О поиске путей совершенствования курсового проектирования по предмету «Детали машин»

Усовершенствование форм и методов обучения, используемых в современной высшей школе, а также создание новых, позволяющих повысить эффективность обучения, вызвано рядом объективных причин. Одна из основных причин - изменение и повышение уровня требований, предъявляемых предприятиями различных отраслей производства к подготовке технических специалистов. Перечень этих требований постоянно расширяется и дополняется новыми требованиями, возникающими в связи с необходимостью иметь навыки работы с новейшими разработками в области информационных технологий и уметь их применять непосредственно на практике.

Несмотря на некоторое смещение акцентов и расширение числа дисциплин, осваиваемых в процессе подготовки специалистов, остается неизменным ряд основополагающих требований к качеству знаний и умений, приобретаемых в процессе подготовки инженеров технических специальностей.

Для квалификационного уровня и потенциала инженера, в какой бы отрасли производства он в последующем ни осуществлял свою деятельность, определяющими будут всегда фундаментальные основы, закладываемые связкой базовых дисциплин: теоретическая механика - теория машин и механизмов - сопротивление материалов - детали машин.

В этой связке расчетно-конструкторский курс «Детали машин» является объединяющим все другие как составные части единого целого, формирующего своего рода мировоззрение инженера. Поэтому столь непреувеличенно важен и значителен вклад курсового проектирования, осуществляемого в процессе освоения этой дисциплины. Сумма знаний, полученных при изучении предшествующих теоретических курсов, начинает «работать», раскрываясь и обозначая свою суть, показывая степень важности и ответственности каждого из этапов последовательно связанного, логически выстроенного процесса разработки элементов механических передач. Таким образом, у студентов формируются конструкторские навыки, умение искать и находить оптимальные конструктивные и технологические технические решения, способности к осознанному выбору из множества имеющихся вариантов альтернативных способов осуществления поставленной за- дачи. И, наконец, возникают и утверждаются важнейшие для инженера способности – способности к самостоятельному анализу и принятию взвешенных и технически верных решений.

Необходимо отметить, что столь важный, но объемный обучающий процесс протекает в рамках ограниченного временного промежутка. По сути, работа над курсовыми проектами протекает в режиме цейтнота. Это вызвано неуклонным уменьшением количества аудиторных часов, отводимых на предмет в соответствии с учебными планами, которые претерпевают изменения при переходе к их следующим поколениям, освобождая «пространство» для других учебных курсов, как правило связанных с освоением информационных технологий.

В таких условиях, когда задача обучения остается прежней по существу, требования к уровню подготовки технических специалистов все более ужесточаются и расширяются, а временн ы е ограничения становятся все жестче, и в результате возникает необходимость выработки новых, качественно иных подходов для реализации продуктивного учебного процесса, существенно ускоряющих и дополняющих его.

В настоящее время существующие системы автоматизированного проектирования (САПР), дополненные библиотеками стандартных элементов и модулями по расчету и проектированию механических передач, достаточно широко внедряются в процессы обучения. Они позволяют выполнять корректное, отвечающее требованиям стандартов проектирование отдельных деталей машин, передач и даже механизмов целиком, обеспечивая при этом генерацию геометрии и графики объектов проектирования.

При таком подходе с учетом возможностей большинства САПР участие пользователя в ходе разработки изделия зачастую ограничивается вводом исходных данных и анализом полученных результатов, оценкой работоспособности разработанных конструкций, их рациональности и пригодности к эксплуатации или последующему усовершенствованию. Все это удобно и приемлемо для автоматизированного выпуска технической документации в условиях реального производства, когда в качестве проектировщика выступает опытный инженер, способный анализировать и принимать безошибочные решения.

Использование САПР в качестве обучающих систем не приносит желаемого результата, так как при этом само по себе обучение не происходит, а появляются только навыки по использованию той или иной САПР. Сугубо механистическое взаимодействие с программой не дает возможности разделить и осмыслить основные этапы проектирования, проанализировать ключевые моменты, сделать выводы о результатах и путях улучшения тех или иных параметров и показателей проектируемой передачи, то есть невозможно получить требуемый опыт.

