CТРУКТУРА БАЗОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ И СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Капитонова К.А., Гуревич А.И.

Ключевые слова: преодоление междисциплинарных границ, системообразующий комплекс представлений


THE STRUCTURE OF THE BASIC CONCEPTS AND THE CONTENT OF VOCATIONAL EDUCATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Kapitonova K.A., Gurevich A.I.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Капитонова К.А., Гуревич А.И. Cтруктура базовых представлений и содержание профессионального образования в машиностроении // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/07/15824 (дата обращения: 20.11.2016).

Авторам удалось выделить единый блок  системообразующих понятий о машинах и механизмах, на основе которых  составлена  единая  логическая структура исходных представлений в машиностроении. Содержание профессионального образования в машиностроении предложено разделить на три блока: «Принципы работы и устройства механизмов» (базовый курс), «Основы создания машин» (общие вопросы проектирования и производства машин), «Процессы создания машин в отрасли».

Для базового курса разработана конкретная схема  организации профессиональной части  учебного процесса

Принятая схема позволяет  студентам  с  первых дней  обучения начать практическое   освоение профессии без разделения знаний по дисциплинам.

Предложено использовать положения базового курса для дальнейшего упорядочения содержания при изучении процессов проектирования и изготовления изделий машиностроения в соответствии с  порядком процедур, принятым в реальных процессах.

Предлагаемая схема учебного процесса дает возможность  комплексно  решать большинство обсуждаемых  сегодня проблем реформы образования: преодоление междисциплинарных границ, проблемно-  и практико-ориентированное, развивающее, опережающее, контекстное  обучение, повышение мотивации учащихся и т.д.

Работа предназначена для специалистов в области формирования содержания учебного материала и преподавателей учебных заведений в машиностроении, а также может быть интересна различным специалистам в области машиностроения и  студентам машиностроительных специальностей.

1.Исходные положения и цели работы

Одной из основных тенденций в современной науке считается [1]   нарастающий прагматизм ученых. Для большинства ученых приоритетными являются в настоящее время работы прикладного характера с относительно коротким инновационным циклом  и достаточно надежным экономическим эффектом. В машиностроении такие работы связаны с решением конкретных задач, связанных с конструированием, технологиями, процессами и оборудованием производства изделий.  Приоритетное развитие  прикладных исследований обусловило накопление в науке отрасли появление огромного количества конкретной, но мало упорядоченной информации.  Процессам переработки информации, ее организации (структурирования) на всех этапах развития машиностроения уделялось гораздо меньшее внимание.

Общеизвестно, что изначально в знаниях о механизмах и машинах образовалась и была узаконена в учебных программах (первую учебную программу относят к 1844г)  решетка дисциплин.   В дальнейшем  содержание  образования в машиностроении  развивалось  в рамках отдельных дисциплин – относительно изолированно в соответствии с собственной логикой. Вследствие этого сегодня для базового  цикла знаний о машинах и механизмах (определяемого, в основном,  той же решеткой дисциплин) характерны  фрагментарность и большое количество теоретических вопросов  (в ряде случаев неоправданно сложных и абстрактных), содержание которых напрямую не связано со специальностью [2].

В результате таких особенностей развития технических знаний в машиностроении сегодня сложилась ситуация, когда практика существенно опережает  основополагающие представления о машинах и механизмах – понятийный аппарат отрасли. Принятые базовые понятия, представленные в вузах рядом общенаучных и общетехнических дисциплин, не соответствуют современным требованиям практики (в частности – возможностям компьютерной техники) и сдерживают ее развитие. На необходимость более глубокого изучения самих объектов машиностроения (особенно деталей и их поверхностей) в разное время указывали многие специалисты при выполнении различных прикладных исследований     [3,4,5,6,7 и другие]. Более подробно  проблема  рассмотрена в работах  [8,9].

Задача пересмотра базовых представлений  согласуется  также  и  с  одной  из актуальнейших сегодня  проблем информатики [10]  –  необходимостью формирования новой, перспективной структуры (модели)  реальности (предметной области науки), которая была бы более адекватной современным тенденциям развития науки и образования.

В этой ситуации  пересмотр исходных (общетехнических) представлений  о машинах и механизмах является сегодня одной из центральных задач  реформы  профессионального  образования   и развития    машиностроительной науки в целом.

При такой организации учебного процесса студенты не получают целостного представления о работе машин и механизмов и едином процессе их создания, не понимают конкретной цели изучения того или иного  учебного раздела. Это во многих случаях формирует у студентов впечатление непостижимости огромного количества разрозненных сведений  и соответствующее отношение к учебной деятельности.

Однако  именно на первом этапе обучения формируются исходные (базовые) понятия, которые составляют основу  последующего учебного материала и отношение студента к учебе.

Можно предположить, что обучение профессии в профессиональном учебном заведении необходимо начинать с первого дня подготовки будущих специалистов. При этом главной задачей следует считать не сообщение учащимся  возможно большего  количества разнообразных фактов, а развитие у студентов понимания (логики) профессии на профессиональном учебном материале, сочетаемом с практикой. При этом работы практического и лабораторного характера должно быть использованы не только для  закрепление лекционного материала, но, в основном, как самостоятельное познавательное действие.

Задача создания системы представлений,  обладающей единой структурой, является  в настоящее время одной из важнейших в совершенствовании подготовки полноценных специалистов в машиностроении.

Для уточнения задачи работы необходимо рассмотреть основные виды деятельности специалистов в  машиностроении, которые (укрупнено) могут быть разделены на четыре основных группы:

  • Научная и преподавательская деятельность,  в том числе – формирование  содержания профессионального образования и его  непрерывная коррекция, что, в конечном счете, определяет общую  систему представлений в отрасли;
  • Проектирование машин и механизмов;
  • Производство машин и механизмов (разработка технологических процессов, выбор и изготовление оборудования, оснастки, инструмента, внедрение технологического процесса, организация производства  и т.д.);
  • Эксплуатация (техническое обслуживание изделий, их ремонт и утилизация).

 

Основную часть будущих специалистов в машиностроении готовят  для создания машин, т.е. – их проектирования и производства

Вопросы устройства, работы и проектирования машин и механизмов  в традиционном учебном процессе рассредоточены в разных учебных дисциплинах (теоретическая механика, теория механизмов и машин, сопротивление материалов, детали машин и др.).   Необходимость решения ряда новых задач и разработка общей логики процесса проектирования (в т. ч. – на основе представлений о создании оптимальных систем) понимается  сегодня очень многими специалистами [11,12,13,14,15 и другими]. Это свидетельствует о существовании тенденции объединения  представлений о машинах, механизмах. Предлагается, как правило, формальное объединение разных дисциплин или их разделов.  Но даже неформальное объединение традиционных представлений с предполагаемой разработкой общей теории, например,  переработка   курсов «Теория механизмов и машин» и «Детали машин» в общий курс  «Теоретические основы машиноведения» [11], касается только двух дисциплин.

При всей важности указанных работ, следует предположить, что проблема развития общетехнических представлений не может быть решена без выработки единого  блока более общих -  системообразующих-  понятий о машинах и механизмах.

Определение термина «машина» (см. раздел 2.2),  и опыт машиностроения дают возможность заключить, что историческим началом и общей частью всех машин, являются  в настоящее время устройства, осуществляющие  механическое движение – механизмы. Анализ содержания традиционных дисциплин общетехнического цикла показывает, что учебный материал также ограничен, в основном, изучением вопросов устройства,  работы и проектирования механических систем как  базовой части  машин. Такое  исторически сложившееся ограничение принято и в данной работе.

При  подготовке специалистов по созданию машин и механизмов представляется целесообразным разделить изучение объекта и процесса  создания техники. Понятия об устройстве и работе механизмов,  представляющие собой  элементную базу, т. е. базу данных для их проектирования и изготовления, логично выделить в отдельный -  базовый -  курс, предваряющий  и подготавливающий изучение процессов создания механизмов и машин.

Таким образом, для подготовки специалистов в машиностроении логически складываются три основных курса:

  • «Принципы  устройства и работы механизмов» (базовый курс);
  • «Основы  создания машин» (общие вопросы проектирования и производства);
  • «Процессы создания машин в отрасли».

Рассмотрение традиционных базовых понятий в машиностроении с позиций системного подхода и  разработка единой структурной схемы «механизм – деталь – поверхность», предпринятая в работах [8 и 9], показывает, что в настоящее время имеется  возможность существенного упорядочения и уточнения основополагающих представлений  о  механизмах. Предложенная в указанных работах структурная схема представлений использована в качестве организующего стержня и методической основы представляемой работы.

Целью данной работы является разработка единой структуры базового курса «Принципы  устройства и работы механизмов», а также некоторых предложений по курсам создания машин.

Содержание базового курса сформировано на основе  единой структурной схемы понятий о механизме и логически связанных с позициями схемы  поддерживающих  разделов знаний, в основном – разделов ряда традиционных дисциплин.

Такой принцип организации  может быть положен в основу дальнейшего развития и систематизации содержания профессионального образования в машиностроении. Для подготовки специалистов разного уровня содержание учебного материала   может быть сформировано (на единой основе) методом выборки необходимых и достаточных представлений.

Ввиду отсутствия достаточных публикаций  о единой структуре  «механизм – деталь – поверхность» соответствующие представления, по возможности кратко, изложены  в главе 2. Принципиальная часть работы -  структура  единого базового курса  представлена в главе 3. В главе 4  рассмотрены некоторые вопросы систематизации процесса проектирования, а также предложения по последующим курсам создания машин и ряд общих принципиальных положений.

Авторы отдают себе отчет в том,  что   работа по упорядочению представлений в машиностроении (в силу объема и широты задачи) не может быть полноценно выполнена  отдельными узкими специалистами и рассматривают представляемую ими работу как возможную схему для  обсуждения и дальнейшей разработки темы.

Авторы благодарны также  многочисленным специалистам, опубликовавшим  в разные годы мысли, которые дали возможность сформулировать положения  данной работы, и приносят  свои извинения за то, что в ссылках указаны  лишь некоторые работы (в основном – последних лет). 

2. Основы системных представлений о машинах и механизмах. 

2.1. Модели объектов и представления о системах.

Формирование знаний в образовательном процессе происходит  на основе сложившихся в настоящее время представлений (моделей), отображающих  объекты реального мира.

Модель определяют как схему, изображение или описание какого-либо предмета, явления или процесса в природе и обществе, изучаемую как их аналог, т.е.  представляют как  образ объекта, замещающий сам объект более доступным адекватным аналогом в материальной или теоретической  форме.

