郭鵬江，劉瑞祥

（山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博）

“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”課程是能源與動(dòng)力工程專業(yè)（內(nèi)燃機(jī)方向）的一門(mén)重要的專業(yè)教育課程，每年能源與動(dòng)力工程專業(yè)的本科生學(xué)習(xí)這門(mén)課，48學(xué)時(shí)。從內(nèi)燃機(jī)的工作需求、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)入手，綜合考慮材料、工藝、承載件的機(jī)械載荷和熱載荷、運(yùn)動(dòng)件潤(rùn)滑與密封、內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與環(huán)保等問(wèn)題，學(xué)習(xí)內(nèi)燃機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核方法，學(xué)習(xí)內(nèi)燃機(jī)輔助系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)方法，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生樹(shù)立辯證的工程技術(shù)思維，能夠應(yīng)用各門(mén)知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題的綜合分析，初步具有內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的能力，為從事內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和技術(shù)管理等工程奠定專業(yè)基礎(chǔ)。從該課程教育目的出發(fā)，結(jié)合教學(xué)改革與實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程的組織以及教學(xué)實(shí)踐等方面都要有較大的突破，不僅在課堂上講授課程的主要內(nèi)容和章節(jié)，將GT-SUITE軟件引入本課程中，完成某些零部件的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)山東理工大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)和使用[1]，在課上和課下借助于學(xué)校購(gòu)買(mǎi)的超星名師講壇等來(lái)實(shí)現(xiàn)“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”課程的混合式教學(xué)改革，而且要引入思政元素，切實(shí)把思想政治工作貫穿教育教學(xué)的始終，推動(dòng)形成全員育人、全程育人、全方位育人的教育格局；培育學(xué)生一絲不茍、精益求精、吃苦耐勞、勤奮認(rèn)真的工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、勇于探索、協(xié)調(diào)創(chuàng)新、追求卓越等優(yōu)秀品質(zhì)，成長(zhǎng)為心系社會(huì)并有時(shí)代擔(dān)當(dāng)?shù)募夹g(shù)人才[2]。

一 “內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”的課程目標(biāo)

1.能夠根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作需求和設(shè)計(jì)要求，按照總體設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的選型，并確定內(nèi)燃機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.能夠根據(jù)內(nèi)燃機(jī)零部件的設(shè)計(jì)要求，完成零部件的基本設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮材料、工承載件機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)件的潤(rùn)滑等問(wèn)題，進(jìn)行零部件的結(jié)構(gòu)方法設(shè)計(jì)。應(yīng)用材料力學(xué)或有限元知識(shí)進(jìn)行零件的強(qiáng)度和剛度校核，判斷零件的安全性，并提出改進(jìn)方案。

3.能夠培養(yǎng)學(xué)生在設(shè)計(jì)中主動(dòng)考慮相關(guān)的節(jié)能、降噪和環(huán)保的政策法規(guī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)和輔助系統(tǒng)的初步選擇、布置和匹配計(jì)算。培養(yǎng)學(xué)生遵守行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和良好的工程職業(yè)道德和規(guī)范，嚴(yán)謹(jǐn)敬業(yè)的工作作風(fēng)。為今后的研究生學(xué)習(xí)和企業(yè)的工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.能夠培養(yǎng)學(xué)生緊跟時(shí)代脈搏，與時(shí)俱進(jìn)，掌握行業(yè)發(fā)展的動(dòng)向，使學(xué)生今后不斷學(xué)習(xí)，提高自身的工程技術(shù)水平。

本課程分別在2014年和2019年列入了課程負(fù)責(zé)人支持計(jì)劃和混合式教學(xué)改革項(xiàng)目，根據(jù)“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”課程特點(diǎn)[3-6]，教學(xué)過(guò)程中教師以現(xiàn)場(chǎng)課的形式進(jìn)行講授，運(yùn)用講練結(jié)合、案例教學(xué)、慕課、信息化計(jì)算機(jī)仿真等教學(xué)方法，促進(jìn)師生之間的交流和互動(dòng)。在教學(xué)設(shè)計(jì)中突出學(xué)生的主體地位，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，全面培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)?！皟?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”課程結(jié)束后有2周的內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生進(jìn)一步運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，達(dá)成“行合一”的學(xué)習(xí)效果。

二 該課程思政教育的融入點(diǎn)

思想政治工作貫穿本課程的教學(xué)全過(guò)程，列舉思政教育的幾個(gè)典型的融入點(diǎn)：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)平衡，所對(duì)應(yīng)的哲學(xué)觀點(diǎn)為：局部與整體的關(guān)系，局部影響整體。本課程的第三章是內(nèi)燃機(jī)平衡，包括內(nèi)平衡和外平衡。外平衡主要是平衡掉整個(gè)曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力矩、一階往復(fù)慣性力和力矩，二階往復(fù)慣性力和力矩等。平衡旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩主要是加平衡塊；平衡往復(fù)慣性力和力矩主要是加雙軸平衡。

以四缸機(jī)為例，為了平衡二階往復(fù)慣性力需要加雙軸來(lái)平衡，如圖1所示。主要的教學(xué)方法是借助于發(fā)動(dòng)機(jī)圖片和課堂PPT講解的力學(xué)分析方法。

圖1 雙軸平衡機(jī)構(gòu)[7]（此圖片來(lái)自《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》第三版教材與PPT，袁兆成主編）