Для решения данной проблемы нами был разработан программный модуль «Расчет зубчатых и червячных передач», включающий в себя три программы: «Расчет цилиндрического редуктора», «Расчет конического редуктора», «Расчет червячного редуктора» (рис. 1), предназначенные соответственно для проектирования косозубых цилиндрических, прямозубых конических и червячных передач с архимедовым червяком.

Рис. 1. Стартовое окно

Выбранная методология алгоритма расчетов, реализуемых этими программами, полностью соответствует требованиям следующих стандартов: ГОСТ 21354–87 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность», ГОСТ 19650–97 «Передачи червячные цилиндрические. Расчет геометрических параметров» и ряда других.

При проектировании зубчатых и червячных передач в качестве исходных данных выступают силовые и кинематические параметры ведущего и ведомого звена передачи. А результатом являются основные геометрические размеры, от которых зависит нагрузочная способность и работоспособность передачи. Специальным образом предусмотренные и наложенные ограничения не позволяют спроектировать зубчатую или червячную передачу, у которой какие-либо размеры или расчетные параметры не соответствуют стандартным значениям.

Каждая из перечисленных программ в свою очередь условно разбита на три функциональных модуля, имеющих разное содержимое и отвечающих за последовательное поэтапное осуществление хода проектирования механических передач. Рассмотрим эти модули более детально.

Модуль № 1 (рис. 2) позволяет выполнять ввод исходных данных для последующих расчетов, выбор материала ведущего и ведомого элемента передачи, определение допускаемых контактных напряжений и напряжений изгиба. На каждом этапе диалога с программой производится сопоставление вводимой пользователем информации на соответствие требованиям стандартов и рекомендаций, для чего в каждую из трех программ заложены соответствующие их назначению базы данных. Базы данных содержат ряды стандартных значений передаточных чисел, модулей зацепления, межосевых расстояний, коэффициентов ширины зуба, коэффициентов диаметра червяка и прочее.

Функциональный модуль № 2 (рис. 3) отвечает за проектный расчет передачи, проводимый по критерию усталостной контактной прочности. Пользователь в диалоговом режиме с программой управляет выбором и расчетом основных параметров проектируемой передачи и при необходимости проводит их стандартизацию. Данные, полученные на этом этапе, впоследствии являются основой для построения эскизной компоновки редуктора. Если результаты эскизного проектирования оказываются по каким-либо причинам неприемлемыми, то выполняется перерасчет с целью улучшения геометрии передачи.

Рис. 2. Модуль № 1

Рис. 3. Модуль № 2

Модуль № 3 (рис. 4) выполняет проверку работоспособности ранее спроектированной передачи по критериям контактной и изгибной прочности. Полученный результат признается приемлемым, если недогрузка в передаче не превышает 15 %, а перегрузка не превышает 5 %. В противном случае пользователю предлагается скорректировать расчет путем выбора материала, имеющего большую или меньшую твердость, либо путем варьирования значения межосевого расстояния или ширины зубчатого венца. После завершения работы всех функциональных модулей формируется отчет, который сохраняется в виде текстового файла или отправляется на печать.

Рис. 4. Модуль № 3

Средой разработки расчетного модуля «Расчет зубчатых и червячных передач» стал программный комплекс Delphi 7 Enterprise компании Borland, так как он позволяет в полной мере решить поставленные задачи, поскольку включает в себя большую библиотеку визуальных компонентов и позволяет разрабатывать приложения баз данных с использованием этих компонентов, а также подключать компоненты сторонних разработчиков и разрабатывать свои собственные. Для построения и вывода отчетов использовался компонент Rave Reports 5.0, разработанный фирмой Nevrona и входящий в состав Delphi 7 в качестве основного средства для создания отчетов.

Разработанный программный продукт был апробирован и успешно внедрен в учебный процесс с целью частичной автоматизации курсового проектирования по дисциплине «Детали машин». Это позволило в значительной степени упростить и ускорить работу по проектированию двухступенчатых редукторов. Работа с расчетным модулем имеет выраженный обучающий характер и требует от студентов вдумчивых и осознанных действий на каждом этапе работы с ним. Несомненным положительным моментом также является то, что использование этой разработки обеспечивает получение корректных данных на начальной стадии проектирования, наиболее трудоемкой и сложной.