Степень упрощения (огрубления) модели относительно оригинала определяет полноту модели. В зависимости от задачи, могут быть использованы различные модели, отображающие один и тот же объект  (предмет, явление, процесс, устройство), в различных аспектах. При этом  все адекватные модели одного и того же  объекта имеют свои достоинства и недостатки, вместе с тем, дополняют друг друга и  в совокупности дают более  объективную  и полную информацию об объекте.

Одним из современных методов познания является системный подход к изучению объектов, основанный на представлениях о системах.

Из представлений, касающихся систем и их моделей [14, 16, 17 и другие], в целях данной работы приняты следующие.

Система – целое, составленное из частей, т.е. множество элементов, находящихся в связях друг с другом. Техническая (создаваемая человеком) система создается с некоторой целью и должна выполнять определенную функцию.

Цель создания любой технической системы – реализация удовлетворения  определенной общественной потребности.

Функция  системы – информационный образ конечного продукта системы. Функция системы формулируется в соответствии с целью ее создания. Существуют также избыточные определения функции системы – служебное назначение, функциональное назначение и др.

Параметры системы – количественные характеристики  свойств системы, необходимые для реализации  ее функции.

Элемент системы –  ее неделимая   часть.

Структура системы – совокупность  элементов и их связей, необходимых и достаточных для достижения системой поставленной цели. Структура  системы формируется, исходя из функции системы.

В самом общем виде систему возможно представить  в виде «черного ящика» (объекта,  внутреннее устройстве которого не рассматривается), преобразующего некоторый  входной  процесс в требуемый выходной процесс (рис 1).

рис1

Рис.1. Схема (модель) технической системы

Процесс, преобразуемый некоторой системой,  в силу его сложности, практически не может быть представлен во всей полноте. При  описании систем и преобразуемых ими процессов пользуются схематичными  представлениями –  его моделями,

Модель системы, (рис.1), предназначенной для выполнения определенной функции, может быть дополнена  схемой внутреннего устройства системы т.е. преобразована в  функциональноструктурную модель системы.

 

2.2  Функция и структура машины

Машина  определяется  [18] как «устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов, информации».

При проектировании машины определяют, в первую очередь, цель ее создания -  функцию машины. Функция  машины определяется совокупностью характеристик технического, экономического, экологического и другого характера.     Технические характеристики машины, как правило, определяются параметрами  выходного процесса. При задании параметров машины должна быть учтена  некоторая неопределенность (стохастический  характер) существующей реальности, в том числе – условий работы будущей машины и процесса ее изготовления.

При конструировании машины  в первую очередь,  решается вопрос о ее основных подсистемах, т.е. о  крупных  частях конструкции, например, механизмах привода машины, гидравлической системе, электрооборудовании, блоке управления и т.д. Конструирование предусматривает последовательную разработку все более мелких подсистем  машины. Последним этапом конструирования  является деталирование – разработка   чертежа детали или другого конструкторского документа  (раздел 2.9), содержащего  информацию о детали и ее поверхностях, достаточную для изготовления детали.

Все составные части машины должны  иметь единую схему связей, т.е. представлять собой определенную структуру и обеспечивать выполнение  машиной ее  функции. [9, 19, 20, ].

Машина  составляется  из подсистем, включающих твердые, жидкие, газообразные и другие тела. Единый процесс работы  машины, в соответствии с существующими разделами физики, может быть рассмотрен как совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных «подпроцессов»: механических, тепловых, электрических и других

Наиболее освоены в практике машиностроения механические системы – механизмы, составляемые твердыми телами. Следует отметить, что в современных механизмах используются  и другие тела (среды). Однако на начальной стадии обучения  для освоения студентами принципов устройства и работы механизмов, рассматриваются наиболее простые варианты механических систем.

 

2.3  Механизм, его функция и модели

 

Механизм  [18]  есть «система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел и (или) сил, действующих на них, в требуемые движения других тел и (или) сил». Механизм является частью (механической подсистемой) любой машины, хотя в ряде случаев используется как самостоятельное устройство.

В качестве  основных физических параметров механических систем рассматривают пространственные координаты (например – x,y,z), массу и время. Используют также обобщенные характеристики – силу, скорость, ускорения разных порядков. В зависимости от решаемой задачи механические системы могут быть рассмотрены (с абстрагированием от некоторых их свойств,  при ограничении набора характеристик)   на основе моделей разной полноты:

- стохастическая (случайная функция)

- динамическая (t,m,x,y, z);

-кинематическая (t, x, y, z);

- статическая  (m, x, y, z);

- размерная (x, y, z) с плоскостным (x. y) и линейным (x) вариантами.

Положения работы в дальнейшем тексте иллюстрируются примерами на основе простейшей, наиболее освоенной в практике, размерной модели.

 

Механизм так же, как и машина, составляется   подсистемами разного уровня. Простейшей материальной подсистемой  механизма  является деталь.

При конструировании определяют некоторую область значений того или иного параметра механизма или его частей (проектируемые значения), при которых изделие будет работоспособным. Эту область рассматривают как поле допуска параметра и ограничивают предельными (предельно допускаемыми) значениями параметра. Разность предельных значений (допуск параметра) определяет задаваемую точность (норму точности) параметра – одну из важнейших характеристик функции машины, механизма, детали.

Реальные (полученные при изготовлении и меняющиеся в эксплуатации) значения параметров отличаются друг от друга, т.е. имеют некоторое поле рассеивания.  Так при изготовлении партии деталей механизма каждый из размеров детали  имеет свое поле рассеивания, определяемое разностью наибольшего и наименьшего (в партии деталей) значений реальных размеров деталей – размахом    RA. Рассеивание реальных значений обусловлено  множеством факторов,  в том числе  непредсказуемых    (случайных), действующих  в   процессе создания и работы механизмов и их деталей. В связи с этим  реальные параметры механизмов, в т. ч – размеры деталей, рассматривают как случайные величины. Информацию о реальных (истинных) значениях параметров  получают лишь  приближенно с помощью  измерений с допускаемой погрешностью. Результат измерения в этом случае  считают действительным значением параметра.

 

2.4  Функциональные цепи механизма

 

Необходимые преобразования движения и сил в механизмах осуществляются с помощью контактных взаимодействий поверхностей тел, составляющих механизм. Контактные взаимодействия этих тел должны происходить в определенной последовательности, образуя функциональные (рабочие)  цепи механизма.

 Фрагмент цепи А некоторого механизма  показан схематично на рис. 2. (контактирующие поверхности тел на рисунке   условно показаны раздельно).

Функциональная цепь представляет собой совокупность звеньев (раздел 2.5), связанных между собой контактными взаимодействиями в функциональных парах (раздел 2.6).

 

 

Цепь А (фрагмент): … – 1 – 2 – 3 – …

или  … А1А2А3 -

Рис. 2.  Схема фрагмента функциональной цепи механизма

 

Цепь контактов (функциональная цепь), связывающая «вход» и «выход» целого механизма, может быть определена как основная функциональная цепь (цепь главного движения). Примеры функциональных цепей механизма рассмотрены в разделе  2.7.

Поверхность, реализующую «выход» целого механизма называют исполнительной.

Движение исполнительной поверхности механизма обусловлено взаимодействием поверхностей всех его пар.

2.5   Звено механизма, его функция и структура

Тело, участвующее в работе функциональной цепи механизма своими поверхностями (рис.2), может быть представлено как  деталь или сборочная единица.  Сборочная единица  в функциональной цепи может быть рассмотрена как подсистема, т. е. целое, аналогичное одной детали. В дальнейшем тексте основные понятия рассмотрены на примере  детали.

Деталь как подсистема механизма  имеет определенную функцию – воспринимать воздействие (движение и усилие) от предыдущей детали функциональной цепи поверхностью «входа»  и передавать его последующей детали поверхностью «выхода». Поверхности «входа» и «выхода» детали в одной функциональной цепи  могут быть определены как  ее функциональные – базовые  поверхности. Соответственно различают  (рис. 2)  основную и вспомогательную базы. Характеристикой           направленного действия, связывающего поверхности «вход – выход» в функциональной цепи – функциональным  параметром детали – является векторный параметр связи  этих поверхностей, на рис. 2 - А1, А2, А3.

Совокупность двух функциональных поверхностей детали (ее основная и вспомогательная базы) и их векторный параметр связи  определяют как звено функциональной цепи«элементарная частица» механизма [21], причем функциональный параметр звена  являются одновременно и параметром детали.

Как правило, одна деталь является носителем нескольких звеньев, принадлежащих разным функциональным цепям. Детали, схематично показанные на рис. 2 реализуют звенья только одной функциональной цепи – цепи А. Из рассмотренных положений можно заключить, что  элементами в системе механизма являются звенья, т. е. взаимодействующие  пары функциональных поверхностей   одной детали  [21]. При относительно неподвижных звеньях, т.е. при нулевой скорости относительного движения поверхностей деталей, речь идет об обеспечении заданных относительных положений функциональных поверхностей – базировании деталей.

При ориентировании детали в пространстве должны быть рассмотрены функциональные цепи в направлении всех координат принятой системы (например, x, y, z)  и определен комплект базовых поверхностей детали (комплект баз), определяющий число степеней свободы детали при работе механизма.

В размерной модели механизма в настоящее время в большинстве случаев в качестве параметра звена рассматривается его размер без учета направления действия в цепи.

Функциональные поверхности звена имеют различные формы: плоскую, цилиндрическую, коническую и другие.  Различают номинальные (геометрические)  и реальные (с неизбежными искажениями) формы поверхностей.  На  рис. 3 показаны  (поверхности представлены номинальными формами) простейшие  примеры  звеньев с функциональными поверхностями,  которые наиболее часто используются в практике – плоскими и в форме боковой поверхности прямого кругового цилиндра.

Функциональный параметр  А звена (детали) может быть определен тремя составляющими: собственными параметрами R1 и R2 обеих функциональных  поверхностей (в своих системах координат) и координирующим параметром, определяющим относительное положение систем координат поверхностей (на рисунке – размер К). Эти составляющие определяют структуру звена. При этом собственные параметры поверхностей характеризуют их форму, координирующий параметр – относительное положение связываемых поверхностей. Следует отметить, что функциональный параметр А звена определяется его  материальными (контактирующими) поверхностями. Структурные составляющие параметра звена определяют в ряде случаев  при использовании нематериальных элементов, обозначающих начала координатных систем, (оси   цилиндрических поверхностей, центры  круговых профилей и т.д.).