2.發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程，所對(duì)應(yīng)的哲學(xué)觀點(diǎn)為：分析-歸納-總結(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程屬于本課程第五章的內(nèi)容。先設(shè)計(jì)出整體的配氣機(jī)構(gòu)形式，確定每個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸，其中主要是配氣凸輪軸的型線設(shè)計(jì)，然后構(gòu)造配氣機(jī)構(gòu)單質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)求解微分方程，可以計(jì)算出氣門(mén)的動(dòng)態(tài)位移、速度和加速度，還能夠計(jì)算機(jī)構(gòu)彈性變形、判斷飛脫、落座速度等，如圖2所示。

圖2 配氣機(jī)構(gòu)單質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型[7]

3.曲軸的應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)的思想政治教育：培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍、精益求精。在設(shè)計(jì)曲軸的過(guò)程中，避免曲軸圓角與油孔的應(yīng)力集中，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要合理地選取曲軸的圓角半徑和油孔圓角半徑。

三 教育方法和載體途徑

（一） 發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡

一門(mén)課程的課程設(shè)計(jì)在教學(xué)中占重要的地位，貫穿課堂教學(xué)的始終。下面以單拐和三拐曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩的平衡為例，講述課程設(shè)計(jì)的課中環(huán)節(jié)的一段。

1.知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)入。讓學(xué)生觀察單缸機(jī)曲軸的形狀，包括主軸頸、連桿軸徑、平衡塊布置等（圖3）。通過(guò)展示曲軸的結(jié)構(gòu)，引入新課，思考平衡塊的布置方案和尺寸設(shè)計(jì)。

圖3 單拐曲軸

圖4 單拐曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡

3.學(xué)生思考環(huán)節(jié)。如何來(lái)平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩呢？圖4的單缸機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力矩是否平衡了呢？

4.學(xué)生慕課環(huán)節(jié)。通過(guò)老師對(duì)單缸機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡分析和講解，讓學(xué)生思考四沖程三拐曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡。主要通過(guò)慕課方式來(lái)學(xué)習(xí)。在線觀看超星爾雅教學(xué)視頻，如圖5所示，學(xué)習(xí)三拐曲軸的旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩的平衡方法，得出平衡塊的質(zhì)徑積。

圖5 三拐曲軸的平衡視頻截圖

5.學(xué)生作業(yè)環(huán)節(jié)。作業(yè)要求學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上完成，具體的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能在參考文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和說(shuō)明，這里不再敘述。通過(guò)課堂慕課和老師的總結(jié)，學(xué)習(xí)了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)慣性力和力矩的平衡，課后通過(guò)作業(yè)的方式學(xué)習(xí)了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)慣性力和力矩的平衡。如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)作業(yè)截圖

（二） 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程

在教學(xué)中，講述基本理論的同時(shí)，借助于GTSUITE發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件來(lái)求解氣門(mén)的動(dòng)態(tài)位移、速度和加速度。如圖7所示。圖7（a）是利用GT-SUITE軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)凸輪的工作角、凸輪升程、緩沖段的高度、氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)的速度和加速度等參數(shù)，設(shè)計(jì)凸輪型線。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的具體形式，在軟件中輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖7（b）所示。然后離散化，根據(jù)轉(zhuǎn)化后的零件map圖，如圖7（c）所示，計(jì)算氣門(mén)升程、氣門(mén)落座時(shí)的速度、氣門(mén)的瞬時(shí)速度和加速度曲線等，在實(shí)際的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)中，考慮了機(jī)構(gòu)的彈性變形和慣性力，得到了氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

圖7 GT-SUITE軟件求解氣門(mén)升程

（三） 曲軸的應(yīng)力集中

曲軸圓角處和油孔處的應(yīng)力集中嚴(yán)重，是校核的重點(diǎn)。利用工程有限元軟件計(jì)算對(duì)曲軸的彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，避免曲軸的壓力集中。

四 課程建設(shè)與保障

1.整個(gè)課程有很好的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，教師有很好的授課經(jīng)驗(yàn)，并且已經(jīng)取得了多項(xiàng)教學(xué)成果。

2.學(xué)校圖書(shū)館已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”這門(mén)課的超星名師講壇，為學(xué)生們提供了方便。

3.交通學(xué)院幾年前已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了GT-SUITE發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件，并且在畢設(shè)環(huán)節(jié)應(yīng)用，取得了很好的效果。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)零部件齊備。

5.目前“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)完全按照工程教育認(rèn)證要求進(jìn)行。

6.“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”這門(mén)課已經(jīng)完成了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人建設(shè)和混合式教學(xué)教改項(xiàng)目[8]。

五 結(jié)語(yǔ)

具體的建設(shè)采用教堂教學(xué)、超星名師講壇、軟件虛擬等手段來(lái)建設(shè)。預(yù)計(jì)在2021年下半年的課堂教學(xué)中融入思政建設(shè)，并且把軟件虛擬引入到課堂中去，模擬配氣機(jī)構(gòu)，課后觀看相關(guān)的名師講壇。預(yù)計(jì)打算以后每屆都在正常的教學(xué)環(huán)節(jié)中引入思政建設(shè)，切實(shí)把思想政治工作貫穿教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，培育學(xué)生求真務(wù)實(shí)、踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、精益求精的工匠精神，成長(zhǎng)為心系社會(huì)并有時(shí)代擔(dān)當(dāng)?shù)募夹g(shù)性人才。