、實驗方法和實驗技能，為以后進行更復雜的實驗打下基礎。通過驗證、演示和基本操作等手段，要求學生根據實驗指導書的要求，在教師指導下，按照既定的方法和儀器條件完成全部實驗過程。但實驗過程中，不應過分強調驗證基礎理論知識，而是以培養(yǎng)基本能力為主，適當地漸進安排設計性和研究性的內容，在鞏固和加深課堂教學基本理論知識、培養(yǎng)學生基本實驗能力的同時，開拓學生思路，提高學生機械基礎方面的分析和設計能力。
綜合性、設計性實驗教學目標的重點是培養(yǎng)學生的綜合設計能力和實踐能力，同時積極鼓勵學生在綜合和設計過程中發(fā)揮創(chuàng)新潛力。綜合性實驗的目的在于通過實驗內容、方法、手段的綜合，培養(yǎng)學生進行比較復雜的綜合實驗的能力，培養(yǎng)學生綜合分析問題的素養(yǎng)。在實驗過程中側重綜合應用，要求學生拓展知識面，綜合運用所學的知識和不同的實驗方法手段，站在一定的高度，以充分體現對學生知識、能力、素質的綜合鍛煉和訓練培養(yǎng)。設計性實驗的目的在于通過學生對實驗的自主設計，體現學生的學習主動性、對實驗內容的探索性，培養(yǎng)學生綜合應用知識解決問題的能力。在實驗過程中，要求學生根據設定的實驗目的（實驗任務與要求） 、給定的實驗條件，自行設計實驗方案、選擇實驗方法、選用實驗器材、擬定實驗程序，自主完成實驗任務并對實驗結果進行分析處理，從而全面提高學生的素質和創(chuàng)新能力。
創(chuàng)新性、研究性實驗教學目標的重點是培養(yǎng)提高學生機械基礎工程實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新性、研究性實驗是具有研究性和探索性的大型實驗，其特點是實驗內容的自主性、實驗結果的未知性、實驗方法與手段的探索性。在實驗過程中，要求學生通過查閱資料、設計實驗方案、組織實驗實施、撰寫總結報告等全過程，獲取新的知識和經驗，得到全面組織實驗的鍛煉。同時，學生重點通過對實驗的探索，加強自身的研究性學習，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力、創(chuàng)新實驗能力、科技開發(fā)能力和科技研究能力，從而提高從事科學研究、工程實踐和科學實驗的素質和能力。
為實現實驗教學目標，提高實驗教學質量，必須堅持先進的實驗教學理念：“實驗中創(chuàng)新，實踐中完善” ，需要在過程中重視創(chuàng)新教育，完善能力培養(yǎng)；“不同實驗不同實施” ，需要針對不同教學目標的實驗項目，采用不同的教學方法和教學手段。首先，作為專業(yè)培養(yǎng)中不可替代的重要環(huán)節(jié)，在教師主導上要體現“‘五用’并行教學法” ，使作為學習主體的學生在教學過程中“用耳、用腦、用眼、用手、用嘴” ，充分發(fā)揮學生的能動性。其次，盡管獨立設課，但需要充分理解本課程是以理論為基礎的實踐性課程，應注意兩者的教學協(xié)調和結合，重視理論指導，要把握以下原則：學生做好實驗預習，打好實驗基礎。對于拓展性的內容，教師要首先做好理論知識鋪墊，以免學生因理論基礎不足失去實驗興趣。另外，教師要積極鼓勵學生創(chuàng)新，在實驗中培養(yǎng)創(chuàng)新意識，加強創(chuàng)新技法的應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。
在具體教學方法和手段上，要求如下：
（1） 教學方法采用“項目驅動” ，教師要有重點地加以引導。將實驗項目作為一個課題來處理，讓學生積極參與討論，引導學生積極思考，提出實驗的新想法，引導評價其可行性。同時在過程中提倡自主學習、研究性學習方法。
（2） 實驗手段要符合工程背景，盡可能依托工業(yè)級實驗設備和實驗儀器，以及實際零部件，進行機械設計性能指標的考量，加深學生在實際應用上的認識。
（3） 采用多媒體輔助手段，特別是對目前暫無實驗條件的先進實驗技術或因各種因素限制而無法讓學生親身體驗，但又對開闊學生視野、拓展知識面極有幫助的某些實驗內容，可結合使用多媒體、錄像等手段實施，以拓展學生的視野，激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣。
（4） 重視比較方法。教師在引導學生關注共性測試技術的同時要強調具體實驗對象和方法的特殊性，進行比較和評價；引導學生關注理論分析和計算與實驗結果的差異，并查找原因。這能夠加深學生印象，有助于學生工程實踐能力的提升。
（5） 教學過程要引導學生深入把握實驗原理，強化動手環(huán)節(jié)和數據分析處理環(huán)節(jié)，一改以往傳統(tǒng)實驗“電鈕一按，數據一抄，報告一交”了事的教學模式。同時，要注重培養(yǎng)學生的表達能力，包括口頭表達和書面表達能力，要求學生按照實驗的內容和要求及時完成實驗報告。
（6） 實行開放性實驗教學。要分層次指導，因材施教，滿足學生的個性化需求，充分發(fā)揮學生的學習自主性。對于鉆勁足的學生，應積極引導他們參與開放性的提高型實驗。
1.4 如何學好本課程
對于機械類大學生來說，實驗室是非常重要的學習場所，不僅課堂學到的理論知識需要通過實踐活動消化吸收（理解）和掌握（會用） ，而且工程創(chuàng)新活動需要借助實驗平臺的支撐，并且在實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新意識，鍛煉創(chuàng)新能力。本書覆蓋的三門課程是機械類學生的核心課程，學生要掌握相關的實驗實踐方面的能力，必須提高對本實驗課程的認識，理解工程實驗的內涵及其重要性。為有效地實現實驗教學目標，學生應該堅持“五用”原則，即在實驗過程中“用耳、用腦、用眼、用手、用嘴” ，要學會用耳傾聽，用腦思考，用眼觀察，用手體驗，用嘴表達。
本課程是在理論基礎之上的實踐性環(huán)節(jié)，學生首先必須做好實驗準備，了解實驗須知，聚精會神地傾聽指導教師的理論知識鋪墊，弄清實驗原理，注意觀察實驗過程具體細節(jié)，同時多思考，多提問，多討論，多與組內學生溝通，多與指導教師溝通。
作為實踐能力提高的前提，在實驗中學生必須多動手，親力而為。在實驗小組內，學生不能袖手旁觀，“親口嘗試才能知道梨的滋味” ，親自動手才能取得第一手資料，不僅能提高自己的動手能力，而且能鞏固和加深所學知識。
同時學生要鍛煉自己的表達能力。在實驗中要多提問，多回答，提高口頭表達能力。實驗后，要根據實驗報告中設計的內容要點，書面描述相關的內容。通過撰寫報告，一方面提高書面表達能力；一方面加深對實驗和結果的理解。
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