В случае номинально плоских функциональных поверхностей, геометрическое представление о параметре  звена сводится к расстоянию  между поверхностями  А = К, т. к.  плоскость представляет собой цилиндр с радиусом, равным бесконечности, и собственные параметры поверхностей не определены. В условиях реальных поверхностей равенство А=К недействительно, т. к. не учитывает неопределенности, вызываемой рассеиванием  всех  трех параметров.

 

Рис.3. Структура звена.

При более сложной форме поверхности ее собственный параметр R также имеет свои структурные составляющие (раздел 2.10). Представление о структуре звена является основой для расчета  параметров относительного положения различных поверхностей одной детали.

Реальная форма поверхностей деталей отличается от номинальной.  Пример номинально плоской базовой поверхности некоторого звена и  сильно увеличенные  участки L и  К  профиля  (сечения плоскостью)  ее реальной поверхности показан на рис.4.

рис4

Рис. 4. Формы реальных поверхностей

Неровности профиля самого мелкого шага – микронеровности (элемент К) называют шероховатостью поверхности.

Реальный профиль участка поверхности, показанный в элементе L, не соответствует номинальной форме и характеризуется множеством значений  текущего размера детали  – полем рассеивания и его величиной – размахом  RА (на участке поверхности протяженностью l). При изготовлении партии деталей поле рассеивания значений размера  A (раздел 2.3) должно быть ограничено по условиям функционирования изделия полем допуска размера А.

Та же характеристика, оцениваемая для поверхности одной детали, суммарно характеризует, в общем случае,  форму, относительное расположение  и шероховатость двух реальных поверхностей звена. Реальные форма, относительное положение поверхностей и их шероховатость вносят неопределенность в характер контактирования звеньев, что в значительной мере  осложняет работу  механизмов.

 

2.6   Пары механизма, их функция и параметры

 

В общем виде парой механизма могут  быть названы две поверхности разных деталей, относительное движение (положение) которых в процессе работы  должно быть ограничено.  При этом могут быть рассмотрены три типа пар.

  • Бесконтактные пары, когда контактирование поверхностей деталей  в процессе работы механизма  не допускается. Например: поверхности  стенки корпуса редуктора и движущихся элементов конструкции или зазор между торцом вала 1 и шайбой 5 в типовом варианте конструкции на рис.7.  Подробнее  поверхности таких пар рассмотрены в работе [20];
  • Пары, в которых в процессе работы должна быть гарантирована относительная неподвижность поверхностей (работающие как единая деталь).  Например: неподвижные соединения деталей машин (разъемные и неразъемные) [22].
  • Пары функциональных цепей (см. рис.2).

На рис. 2 в качестве примера приведена схема пары 2 – 3 рассматриваемого фрагмента функциональной цепи А. Контактирующие поверхности, образующие пару, показаны номинальными формами и условно разделены.

В паре функциональной цепи механизма должен быть обеспечен необходимый характер  взаимодействия поверхностей в процессе работы пары, т.е. заданных относительных  движений (положений) звеньев при действующих силовых и других факторах.

В качестве характеристики функции пары может быть принят  обобщенный векторный параметр   связи поверхностей, образующих пару (на рис.2 – параметр     А(2-3)).  Следует отметить, что в едином процессе функционирования параметры звеньев и пар  всегда взаимосвязаны.

Взаимодействия звеньев в парах функциональных цепей обусловлены функцией целого механизма. Вместе с тем пары механизмов отличаются большим многообразием по их функциям, форме поверхностей,  направлениям и параметрам движений, форме  и величине площади контакта, режимам контактирования,  направлениям, величине,  режимам действующих сил и т.д.

В учебной литературе  для пар механизмов существует целый ряд классификаций, в основу которых положены разные признаки. Для упорядочения схемы изучения пар функциональных цепей в данной работе  проведена классификация этих пар  по их основным  функциям, в первую очередь, по характеру относительного движения (положения).

Возможная схема классификации пар функциональных цепей по их основным функциям   представлена на  рис.5.

 

рис5

 

Рис. 5 Схема классификации пар функциональных цепей.

 

Функции пар могут быть условно  разделены на две основные группы: базирование и передача движения.

Пары, образованные контактирующими поверхностями, обеспечивающие  заданные относительные положения функциональных поверхностей деталей могут быть рассмотрены как пары базирования деталей.

Понятие о базировании и базах, сложившееся ранее как частное понятие в технологии машиностроения, является в настоящее время одним из основополагающих в машиностроении. Задачи определения относительного положения поверхностей одной или разных деталей рассматриваются при расчете точностных  характеристик изделий в процессе проектирования  машин и механизмов, а также  при изготовлении, контроле и сборке изделий и их деталей.  Указанные задачи   рассматриваются в настоящее время в разных дисциплинах, например, в таких как «Технологиия машиностроения»,  «Детали машин», «Допуски и посадки»* и других.[7,8,  22, 23, 24, 25].

Вопросам базирования деталей  посвящены поддерживающие разделы базового курса (рис. 14 главы 3).

Поверхности пар базирования, принадлежащие разным деталям, могут быть неподвижными относительно друг друга – неподвижное базирование или относительно движущимися – подвижное базирование.

Неподвижное базирование поверхностей разных деталей реализуется двумя способами – контактированием двух деталей по замкнутым (или частично замкнутым) поверхностям – посадки  (рис.6) и определением положения поверхности одной детали относительно поверхности другой (несущей, базовой) детали цепью деталей (рис.7).

Оба варианта рассмотрены более подробно в конце данного раздела с целью освоения некоторых понятий, необходимых при дальнейшем формировании представлений о структуре механизма.

Подвижное базирование  является основной функцией  опор скольжения и качения. Оно реализуется  подшипниками скольжения и качения, а также парами поступательного движения по направляющим.

Пары  передачи движения (рис. 5)  могут быть разделены на две группы. Пары совместного движения (неподвижных относительно друг друга контактирующих поверхностей)  без преобразования движения, например,  пары функциональных цепей, представляющие собой шпоночные, шлицевые и ряд других соединений.

Пары  преобразования движения: винтовые, зубчатые, червячные и другие  виды передач

 

В ряде случаев для пар могут быть одинаково важны 2 или более функций. Так в подшипниках скольжения необходимо обеспечить беспрепятственность

относительного движения деталей и точность их относительного положения. В шлицевых соединениях также одинаково важны две функции: центрирование  деталей и передача движения.

В таких случаях  функции пар могут быть рассмотрены в двух позициях  принятой классификации. В большинстве задач практики за основную может быть принята одна из функций.

Принципы устройства и  работы пар механизмов  могут быть рассмотрены (на основе понятия об унификации)  по единой схеме. В качестве основы такой схемы может быть использован план   анализа зубчатой пары -  одной из наиболее сложных   и, в то же время,  широко распространенных в практике. Приведенный ниже  единый план анализа пары механизма составлен на основе  понятий о размерной, статической, кинематической и динамической моделях механизма и положений работы [22].

  Общая схема анализа пар

Формулирование функции пары, определение основных функциональных параметров (прямых и косвенных) с учетом  их допускаемых отклонений.

В размерной модели:  форма (геометрия) функциональных поверхностей  пары, формообразование поверхности, ее структура и параметры;  структура пары, размерный анализ пары.

В статической модели: анализ действующих сил и схем нагружения деталей.

В кинематической модели: кинематика пары, параметры относительного движения поверхностей.

В динамической модели: возможные динамические составляющие работы пары.

Вне раздела «механика»:

-изменение формы и параметров реальных поверхностей в процессе работы пар : тепловые процессы, процессы  трения, износа и деформации поверхностей деталей; влияние этих изменений на параметры и работу пары;

- принципы обоснования параметров пар и поверхностей деталей, а также полей допусков параметров, в том числе – расчетные методы; стандартные параметры и поля допусков параметров пар и деталей;

-основные причины (по статистике) потери работоспособности типовых пар.

 

Приведенная схема всегда может быть дополнена другими (в т. ч. – новыми)  факторами, влияющими на работу пар. В то же время, как достаточно полный вариант, схема  применима для анализа всех видов пар при исключении некоторые факторов, которые не оказывают существенного влияния на работу пары данного вида.

На начальном этапе обучения – в курсе «Принципы работы и устройства механизма»  указанные представления могут быть рассмотрены на уровне размерной и статической моделей.

Набор характеристик пары  может быть ограничен в зависимости от принятой модели.  Так при неподвижном базировании достаточной оказывается размерная

модель пары, когда в качестве параметра пары принимается величина зазора или натяга, определяемая сочетанием размеров деталей. Виды неподвижного базирования, связанные с содержанием  последующих разделов работы, рассмотрены далее более подробно.

Посадка – соединение, состоящее из двух звеньев,  представляет  собой простейшую (элементарную) функциональную цепь. Представление   о посадках применимо к деталям с поверхностями различной формы (плоской, цилиндрической, конической и т.д.) а также – к  соединениям деталей по  сложнопрофильным поверхностям (винтовым, шлицевым и другим).

Пример схемы посадки по плоским поверхностям показан на рис. 6а.

рис6

                  Рис. 6. Схемы посадок

В примере базирование детали 2 (охватываемой) в направлении оси x производится  несущей деталью 1 (охватывающей), т. е.  двумя плоскими поверхностями детали 1, ограничивающими возможное смещение детали 2. Такая схема может быть рассмотрена как геометрическое замыкание соединения или замыкание поверхностями. Параметром пары 1-2 является величина возможного смещения детали 2 относительно детали 1: Δ = Dd, где  D – размер охватывающей детали (условно – отверстия) ,  d – размер охватываемой детали (условно – вала).

Более сложной схемой определяется посадка деталей по цилиндрическим поверхностям (рис. 6б). Такую посадку в большинстве случаев рассматривают  по схеме, приведенной на рис. 6а, не указывая (вопреки стандарту) осей цилиндрических деталей.

В действующих в настоящее время стандартах рассматривают три группы посадок: с гарантированным зазором, с гарантированным натягом и переходные, где возможны как зазоры, так и натяги. Посадки с натягами могут быть рассмотрены в двух вариантах – с упругими и пластическими деформациями материала в зоне натяга – и отнесены к неразъемным и разъемным соединениям (см. стр. 13).

Функцией  посадок переходного типа является центрирование вала в отверстии и в ряде случаев практики  необходимо ограничить именно эксцентриситет поверхностей. С точки зрения центрирования деталей оптимальной является посадка с наиболее вероятным нулевым значением зазора – натяга при совпадении осей поверхностей вала и отверстия. Предельные значения зазоров и натягов в такой посадке обусловлены рассеиванием реальных размеров отверстия и вала. В ряде случаев при выборе стандартных посадок учитывают  также условия легкости  сборки – разборки соединений и ряд других условий и функций.

В парах подвижного базирования с целью обеспечения беспрепятственности относительного движения и смазки поверхностей при ограничении допускаемого эксцентриситета используют посадки с гарантированными зазорами.

Можно отметить, однако, что задача центрирования вала в отверстии является одной из важнейших во всех трех случаях, но в учебной литературе  не рассматривается.

 

Базирование цепью деталей. На рис.7 показан  фрагмент конструкции функциональной цепи, определяющей положение – размер   А  оси симметрии колеса 4 относительно торцовой поверхности вала 1 в направлении оси  x, т.е. пример возможной схемы базирования детали 4 деталями 2 и 3 относительно торца вала 1. Индексом Δ обозначают параметр, определяющий задачу базирования. Деталь 1 в приведенной конструкции может быть рассмотрена как несущая, т.е. содержащая необходимый комплект поверхностей  (вспомогательных баз) для присоединения последующих деталей.

рис7

 Рис. 7. Пример базирования цепью деталей

Цепь деталей 2, 3 , 4 закреплена на валу (замкнута) шайбой 5 с креплением ее затяжкой винта (винт условно показан его осью).  Такое ограничение положения деталей в цепи (замыкание)  называют силовым. Для осуществления надежного контакта деталей в цепи и предупреждения возможных деформаций сила затяжки винта должна быть ограничена. В конструкции должна быть обеспечена определенная система контактов деталей. В примере  для базирования детали 4 должен быть исключен  осевой контакт в паре 1-5. Более сложный пример выявления цепей базирования рассмотрен в  разделе 2.7.

Обеспечение необходимых значений параметра  АΔ и зазора между деталями 1-5 требует расчетного согласования размеров деталей, проводимого в определенном  порядке. Вопросы расчетного согласования размеров деталей  рассмотрены в поддерживающем разделе  Р16 главы 3 (рис. 16).

Для согласования параметров звеньев функциональных цепей в рамках размерной модели механизма в настоящее время используется известная методика выявления и  расчета размерных цепей  [26, 27, 28 и другие].

 

2.7   Структура пары функциональной  цепи механизма

 

Понятие о структуре пары представляется целесообразным рассмотреть на примере конструкции, представленной схематично на рис. 8. Функцией показанного механизма  является преобразование движения, передаваемого некоторой внешней системой через зубчатое колесо 4 горизонтальному валу 1, в движение вертикального вала 18.

рис8

Рис. 8. Основная функциональная цепь механизма

Последовательность контактов деталей, передающих движение (основная функциональная цепь  А данного механизма) может быть записана в виде:

Цепь А: …колесо 4 – шпонка 3 – вал 1 – шпонка 22 – колесо 23 – колесо 19 – шпонка 20 – вал 18 …    или

Цепь А:  …- 4 – 3 – 1 – 22 – 23 – 19 – 20 – 18 … .

Пара конических зубчатых колес 23 – 19  в рассматриваемой цепи является единственной парой передачи движения с его преобразованием. Функцией всех остальных пар  (шпоночных соединений) является передача движения без его преобразования. При этом необходимые параметры шпоночных соединений регламентированы стандартами.

Для того чтобы пара 23 – 19 выполняла свою функцию, необходимо обеспечить правильное относительное положение рабочих поверхностей зубьев колес (базовых поверхностей пары).  В направлении оси x (рис. 9) характеристикой относительного положения рабочих поверхностей зубьев может быть принята величина А(23-19)х  (рис.9). Этот параметр обеспечивается цепью  Б взаимодействий  других деталей механизма, и обозначается буквой цепи Б)

А (23-19) х = Б  (23-19) х : Б23 –Б 1 – Б13 – Б9 – Б10 – Б14  – Б16 – Б15 – Б18 – Б19.

Подшипники качения в конструкции условно рассмотрены  в целом, как одна подсистема.

При этом пару, для которой исследуется цепь контактов деталей, называют исходной. Цепь контактов звеньев, определяющая параметр исходной пары, может быть охарактеризована как структура этой пары. Параметр исходной пары называют  исходным параметром (его помечают индексом Δ, например – БΔ (23-19)х). Цепь взаимодействия деталей, определяющую параметр  одной из пар основной функциональной цепи, например, цепь Б, называют производной  функциональной цепью второго порядка по отношению к основной функциональной цепи.

При последовательном анализе пар цепи Б могут быть выявлены функциональные цепи третьего порядка, пары которых обусловлены цепями четвертого порядка и т.д. до выявления элементарных цепей, состоящих из двух звеньев (посадок). Более подробно процесс выявления производных цепей фрагмента механизма рассмотрен на примере в работах [8 и 9].

По форме контактирующих поверхностей в цепи Б могут быть выделены два участка цепи, отличающиеся друг от друга. Базовой (несущей) системой, определяющей относительное положение зубчатых колес, является корпус 14. Положение зубчатых колес 23 и 19 определяется относительно корпуса  14 двумя ветвями цепи Б: участками 14 – 23   и 14 – 19 с соответствующими направлениями векторных параметров звеньев и пар.

На участке 14 – 23 звенья цепи контактируют по плоским поверхностям  и определяются длиновыми размерами деталей. На участке 14 – 19 базовые поверхности звеньев представляют собой (номинально) цилиндрические поверхности, определяемые радиальными параметрами (радиальный участок цепи).

На участке 14 – 23 звенья цепи контактируют по плоским поверхностям  и определяются длиновыми размерами деталей. На участке 14 – 19 базовые поверхности звеньев представляют собой (номинально) цилиндрические поверхности, определяемые радиальными параметрами (радиальный участок цепи).

рис9                 В цепи А параметр пары 23-19 определен взаимодействием деталей   в цепи Б   второго порядка

А (23-19) (23-19): 23-1-13-9-10-14-16-15-18-19.

Рис. 9. Производная цепь (функциональная цепь второго порядка)

Работа звеньев и пар с цилиндрическими и более сложными формами функциональных поверхностей, естественно, имеет свою специфику. Однако порядок контактирования звеньев и  выявления функциональных цепей   не зависит от формы поверхностей. Выявление радиальных функциональных цепей  (или радиальных участков цепей) может быть выполнено по общим правилам.

Более подробно и полно пример рассмотрен в работах [8 и 9].   В работе [9] рассмотрена схема радиального участка функциональной цепи, а также предложен  принцип  обоснования посадок  методами расчета  радиальных размерных цепей.

2.8         Cтруктура  механизма

 

Последовательно анализируя работу всех пар функциональных цепей всех порядков, теоретически возможно выявить полную иерархическую  структуру механизма, т.е. провести исчерпывающий анализ всех звеньев и связей механизма и обосновать  номенклатуру и допускаемые границы  всех функциональных параметров всех деталей, исходя из параметров целого изделия.

Следует отметить, однако, что такая работа  в полном объеме  в настоящее время  не может считаться   целесообразной и выполнимой.  В практике номенклатура и допускаемые границы параметров  определяются, в основном, методом аналогий с апробированными конструкциями. Одним из наиболее распространенных методов проектирования машин и механизмов является в настоящее время применение типовых вариантов конструкций и  технологий  с использованием банков известных решений. Такие методы проектирования имеют ряд  неоспоримых преимуществ, но оправданы далеко не всегда.

Для проектирования новой техники, особенно -  работающей  в необычных и экстремальных условиях, обоснование параметров механизмов и машин методом аналогий с работающими конструкциями  нельзя считать достаточным. Метод аналогий не учитывает разницы в условиях работы конструкций,  не способствует совершенствованию самих типовых элементов, не связывает отдельные фрагменты конструкции между собой и с выполнением  функции  целого изделия. Так, например, требования к точности размеров детали (актуальные с точки зрения функционирования и экономичности изделий) формируются в настоящее время с помощью расчета отдельных размерных цепей или их групп [28, 29]. При этом количество и состав выявляемых размерных цепей, исходные данные для расчета и сами результаты работы зависят, в основном, от квалификации и интуиции конструктора. Необходимость определения оптимальных значений параметров и  полей их допусков, а также – их согласования, требует разработки единой методики  размерного анализа конструкций. Представление о единой структуре механизма может служить основой для разработки такой системы.

Для выявления единой структуры механизма оказывается достаточным анализ контактных взаимодействий звеньев в рамках размерной модели – на основе существующих представлений о размерных цепях конструкций с уточнением  некоторых понятий  и терминов. Выявленная  при этом структура может служить  основой  для исследования  механизма в статической, кинематической и динамической  моделях.

2.9   Функция и структура детали

 

Как указывалось выше, одна деталь механизма своими различными поверхностями может участвовать в работе разных функциональных цепей.  Таким образом, деталь может быть  носителем нескольких звеньев, принадлежащих разным функциональным цепям.

Функция детали – обеспечение необходимых связей пар базовых поверхностей и сохранение их в процессе эксплуатации. Система связей поверхностей детали – структура  детали определена принципом работы механизма.  Как указывалось выше, параметр звена функциональной цепи является одновременно размером какой-либо детали. Это положение, применительно к размерам длины и линейным размерным цепям,  рассмотрено в работе [30]. Таким образом, при выявлении единой системы функциональных цепей может быть определена оптимальная, с точки зрения работы детали, схема простановки ее функциональных размеров – ее  структура. В свою очередь, схема простановки размеров детали в значительной степени определяет структуру  технологического процесса, т.е. рациональность  и стоимость процесса ее изготовления.

Структура вала 1 механизма, показанного на рис. 8, выявлена при анализе функциональных цепей механизма, показанном в работах [8 и9].

Рис.10. Схема структуры вала 1

Структура детали может быть представлена схемой в виде графа типа дерево [8, 9 и 21]. Вершинам графа соответствуют поверхности детали, ребрам – их  связи (размеры детали). Размер детали отображен на схеме графа тремя составляющими – двумя вершинами и  ребром графа, что соответствует трем составляющим звена механизма (раздел 2.5) – двум   собственным параметрам поверхностей и координирующему.

Граф структуры детали (рис.10)  показан с разделением поверхностей детали по уровням в соответствии с функциями поверхностей.  На рис. 10 не показаны поверхности четвертого уровня – технологические,  необходимые для  изготовления и сборки деталей, такие как  канавки для выхода инструмента, фаски и другие.

В работах [8,9 и 21] приведены другие примеры  формирования структуры детали

Модель детали в виде четырехуровневого графа структуры детали имеет ряд преимуществ по сравнению с ее чертежом.

Не обладая наглядностью чертежа, граф структуры детали, дополненный количественной информацией о поверхностях деталей и их связях (например, в виде таблицы), представляет собой наиболее полную и компактную форму информации о детали, т.к.

- имея единую структуру, обладает большей степенью организации информации о детали;

- содержит однозначные сведения о функциях всех поверхностей и их связях между собой и с функцией целого изделия

- на основе графа структуры детали, дополненного характеристиками поверхностей и их связей, может быть получена традиционная модель детали – ее чертеж.

2.10 Функция и структура собственного параметра поверхности.

Базовая поверхность  звена функциональной цепи, определяемая собственным параметром,  является последней составляющей  структурной иерархии в конструкции и, с одной стороны, участвует в реализации заданного  движения или положения механизма, с другой – определяет состав движений в технологической системе при формировании поверхности. Представления о структуре собственного параметра  поверхности  рассмотрены в работах [8 и 9].

В кинематической модели  в качестве составляющих звена: R1, R2 и K  в общем случае должны быть рассмотрены  функциональные параметры  движущихся поверхностей.

Таким образом, для каждой поверхности детали может быть выявлена единая ветвь структуры «механизм – деталь – поверхность», включающая в себя параметры сборочных единиц разного уровня, детали и ее поверхности. Такая единая структура  отображает суммарное влияние всех этих составляющих на работу движущейся или неподвижной поверхности и дает возможность при решении задач точности механизмов учитывать опыт анализа цепных структур на основе электрофизических аналогий [9].

 

3. Базовый курс «Принципы устройства и работы механизмов»  и система связей его  учебных  разделов

Основу базового курса составляет единая схема представлений о машинах и механизмах, изложенная в главе 2.

На основе принятой единой схемы содержание рассматриваемой главы (кроме разделов 3.1 и 3.2) представлено графически. В качестве элементов (позиций) схемы представлены основные понятия главы 2. Элемент схемы представлен рамкой с  его наименованием. При этом раздел текста главы 2,  соответствующий данному элементу, указан в правой части  рамки (если элементы схемы соответствуют одному разделу главы 2, он указывается  один раз).

Схема-основа дополнена поддерживающими разделами  знаний. Поддерживающие разделы логически связаны с позициями  схемы. Обозначения необходимых  поддерживающих разделов (например, поддерживающий раздел 8 – Р8) размещаются в рамках на правом поле листа с указанием их связи с элементом основной схемы.

Поддерживающие разделы могут представлять собой некоторые положения традиционных общетехнических и других дисциплин, а также – актуальных в настоящее время разделов знаний других наук. Принятая система восприимчива к нововведениям, т. к. может быть дополнена новыми поддерживающими разделами без нарушения общей логики учебного материала. Текст, сопровождающий фрагмент схемы, содержит необходимые пояснения, предполагаемое содержание поддерживающих разделов в виде тезисов и примерное содержание лабораторных и практических работ. В ряде случаев приведены рекомендации, касающиеся заданий на производственную практику. Рассмотрение поддерживающих разделов не следует разрывать по времени с базовыми понятиями.

Общенаучные  дисциплины в техническом образовании (математика, физика и др.) могут быть представлены в учебном процессе в двух аспектах. С одной стороны, необходим некоторый обзорный курс (например, математики) курс, знакомящий с современным математическим « инструментарием» инженера, с другой стороны, в течение всего курса обучения базовые науки должны быть представлены при изучении конкретных технических задач своими прикладными разделами.  Чрезвычайно важно при этом, чтобы содержание теоретической части формировалось по принципу необходимого  и достаточного и  было бы более  целенаправлено на профессию, чем принято сегодня в традиционных дисциплинах.

Дисциплины обще-гуманитарного характера предложено рассредоточить на протяжении всего процесса обучения.

Для студентов, заинтересованных в получении более  глубокой специализации или  более широкого образования, в учебном заведении могут быть предусмотрены соответствующие факультативные курсы.

Практическая поддержка отдельных положений курса – предложенные демонстрационные, лабораторные и практические работы   (обозначенные соответственно ДР, ЛР, ПР),  указаны  обозначениями в правом поле  листа в связи с  соответствующими позициями схемы или поддерживающими разделами. Перед проведением каждой  лабораторной работы должна быть проведена демонстрация принципов и приемов работы. Указанные  лабораторные работы могут быть проведены на индивидуальных вариантах конструкций  (разных фрагментах разных механизмов) и могут представлять собой  самостоятельные познавательные процессы.

Зачет по базовому курсу следует провести  после первой производственной практики в форме защиты проведенных лабораторных  и практических работ  (по протоколам работ и отчету за практику) и контрольным заданиям, включающим теоретические вопросы и практические процедуры.

3.1 Введение в специальность

 

3.1.1 Вводная лекция.  Современное состояние машиностроения, направления и проблемы развития, серийность производства. Перспективы  развития машиностроения. Специфика и перспективы отрасли, избранной для обучения.

Основные виды деятельности специалистов и должности (квалификации) работников (в т. ч. – конструкторских и технологических отделов).

. Направления профессиональной подготовки в избранном учебном заведении. Вопросы методики и организации учебной деятельности студентов в данном учебном заведении.                            

3.1.2 Ознакомительное занятие на производстве. Основные узлы и детали машин. Оборудование и процессы изготовления, сборки и испытания изделий (станки, приспособления, инструменты,  транспортные устройства и т. д.). Автоматизация процессов.

3.2 Языки техники

Русский технический язык в области машиностроения: понятия, определения, терминология и обозначения в технике, необходимость их регламентирования  Рекомендуемые термины и справочная литература.  Пример анализа терминологии. Плюсы и минусы стандартизации понятий и определений. Параллельно с освоением учебного материала – составление      рефератов по темам пройденного материала на русском языке с периодическими докладами учащихся.

 

Иностранный технический язык и терминология. Параллельно с освоением  разделов учебного материала  в течение полного цикла обучения специалиста следует осваивать соответствующие понятия и терминологию на изучаемом иностранном языке.  Периодическое тестирование уровня освоения -  составление   и доклады кратких рефератов по разделам пройденного материала на изучаемом языке и перевод соответствующего адаптированного (в дальнейшем – оригинального) технического текста.

Графический язык техники – чертежС первых дней обучения необходимо начать освоение студентами процессов проецирования (начиная с эскизного выполнения простейших объектов с обязательным применением натурных образцов) и компьютерной графики, освоенной в отрасли.

 

3.3 Структура исходных представлений о машинах и

механизмах

 

На рис. 11 представлено начало единой схемы курса – ее головной фрагмент (фрагмент 1).  Дальнейшее   развитие  некоторых позиций схемы показано ссылками на соответствующие рисунки, представляющие собой последующие  фрагменты единой схемы. 

 

Освоение представлений об основной функциональной цепи реального механизма (см. соответствующую позицию схемы на рис.11), а также методов ее анализа следует провести непосредственно в процессе практической деятельности, для чего предусмотрен цикл лабораторных работ  на механизмах различного устройства.

ЛР Для работы следует использовать небольшие (из 5-10 деталей) реальные сборочные единицы (возможно – фрагменты реальных изделий) в количестве, достаточном для индивидуальной работы.  Перед самостоятельным выполнением работы учащимися следует продемонстрировать типовые детали механизмов и примеры основных функциональных цепей реальных механизмов.

Лабораторная работа может  включать следующие этапы: рассмотрение функции заданной сборочной единицы; анализ цепи контактных взаимодействий; выявление функциональных поверхностей звеньев  и пар.  Разборка и сборка изделия; текстовая запись и построение схемы функциональной цепи для заданного фрагмента; выполнение схематичного эскиза одной из деталей с указанием функциональных поверхностей и их связей. Следует также  продемонстрировать другие сборочные единицы, используемые в качестве звеньев механизма.

 рис11

Рис. 11 Общая схема структуры базового курса. Фрагмент 1.

В качестве теста для зачета работы следует использовать процедуру выявления основной функциональной цепи несложного механизма (или фрагмента механизма) с выполнением схемы цепи.

Задачу выявления основных функциональных цепей для реальных изделий и их фрагментов следует включить в программу производственной практики.

 рис12

Рис. 12 Функции,  параметры и модели механизма Фрагмент 2.

   На рис. 12  показана схема понятий о технических  параметрах, характеризующих функцию механизма – их составе и моделях, а также – различных  значениях параметров. Представление о параметрах как показателях качества  механизма с учетом экономических, экологических и других факторов должны быть рассмотрены в дальнейшем при рассмотрении вопросов качества изделий. (см. раздел 4.1)

При изучении раздела должны быть освоены представления о системе ограничения проектируемых параметров полями допусков, стандартизации полей допусков, видов контроля параметров, возможностей определения действительных (истинных) значений реальных параметров. Следует освоить практически устойчивые навыки измерения размеров деталей приборами цехового контроля, для чего предусмотрен цикл  лабораторных работ.

Для освоения указанных представлений необходимо изучить следующие поддерживающие разделы и провести указанные работы.

Р1 Основы метрологии. Понятия о цели, методах, средствах, параметрах средств измерений и погрешностях измерений (с проведением демонстрационных работ). Правила выбора средств измерений. Измерительные приборы цехового контроля, их характеристики и правила настройки. Система обеспечения единства измерений.

ЛР Провести многократные измерения размеров (например, аналогичных размеров партии деталей) одним из приборов с фиксацией  результатов измерений. Определить размах и наиболее вероятную величину размера. Цикл работ предполагает освоение 3 – 4 измерительных приборов. Студенту следует произвести выбор прибора, при необходимости – его настройку и измерения.  Результаты измерений, проведенных в лабораторных работах, следует сохранить и использовать в дальнейшем для освоения основных положений теории вероятностей и процессов контроля.

 

 Р2 Основы теории вероятностей и математической статистики.  На основе результатов реальных измерений, проведенных в лабораторных работах по измерению размеров деталей, следует провести цикл практических работ.

ПР  Следует рассмотреть основные понятия  о случайной величине и случайном процессе, поле рассеивания случайной величины и его характеристиках; простейших методах обработки результатов измерений.

 

В задание на первую производственную  практику следует включить цикл работ по анализу характеристик рассеивания случайных величин на примерах размеров партии деталей, (возможно измеряемых  по мере изготовления  деталей) с целью исследования точности технологического процесса.

 

 

 

Р3 Основы контроля размеров деталей машин.  Виды контроля размеров: контроль калибрами (принцип контроля, виды калибров) и с помощью измерений. Понятие об управлении процессом формообразования детали и обеспечения заданных параметров, в т. ч. – автоматическом управлении.

ПР По результатам измерений, полученным в проведенных ранее лабораторных работах,  и заданным полям допусков, сопоставляя поля рассеивания и допусков, сделать заключение о годности деталей партии.Последующие поддерживающие разделы Р4, Р5 и Р6 касаются стандартизации параметров деталей. Для освоения общих положений о стандартизации они включены в начало раздела  Р4.

 

Р4 Стандартизация, ее цели, правовые основы, документы. Стандартные ряды предпочтительных размеров, цель ограничения их номенклатуры.

Р5. Стандартизация основных отклонений полей допусков. Квалитеты.

 

Р6.  Единая система допусков и посадок (ЕСДП). Обозначения полей допусков на чертежах.

ПР  При рассмотрении раздела следует провести практическую работу с использованием соответствующих таблиц.

 

На рис. 13 представлен фрагмент 3 общей схемы.

Ниже приведено содержание указанных на схеме поддерживающих разделов.

 Р7. Геометрические (номинальные) формы и параметры поверхностей звена. Кинематический принцип формирования поверхностей.

Рис.13 Функция и структура звена механизма. Фрагмент 3.

Линейчатые поверхности и их профили. Поверхности вращения. Понятие о топографических поверхностях. Специфические поверхности в отрасли. Способы задания поверхностей, Параметры геометрических поверхностей.  Структура собственного параметра поверхности.

ДР Следует рассмотреть существующие номинальные формы  и параметры функциональных поверхностей  деталей  типовых изделий (валы, муфты, подшипники, корпуса, рычаги, кулачки, зубчатые колеса и др.) и других подсистем машин.

ПР Построение разверток и линий пересечения простейших поверхностей.

Р8. Параметры реальных поверхностей, их стандартизация.

Реальные формы поверхностей. Отклонения реальных поверхностей от номинальной формы. Зависимость между реальными значениями параметра звена  А и его составляющих  (с учетом шероховатости поверхностей).

Совместное  влияние отклонений реальных поверхностей на их работу. Стандартизация отклонений формы и расположения поверхностей: виды отклонений; базы отсчета; методы нормирования отклонений (в т. ч. – расчетные). Стандартизация параметров шероховатости  поверхностей, их нормирование.

ПР Практическое ознакомление с системой нормирования отклонений формы и расположения поверхностей. Выполнить эскиз одной  из деталей реального фрагмента механизма, определить функции поверхностей детали. Нанести на эскиз обозначения допусков формы, расположения и шероховатости поверхностей, не указывая их значений. На чертежах реальных сборочных единиц рассмотреть вопросы нормирования отклонений формы, расположения и шероховатости поверхностей.

ДР Следует продемонстрировать возможные методы измерений отклонений формы, расположения и шероховатости поверхностей.

ЛР Целью работы является  практическое освоение представлений о структуре параметра звена, а также – о суммарных погрешностях формы и относительного расположения поверхностей  детали.

Для одной из деталей фрагмента конструкции следует провести измерения  ряда значений размера (на протяжении поверхности) и сделать выводы по результатам измерений. Возможно, с помощью измерений диаметров одной цилиндрической поверхности оценить отклонения ее формы, проанализировав недостатки такой оценки. Представляется целесообразным провести  измерения  аналогичных размеров в  партии деталей и сравнить результаты измерений размера и формы  поверхности детали.

 

На рис. 14 показан фрагмент 4 единой схемы, отображающий содержание представлений о базировании в машиностроении.

При изучении вопросов базирования целесообразно рассмотреть следующие поддерживающие разделы.

Р9. Базирование и базы в машиностроении. Степени свободы движения деталей. Базовые поверхности типовых деталей машин,  их форма и  параметры связи. Комплекты баз типовых деталей машин, их преемственность  при конструировании, изготовлении и сборке изделий. Задачи базирования (пространственные, плоские, линейные). Расчет отклонений относительного положения поверхностей типовых деталей и соединений при проектировании механизмов.

Р10  Посадки. Общие представления, параметры и типы посадок. Расчет зазоров и натягов по предельным отклонениям отверстия и вала в посадках по цилиндрическим поверхностям. Посадки в конических, винтовых, шлицевых и других соединений. Стандартизация посадок, их обозначения на чертежах.

ПР Для освоения устойчивых представлений о стандартных посадках деталей по цилиндрическим поверхностям следует провести ряд практических занятий с использованием стандартных таблиц. Вычисление  зазоров и натягов. Определение типов посадок.

Р11. Базирование цепью деталей.  Необходимые представления раздела следует освоить непосредственно в процессе практической деятельности.

ЛР На фрагментах  реальных конструкций  целесообразно  продемонстрировать примеры базирования такого вида и провести лабораторно – практическую работу. Целью работы является освоение методики выявления  и расчета отдельной размерной цепи.

 

рис14Рис.14  Базирование. Фрагмент 4.

 Содержание работы: для одной из пар основной функциональной цепи механизма (или его фрагмента) выявить по возможности простую производную цепь  (цепь базирования); составить схему цепи; освоить методы решения проектной и проверочной задачи при условиях равных допусков, равной точности и  с учетом вероятностных характеристик.

В рамках данной лабораторной работы возможно также рассмотреть понятие о неподвижных компенсаторах и их расчете, а также – другие   виды компенсации в размерных цепях.

 

Р.12.  Опоры скольжения. Демонстрация типовых конструкций с опорами скольжения. Изучение типовых узлов и деталей конструкций. Вопросы центрирования и смазки в подшипниках скольжения, расчет зазоров. Выбор посадок.

 

Р13. Опоры качения. Подшипники качения, их классификация и характеристики, выбор подшипников качения. Типовые  конструкции и детали опор качения. Достоинства и недостатки  типовых вариантов конструкций.

В программу производственной практики  может быть включено изучение реальных опор скольжения и качения в производстве.

 

 

На рис. 15 представлен фрагмент 5 единой схемы, содержащий пары передачи движения без его преобразования  (см. поддерживающий раздел Р14) и с преобразованием (поддерживающий раздел Р15).

Для пар передачи движения с его преобразованием  (пары преобразования движения) в практике используют  термин «передачи».

 

Р14. Пары передачи движения без его преобразования (шпоночные,  шлицевые  пары, соединения муфт и другие). Виды передаваемых нагрузок (стационарные, переменные, ударные). Виды контактирующих поверхностей. Относительное движение (неподвижность) поверхностей. Типовые конструкции передачи движения, их достоинства и недостатки.  Стандартизация типовых элементов пар передачи движения.

Пары преобразования движения, рассматриваемые в разделе (зубчатые, червячные, реечные, винтовые, кулачковые и другие),   определяют принципы работы механизма, характеризуются наиболее сложными взаимодействиями поверхностей деталей и требуют рассмотрения более широкого круга вопросов, чем остальные пары.  Для изучения таких пар может быть использована общая схема. Возможный вариант общей схемы приведен ниже как поддерживающий раздел  Р15.

 
рис15

Рис. 15 Передача движения. Фрагмент 5.

 Р15.  Пары передачи движения с его преобразованием (пары преобразования движения)

Общая схема анализа пар преобразования движения с учетом положений работы  [ 22] приведена в разделе 2.6

Освоение указанных положений для реальных конструкций должно быть продолжено при изучении последующих курсов.

При изучении работы пар преобразования движения необходимо освоение ряда положений традиционных дисциплин общетехнического цикла (теории механизмов и машин, теоретической механики и т. д.). Необходимо также использовать представления других   наук, например, трибологии,  теплотехники и т. д. Кроме того, должны быть учтены также  новые  представления, не входящие  в настоящее время в традиционные учебные курсы.  Объем представлений и их разделение между базовым курсом и курсом основ проектирования зависит от специальности и уровня подготовки специалиста.

 

        На рис. 16 представлен заключительный фрагмент схемы

рис16

Рис.16 Структура механизма и детали. Фрагмент 6.

Этап изучения структуры механизма  включает: выявление системы  производных цепей механизма; и освоение методов расчета системы функциональных цепей.

Следует отметить, что большинство разработанных методов расчета размерных цепей относится к решению (см. Р16) отдельных цепей размеров или группы связанных (имеющих общие звенья) размерных цепей [30]. Вопросы расчета системы  размерных цепей (включая производные и связанные цепи), т.е. вопросы разработки общей методики размерного анализа конструкций в настоящее время нуждаются в развитии. Одним из возможных путей развития методики размерного анализа может быть выявление типовых структурных групп. Методы выявления  системы производных цепей следует осваивать в  лабораторно-практической работе (см. ниже). Вопросы расчета размерных цепей, изложенные в поддерживающем разделе Р16, должны быть закреплены практически  расчетом фрагмента структуры, выявленного при выполнении лабораторной работы.

Р16. Методы расчета размерных цепей.  Проектный и поверочный расчет цепей. Основные  расчетные зависимости. Методы достижения точности исходного (замыкающего) звена. Производные и связанные цепи. Типовые фрагменты структур. Задача согласования системы размерных цепей.

ЛР Цель работы – практическое освоение методов выявления структуры механизма. Для реального механизма необходимо выявить фрагмент производных функциональных  цепей, включающий цепи трех – четырех уровней с выполнением единой схемы цепей.

ПР Для выявленного в лабораторной работе фрагмента системы функциональных цепей (нескольких уровней) произвести согласование размеров деталей путем расчета размерных цепей.

Вопросам функциональной простановки размеров деталей посвящен поддерживающий раздел Р17 и лабораторно-практическая работа.

Р17. Функциональная простановка размеров детали. Принятые способы задания размеров деталей. Преимущества функциональной простановки размеров.

ЛР, ПР  Цель работы—освоение метода функциональной простановки размеров детали. Для фрагмента детали  указать размеры длины, полученные на основе выявления необходимых функциональных цепей механизма. Выполнить эскиз  графа структуры фрагмента детали.

В программу первой производственной практики следует включить задание по функциональной простановке размеров деталей и расчетам полей допусков размеров.

 

Р18. Возможности расчета функциональных цепей с учетом изменений размеров деталей, обусловленных  свойствами материалов и условиями  эксплуатации  изделия  (деформациями, износом и другими явлениями).

4.  Вопросы дальнейшей организации учебного материала

  4.1 Задачи проектирования механизма и их   последовательность

Процесс упорядочения учебного материала на основе предложенной схемы рассмотрен в данном разделе на  примере формирования одного из основных курсов «Основы проектирования механизмов и машин».

Вопросам проектирования узлов и деталей машин посвящено множество работ в области научной и учебной литературы. Существует также достаточно большое количество работ, в которых рассматриваются общие вопросы  методологии  конструирования. При многообразии подходов, методов и задач  проектирования   для обучения специалистов  целесообразна разработка  единой схемы проектных процедур.

Не   рассматривая  проблему во всей полноте,  авторы считают необходимым  отметить ряд  важных положений, касающихся упорядочения учебного материала предполагаемого курса.

Основой организации  процесса реального проектирования является  состав и порядок процедур проектирования.

При этом выработанный  «на сегодня» состав процедур  содержит перечень  реальных задач проектирования, из которых, в зависимости от уровня и направления обучения, в учебный материал могут быть включены общие, типовые или специфические для отрасли задачи в необходимом наборе.

Порядок  проектных процедур связан с разделением изделия на подсистемы, т.е. со структурированием изделия на составляющие  блоки (подсистемы) разного уровня.  Проектирование и изготовление подсистем изделия во времени может быть произведено без соблюдения  уровней структуры. Но при этом исходные данные для проектирования некоторой подсистемы определяются подсистемой предыдущего уровня (надсистемой) и, в свою очередь, определяют параметры подсистемы следующего, более низкого, уровня. Соединение всех подсистем механизма по их базовым поверхностям  реализует  единую структуру,  т. е. – принцип  его работы.

Таким образом, при проектировании изделия (решении необходимых задач в определенном порядке) формируются две модели: его принципиальная схема и комплект информации  (реальный проект), достаточной для изготовления и эксплуатации  механизма.

Главным свойством принципиальной схемы должна быть логическая (алгоритмическая) четкость представлений о порядке выполнении изделием его функции.

При реальном проектировании принципиальная схема изделия должна быть дополнена множеством необходимых данных. Обе схемы одинаково важны и дополняют друг друга.

Например, при разработке информации о детали необходимо рассматривать обе модели.  Структуру связей поверхностей  и параметры детали (в т. ч. – их точность) определяют, исходя из функции целого  изделия. Структура детали определяет, в свою очередь, схему технологического процесса, – его   наиболее рациональный вариант. Точность параметров и рациональность изготовления существенно влияют на экономические характеристики производства. Аналогичные представления справедливы и для механизма в целом.

Таким образом, будущий специалист   должен освоить и метод разработки единой структуры функциональных цепей изделия  и опыт практического проектирования. Представление о  структуре функциональных цепей механизма дает возможность рассматривать вопросы конструирования механизмов на единой основе.

В учебном варианте рассматривается  упрощенная модель, т. е. некоторая схема реального процесса проектирования механизмов. Принятый в учебной практике типовой состав и порядок задач проектирования изложен во многих методических пособиях  [14,15,22 и многие  другие]. При этом синтез структуры изделия ограничен составлением его кинематической схемы, а отдельные задачи проектирования рассматриваются в ряде случаев вне  системы их связей.

Представление о  функциональных цепях механизма позволяет уточнить понятия о кинематической цепи и кинематической паре, а также – продолжить синтез единой  принципиальной схемы механизма с помощью размерных цепей (цепей базирования).

Дальнейшие рассуждения проведены на основе учебной схемы процесса проектирования простейших механизмов и предложенной выше классификации пар по их функциям. Такая схема представляется достаточной для рассмотрения  обобщенной модели процесса проектирования и принципов дальнейшего упорядочения учебного материала.

 

 

Далее в представлениях и терминах  главы 2 рассмотрена последовательность задач учебного  проектирования типового  редуктора.

1.     Формулирование задачи проектирования (определение функциональных параметров).

2.     Разработка функциональной схемы механизма.

  • Определение  источника и параметров движения на «входе» (привода  механизма).
  • Выбор пар преобразования движения – кинематический синтез механизма (необходимое преобразование движения может быть достигнуто совокупностью пар различного типа).
  • Выбор пар передачи движения без его преобразования (муфты,  шпонки, шлицы и т. д.).
  • Базирование (неподвижное и подвижное) деталей выбранных пар (например, зубчатых колес) на несущей детали (вал). Ограничение степеней свободы движения, конструктивное оформление  соединений.
  • Подвижное базирование – соединение  вращающихся валов  (скомпонованных с деталями пар передачи и преобразования движения) с  несущей деталью  (неподвижным корпусом). Выбор подшипников и конструкций опор.  Конструктивное оформление соединений.
  • Компоновка механизма (синтез общей схемы).
  • Выполнение эскизного проекта.
  • Анализ общей схемы статических сил (на основе схем силовых взаимодействий в парах, рассмотренных в базовом курсе), проектные прочностные  расчеты, предварительный выбор материалов.
  • Проектный размерный анализ конструкции, уточнение схем базирования.

3.     Проверочные расчеты (кинематический, прочностной, размерный)

4.     Динамический анализ механизма.

5.     Выполнение сборочного чертежа.

6.     Конструирование деталей.

 

В более сложных конструкциях возможно получение многоступенчатой структуры и повторение некоторых операций (например – последовательное базирование деталей  и сборочных единиц). Кроме того, учебное проектирование (как и реальное) имеет итерационный характер, т.к. отдельные задачи решаются методом последовательного приближения. При всей сложности процесса реального проектирования рассмотрение порядка задач  в условиях единой структуры  механизма позволяет рассматривать приведенный перечень как типовую структуру процесса проектирования, т. е. схему – основу организации учебного процесса.

Как и в базовом курсе, схема – основа должна быть дополнена необходимыми поддерживающими разделами.

Например, для формулирования задачи проектирования должны быть изучены следующие поддерживающие разделы (содержание разделов сформулировано ориентировочно, номера разделов условно не указаны).

Р… Понятие о качестве  и показателях качества продукции. Теории и виды качества. Сертификация продукции машиностроения.

Р…Основы маркетинга, в т. ч. – вопросы оптимизации показателей качества и их прогнозирование.

Р… Рационализация процессов формулирования задачи проектирования – использование аналогов и типовых решений.

В качестве еще одного примера организации содержания учебного материала может быть рассмотрен этап  проведения прочностных расчетов.  Для выполнения расчетов должны быть изучены необходимые положения теории механизмов и машин, теоретической механики и  сопротивления материалов.  При этом теоретические положения отдельных дисциплин должны быть переработаны в  единую логику, которая может быть положена  в основу методики выполнения прочностных расчетов.  Такая методика может служить для рассматриваемого этапа поддерживающим разделом.

Формирование теоретического учебного материала в зависимости от поставленной задачи позволяет более строго и целенаправленно определить состав и объем теоретических и практических представлений, необходимых и достаточных для ее решения при подготовке специалиста требуемого профиля и уровня (подробнее – см. раздел 4.3). Кроме того, это позволяет существенно повысить концентрированность учебного материала, а, следовательно, и интенсивность обучения.

Важно также отметить, что изучение вопросов устройства, работы и проектирования изделий, исходя из поставленной задачи, дает возможность реализовать одну из актуальнейших идей совершенствования образования [1 и другие] – проблемно – ориентированное  обучение профессии, а также дает опыт освоения знаний для будущего самообразования.

 

4.2 Предложения по содержанию последующих этапов профессионального образования

Данный раздел включает в себя рекомендации по сведениям, необходимым специалисту любой машиностроительной специальности для его успешной деятельности.

В курсе  «Основы технологии машностроения» следует рассмотреть, в основном, следующие вопросы:

  • основные методы создания конструкций машин и механизмов;

 

  • · функции, формы поверхностей и комплекты баз типовых деталей машин;
  • на основе общих принципов расчета прочности и точности деталей, обоснование задания материалов, термической обработки, размеров деталей и полей допусков размеров;
  • стадии изготовления деталей – виды заготовок и обзор методов их получения с кратким описанием оборудования, обзор методов получения конструкционных материалов (металлов, пластмасс и других);
  • основы технологии изготовления деталей из заготовок (оборудование, пути обеспечения требуемого качества – вопросы базирования, настройки, технологические размерные расчеты: минимизация себестоимости деталей, поверхностная термическая обработка, покрытия, технологические процессы изготовления типовых деталей);
  • электрические, гидравлические, пневматические приводы и другие устройства машин;
  • трение и смазка машин, смазочные материалы;
  • основы технологии сборки машин;
  • автоматизация в процессах проектирования машин и технологических процессов;
  • управление машинам и общие принципы его автоматизации

 

 

В специальный курс «Процессы создания машин  отрасли» целесообразно включить следующие разделы:

  • функции, формы функциональных поверхностей и комплекты баз типовых машин и деталей отрасли;
  • материалы деталей и особенности расчета их прочности;
  • специфические методы получения заготовок деталей;
  • технологические процессы изготовления из заготовок типовых деталей отрасли, оборудование, режущий инструмент, специальные средства контроля;
  • электрическое, гидравлическое и пневматическое оборудование машин;
  • автоматизация управления машинами;
  •  особенности технологии сборки машин отрасли.

 

Изучение указанных курсов должно сопровождаться достаточным количеством лабораторных и практических работ, производственных практик. По каждому из курсов должны быть предусмотрены курсовые проекты (возможно – несколько).

 

4.3 Общие вопросы профессионального образования в машиностроении.

Предлагаемый принцип формирования учебного материала «от задачи» ни в коем случае не следует рассматривать как стремление к ограничению фундаментальности инженерного образования и к тому, что называют «глухотой специализации» и «узким технократизмом». Разработка учебного материала на основе актуальных задач практики дает возможность оптимально сбалансировать  вопросы теории и практики в учебном процессе.

Содержание обучения должно формироваться как «сверху» от фундаментальных знаний [7, с. 19] так и от практики – путем  обобщения накопленных фактов. Развитие содержания обучения определяется взаимосвязанными и взаимообусловленными процессами анализа и синтеза знаний и их единства.  Оба метода должны стать факторами  разработки учебного материала.

Кроме того,  формирование учебного материала на основе задач практики является основой для разработки компетенций специалистов.

 

Изучение  задач  на разных этапах проектирования представляется целесообразным проводить в общем порядке.

  •  Постановка задачи (ее формулирование, исследование влияющих факторов, их организация и ограничение условий задачи).
  • Поиск решения (освоение необходимых и достаточных теоретических положений, изучение освоенных практикой  аналогов, выбор адекватной модели решения)
  • Решение задачи.

В работе [31] указан аналогичный порядок основных этапов решения реальных задач как последовательное составление функциональной, физической  и  математической моделей

К сожалению, в традиционном учебном процессе  цель – освоить правила постановки задач – практически  не ставится. В практике обучения доминирует рассмотрение задач в итоговой формулировке  [32], а решение представляет собой, как правило, процесс подстановки некоторых значений в предлагаемые формулы. Такое положение реализует распространенный ранее  тезис: «Специалист должен уметь решать поставленные перед ним задачи» и формирует в учащемся привычку быть ведомым.

Умение студентов самостоятельно формулировать задачи в процессе обучения способствует созданию множества вариантов учебных и практических задач и развитию креативности учащихся. При сближении учебных и практических задач в  рамках учебного процесса возможно выполнение  студентами учебно-  и научно-исследовательских работ, а также – работ методического характера, в том числе – в области разработки методических пособий (в частности – компьютерных) к учебному процессу.

В связи с  необходимостью более глубокого изучения деталей и их поверхностей (см. главу 1)  перспективным становится ряд исследовательских работ, которые могут быть выполнены студентами в процессе обучения.  Например, работы по изучению поверхностей в парах, вопросов базирования деталей, расчета размерных цепей типовых  блоков структуры и другие работы,  доступные для студентов в процессе и после изучения базового курса.

 

Одним из важнейших направлений развития машиностроения является информатизация процессов конструкторского и технологического проектирования. В настоящее время разработано множество автоматизированных систем различного назначения. Очевидно, что подготовка специалистов в машиностроении также должна быть информационно – ориентированной  [10]. Исходя из базового положения кибернетики: «Нельзя автоматизировать беспорядок», ставится задача сформировать новую, перспективную структуру предметной области (структуру реальности), которая была бы более адекватна современному уровню   развития науки и образования. Задача упорядочения базовых представлений в машиностроении не была поставлена своевременно, но сегодня решение этой задачи стало одной  из главных проблем образования в отрасли и ее развития в целом. Упорядочение  (структурирование) исходных представлений в машиностроении является необходимым условием оптимизации процессов конструкторского и технологического проектирования машин и подготовки специалистов.   Вопросам упорядочения исходных представлений и посвящена настоящая работа.

В качестве  методов структурирования предметной области используют логику, системные (функционально-структурные) представления, синергетику (теорию развивающихся систем), современные формальные технологии. Последовательность перечисленных методов определена уровнем обобщения информации.  В предметной области машиностроения, касающейся базовых представлений, в настоящее время только начинают осваиваться системные модели [8, 31, 33, 34]. Для дальнейшего развития системы подготовки специалистов рассматривается [35]  направление синергетического и обобщающего образования. Логично заключить, что специалист, работающий в предметной области, должен освоить и практическую сущность процессов  в профессии и методы построения логических, физических, математических и информационных моделей реальных процессов создания машин. Культура познавательной деятельности преподавателей в системе профессионального обучения  представляет собой элемент профессиональной компетентности, особенно – преподавателей высшей школы. Для повышения профессиональной компетентности преподавателей  и воспитания навыков самообразования у будущих специалистов, необходимо обучать их конкретным вопросам «технологии» познавательной  и творческой деятельности, В частности,  включить в учебный план курс, посвященный основам методологии   познания.

 

       Выводы

      Проведенная работа позволяет уточнить  ряд общетехнических представлений в машиностроении, усовершенствовать содержание учебного  материала и решить  ряд основных задач реформы образования  в машиностроении. В частности, таких как преодоление междисциплинарных границ, проблемно – ориентированное обучение, практико-ориентированное обучение и ряд других задач.

Как альтернатива фрагментарности традиционных представлений  в работе сформирована единая  система понятий о механизме, паре, звене, детали и ее поверхностях, что дает возможность последовательного изучения  этих представлений без разделения учебного материала по разным дисциплинам. Такой принцип организации позволяет более строго и целенаправленно определить состав и объем теоретических и практических представлений, необходимых для подготовки специалиста требуемого профиля и уровня,  что  способствует интенсификации обучения.

Предлагаемые содержание и методы обучения дают возможность с первого дня учебы (до получения студентами навыков работы с чертежами) начать освоение профессии, что  позволит повысить мотивацию учащихся, а также -  резервировать время на более глубокое изучение ряда разделов или факультативных курсов.

Предлагаемый базовый курс  предусматривает практическое начало освоения профессии – часть принятых представлений должна быть освоена студентами непосредственно в работах  лабораторного и практического характера.

Предлагаемая схема представлений о машинах и механизмах может быть единой  основой профессионального образования в машиностроении на всех его уровнях, определяя преемственность процессов подготовки специалистов.

Предлагаемая система представлений и организации учебного процесса более открыты к инновациям, чем традиционный учебный процесс, т.к., с одной стороны, в единой структуре понятий в большинстве случаев  уже  заготовлена «полочка» для того или иного нововведения, определяющая его место в общей системе. С другой стороны, принятая система понятий позволяет  подойти  к  постановке и решению ряда новых    перспективных задач  для науки и практики в отрасли. Например,  задача более глубокого исследования работы  движущихся поверхностей  [ 11  ], их математического описания  на основе электро-физических аналогий  [8  ], расчетного  обоснования норм точности параметров деталей исходя из функции целого изделия. При этом необходимо рассмотреть возможность нормирования не только предельных значений функционального параметра звена,  но и характер изменения текущего параметра звена в пространстве и времени, что непосредственно связано с  взаимодействием работающих  поверхностей.

Таким образом, можно заключить, что представление о единой структуре механизма и учебного материала может служить основой как дальнейшего развития содержания образования специалистов  в машиностроении, так и  развития науки и практики отрасли в целом.


Библиографический список
  1. Водопьянова Е. и др. Другая наука. Заказ инновационного общества // Свободная мысль . – 2007. – №4.
  2. Зубарев Ю.М. Модернизация машиностроения зависит от уровня подготовки специалистов.  Необходимость пересмотра содержания общенаучных и общетехнических дисциплин // Высшее образование сегодня / – 2011. – №5 . – с.71.
  3. Безъязычный В.Ф. Конструкторско – технологическая информатика   Тр.1V Международного конгресса. 2000 г.
  4. Булатов В. П,. Брагинский В. А  Основы теории точности машин и приборов СПб.: Наука, !993 – 232 с.
  5. Суслов А. Г. Конструкторско – технологическая информатика  . Тр.  V Международного конгресса. Под ред. Ю.М.Соломенцева., М.,. 2005
  6. Соснин Н. В. Модульность в структуре  содержания обучения в компетентностной модели высшего профессионального образования // Высшее образование сегодня. – 2009. – № 7. -  с. 24.
  7. Жуков В. Н. О прикладной и фундаментальной науке в образовании // Alma mater. – 2009. -  № 5. – с.19.
  8. Капитонова К. А. О структуре деталей машин. – М.: Компания Спутник, – 2007. – 31 с.
  9. Волосов С.С., Капитонова К.А, Гуревич А.И.. Функциональные параметры деталей и активный контроль размеров. Сб. Активный контроль размеров. Под ред. С.С. Волосова. – М.: Машиностроение, 1984. – С. 196-220.
  10. Колин К.К.  Философия информации и фундаментальные проблемы современной информатики // Alma mater. – 2010. – №1. – с. 29.
  11. Гутыря С. С. Развитие курса «Детали машин» в русле задач современного машиностроения // Труды всероссийской научно-технической конференции «Машиноведение и детали машин». Ред. Ряховский О. А. – М.: МГТУ им. Баумана. – 2008. – с.244-248.
  12. Шелофаст В. В. Основы проектирования машин. – М.: АПМ. – 2005. – 472
  13. Штарев С. Г. И др. Технические основы создания машин: Учебник для студентов вузов железнодорожного транспорта. М.: -2007. – 148 с.
  14. Косов М. Г., Гуревич Ю. Е., Симанженков К. А. Логика проектирования машин. Учебное пособие. – М.: Янус – К, 2008. – 250 с. 10
  15. Аверьянов О. И., Солдатов В. Ф. Основы проектирования и конструирования: Учебное пособие. – М.: МГИУ, 2008. – 152 с.
  16. Кориков А. М., Павлов С. Н.Теория систем и системный анализ: Учебн. Пособие. – Томск, 2007. – с.64.
  17. Усова Э. А., Котюков В. И. Моделирование систем: Учебн. Пособие. -  Новосибирск: Изд.СГУПС, 2008. – 124с.
  18. Левитский Н. И. и др. Теория машин и механизмов. Терминология. Под ред. Фролова К. В. М.: Машиностроение, 2004.
  19. Калашников Н. А. Точность в машиностроении и ее законы. М., Машгиз, 1950
  20. Гуревич А. И. Основы нормирования размеров деталей машин: Учебное пособие / РГАТА. – 1994. – 160 с..
  21. Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.
  22. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин: учебное пособие для вузов / – М.: «Академия». – 2008. – 495с.
  23. Балакшин Б. С.  Теория и практика технологии машиностроения: В 2-х кн. – М.: Машиностроение, 1982. Кн. 2. Основы технологии машиностроения. – 367 с
  24. ГОСТ 21495 – 76.  Базирование и базы в машиностроении.
  25. Анухин В. И. Допуски и посадки: учебное пособие / «Питер». – 2007. – 206с.
  26. Дунаев П. Ф. Размерные цепи. – М.: Машгиз, 1963. – 308 с.
  27. РД – 635 – 87  Методические указания. Цепи размерные. Основные понятия. Методы расчета линейных и угловых цепей. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 46 с.
  28. ОСТ 3 – 3781 – 85 . Цепи размерно – точностные. Методы расчета на ЭВМ.
  29. Пузанова В.П. Простановка размеров длины в чертежах деталей. – М. – Машиностроение, 1964. – 104 с
  30. Гуревич А. И. Автоматизация расчета параллельно связанных размерных цепей // Вестник машиностроения. – 1991 . -  №6  . – с. 28 – 28.
  31. Носов В. В. Методика преподавания курса «Детали машин» // Труды всероссийской научно-технической конференции «Машиноведение и детали машин». Ред. Ряховский О. А. – М.: МГТУ им. Баумана. – 2008. – с.248.
  32. Гутман В. В. Феномен субъективизации содержания образования // Высшее образование сегодня. – 2009. – № 3. – с.48.
  33. Долженко О. В. Учебный процесс как метод научного познания.                                         // Alma mater. – 2010 -  № 3. –  с. 15.
  34. Абовский Н. П., Палагушкин В. И. Развитие системного мышления при обучении и тестировании// Alma mater. – 2009 -  № 9. –  с. 32.
  35. Жасимов М. М. Система синергетического и обобщающего образования// Alma mater. – 2008 -  № 11. –  с.


Все статьи автора «Kapitonova»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация