机械设计基础教学教案

《机械设计基础》教学教案课程编号：2110052课程名称：机械设计基础英文名称：FundamentalMechanicalDesign学时与学分：学时：70+10学分：4撰稿人：徐颖审定人：张春丽课程的目的和任务《机械设计基础》是一门培养学生具有一定机械设计能力的技术基础课，为学生学习后续课程及解决生产实际问题奠定基础。本课程教学内容方面应着重基本知识、基本理论和基本方法，在培养学生实践能力方面应着重设计技能的基本训练，同时注意培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。本课程的主要任务是：（1）掌握常用机构的基本原理、运动特性和机构动力学的基本知识，初步具有分析和设计基本机构的能力，并对机械运动方案的确定有一定的了解；（2）掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，初步具有设计简单机械及普通机械传动装置的能力；（3）具有运用标准、规范、手册、图册等有关资料的能力；（4）能通过实验验证理论，并巩固和加深对理论的理解。课程的基本要求（1）要求掌握的基本知识：机械设计的一般知识。机械和机械零件的主要类型、性能、特点、应用、机械零件的常用材料、标准和结构工艺性。摩擦、磨损、润滑和密封的一般知识。（2）要求掌握的基本理论和方法机构的组成、工作原理和运动特性。机械动力学的基本知识。机械动力学的基本原理、防震、减振的途径。通用机械零件的工作原理、受力分析、应力状态、失效形式等。通用机械零件的设计计算准则：强度、刚度、耐磨性、寿命、热平衡等。简化计算、当量法、试算法等。改善载荷和应力分布不均匀的方法，提高零件疲劳强度的措施，改善摩擦学性能的途径。（3）要求掌握的基本技能绘制机构简图，零部件的设计计算及工作图的绘制；查阅标准、规范、手册等技术资料；编写技术文件等。与其它课程的联系与分工（1）本课程的先修课程主要有：《机械制图》、《金属材料与热处理》、《互换性》、《理论力学》、《材料力学》等；（2）本课程着重讨论常用机构与通用机械零件设计的相关问题，培养学生机械设计的基本技能。为今后的各专业学习和专业课程设计奠定基础。本课程的性质及适用对象必修课，近机械类各专业，如：自动化、纺织工程和交通运输等。课程重点：根据机械原理和机械设计基础理论知识，正确选用和分析常用机构和通用零件。课程难点：应用理论知识解决实际工程应用问题。解决方法：把一般原理和方法与研究实际机器和机构时的具体应用联系起来，以日常生活和生产实践中见到的各种机构和机器为例，引导学生进行观察和分析。课堂教学采用多媒体课件，通过机构运动动画、零件加工模拟、工程案例等给学生以直观印象。实践教学减少了一些理论验证性实验，增设了一些综合创新实验项目，从而加强工程实践训练，突出动手能力和分析问题等能力的培养。课程的内容与教学要求：一、理论教学（64学时）1．绪论（2学时）主要教学内容：本课程的内容、性质和任务机器、机构、构件和零件常用机构、通用零件本课程的特点和学习方法本课程在教学中的地位教学要点：（1）重点介绍本课程的性质、研究对象、学习目的、课程特点和学习方法，简单介绍机械设计的一般步骤和方法。（2）特别注意讲清楚机械、机器与机构之间的区别，通用零件与专用零件的分类。2．平面机构的运动简图和自由度（6学时）主要教学内容：平面运动副及其分类平面机构运动简图平面机构自由度的计算教学要点：（1）重点介绍机构、运动副、运动链、自由度与约束及机构具有确定运动的条件等基本概念、机构运动简图的绘制和机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件；（2）简单介绍速度瞬心（包括绝对瞬心和相对瞬心）的基本概念和用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心位置的方法。（3）平面机构自由度分析和计算是本章学习的重点。复合铰链、局部自由度和虚约束的判断是正确计算自由度的关键。（4）讲解机构运动简图绘制时，应安排一次机构运动简图测绘实验，以提高教学效果。3．平面连杆机构（6学时）主要教学内容：（1)铰链四杆机构的基本形式和特性；（2)曲柄存在条件；（3)铰链四杆机构的演化；（4)四杆机构的设计；教学要点：（1）重点介绍四杆机构的组成、基本形式、压力角和传动角、死点位置、急回特性及其计算、曲柄存在的条件、杆机构的基本演化方法和典型杆机构的设计方法；（2）简单介绍平面多杆机构。（3）平面四杆机构的设计是本章的一个难点。不同的设计任务和设计要求，应采用不同的设计方法。（4）图解法直观，易理解，常用于解决给定位置的设计任务。解析法精确，借助解析法程序、优化设计程序，大提高解析法的设计能力，已能完成复杂要求的的设计任务。4．凸轮机构（4学时）主要教学内容：（1)凸轮机构的应用和类型；（2)从动件的常见运动规律；（3)凸轮机构的压力角；（4)图解法设计凸轮机构过程；教学要点：(1）重点介绍凸轮机构的组成、分类及特点。凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。掌握凸轮机构的优点、缺点。（2）介绍从动件常用的运动规律。凸轮的轮廓是由从动件运动规律决定的。只有某种运动规律的加速度曲线是连续变化的，这种运动规律才能避免冲击。等速运动规律在某些点的加速度在理论上为无穷大，所以有刚性冲击；而等加速等减速运动规律在某些点的加速度会出现有限值的突然变化，所以有柔性冲击。（3）介绍图解法绘制凸轮轮廓的基本方法。图解法绘制凸轮轮廓是按照相对运动原理来绘制凸轮的轮廓曲线的，也就是“反转法”。掌握用“反转法”绘制凸轮轮廓的三个主要步骤。（4）设计凸轮机构应注意的问题。在选择滚子半径，必须保证滚子半径小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径；在确保运动不失真的情况下，可以适当增大滚子半径，以减小凸轮与滚子之间的接触应力。为了确保凸轮机构的运动性能，应对凸轮轮廓各处的压力角进行校核，检查其最大压力角是否超过许用值。如果最大压力角超过了许用值，一般可以通过增加基圆半径或重新选择从动件运动规律，以获得新的凸轮轮廓曲线，来保证凸轮轮廓上的最大压力角不超过压力角的许用值。5．齿轮机构（6学时）主要教学内容：（1)齿轮机构的应用、特点和类型（2)齿廓啮合基本定律（3)渐开线齿廓（4)齿轮各部分的名称及渐开线标准齿轮的基本尺寸（5)渐开线标准齿轮的啮合（6)渐开线齿轮的切齿原理（7)根切现象、最少齿数及变位齿轮（8)平行轴斜齿轮机构（9)圆锥齿轮机构（10)补充内容：变位齿轮传动类型教学要点：（1）齿轮传动的最基本要求之一是其瞬时角速度比必须保持恒定。通过分析一对齿轮的传动关系导出了齿廓啮合基本定律，同时引出了共轭齿廓、节点和节圆等基本概念；（2）渐开线的形成决定了渐开线的性质，由于渐开线齿廓具有众多的优点，所以渐开线齿轮是目前使用最广的齿轮；（3）渐开线齿轮的各部分的名称、符号和计算公式等由标准规定，不宜随意改动；（4）标准齿轮采用标准压力角、标准模数、标准齿顶高系数和径向间隙系数；（5）渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合条件是模数相等、压力角相等，外啮合斜齿轮还应满足螺旋角大小相等，方向相反。（6）重合度的大小，反映出同时啮合的齿对数的多少，斜齿轮有较大的重合度；（7）当用范成法加工齿轮时，若被加工的齿轮齿数较少时会出现根切，由此引出了最少齿数的概念；（8）变位齿轮的许多的优点，在实现齿轮机构中广为使用，应进一步增加部分内容；（9）斜齿轮的法面参数为标准的，端面参数与法面参数存在一定的关系。斜齿轮的端面仍为渐开线齿轮，所以渐开线直齿中的计算公式可以直接用于斜齿轮的端面齿轮；（10）本章是本课程的重点和难点内容之一，应安排齿轮机构范成实验和齿轮参数测绘实验，以强化对本章内容的理解。6．轮系（4学时）主要教学内容：（1)轮系的类型和应用（2)定轴轮系及其传动比（3)周转轮系及其传动比（4)混合轮系简介（5)轮系的应用教学要点：（1）介绍轮系的分类和应用，通过学习要掌握定轴轮系、周转轮系以及混合轮系的传动比的计算方法和转向的确定方法，并对新型行星齿轮传动及特点有所了解。（2）本章学习的重点是轮系的传动比计算和转向的判定。在运用反转法计算周转轮系的传动比时，应十分注意转化轮系传动比计算式中的转向正负号的确定，并区分行星轮系和差动轮系的传动比计算的特点。（3）混合轮系传动比计算的要点是如何正确划分出各个基本轮系，划分的关键是先找出轮系中的周转轮系部分。（4）轮系的组成情况和运动传递情况十分丰富。7．间歇运动机构（2学时）主要教学内容：（1）棘轮机构的应用和特点（2）槽轮机构的应用和特点（3）不完全齿轮机构的应用和特点（4）凸轮间歇运动机构的应用和特点教学要点：（1）连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系，以及棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮间歇运动机构等，是构成机械运动的常见基本机构。通过学习应掌握各种机构的特点，各个机构能实现何种运动规律；通过机构间的比较，掌握各机构间的相同点和不同点。同一个运动规律，可以由多种不同的机构来实现。设计时，根据设计要求的运动规律，首先应选定某种运动机构，再进行机构的参数设计。也可以选定多个机构进行设计，再比较各自的性能指标，最终确定选用的哪个机构。（2）除已学的机构外，还有大量的不常用的机构和特殊用途的机构，平时应注意观察，了解并掌握这些机构的特点，充实自身的机构知识。另外，与平面机构相对应的空间机构（如空间槽轮机构等），种类也十分丰富，也应了解、掌握。（3）当单一基本机构不能满足设计要求时，可考虑采用组合机构。一般来说，组合机构能完成复杂的运动规律，同一个运动规律，能实现的组合机构更多，选择、设计难度更大。另外，机构越复杂、构成机构的构件越多，机构的可靠性就越低，制造成本就越高。所以，应综合评价一个组合机构的优劣。（4）在机械的创新设计设计中，机构的创新设计占据十分重要的地位。掌握基本机构的特点和机构组合的基本方法，是机械创新设计的前提和基础。8．机械运转速度波动的调速（2学时）主要教学内容：（1)机械运转速度波动调节的目的和方法（2)飞轮设计的近似方法（3)飞轮主要尺寸的确定（4)补充内容：（5)机械系统的等效动力学模型（6)机械速度波动的调节教学要点：（1）机械的速度波动是绝对的，普遍存在的，而速度恒定是相对的。不同的机械对速度稳定性的要求也是不同的。当机器对速度有控制要求时，应增加调速功能。调速的方法不外乎是通过改变驱动力所作的功或改变阻力所作的功来实现。（2）机械的效率主要取决于组成机械的机构效率，不同机构的效率有其一定的范围。在设计传递动力的机械时，应选用机械效率较高的机构；对于传递运动的装置，可采用效率相对较低的机构。对于同一种机构，不同的材料、不同的制造精度、不同的工作环境，其机械效率也不同。从提高机械效率的角度来说，应尽可能地提高机构的效率和减少组成机械的机构数。9．回转件的平衡（2学时）主要教学内容：（1）回转件平衡的目的（2）回转件的平衡计算（3）回转件的平衡试验教学要点：机械的惯性载荷将严重影响机械工作的平稳性、影响机械的运动质量、降低机械零件的工作寿命，同时还将引起机械本身及周围环境的冲击和振动，甚至造成非常危险的后果。惯性载荷与速度有关，对于高速运转的机械来说，应十分重视惯性载荷问题。另外，造成构件的质心偏离回转中心的原因很多，如：几何形状、制造精度、安装误差、材质不均等。当测出不平衡量（质径积）和方位后，一般采用增减质量法进行平衡。但也有的机器其工作原理就是利用惯性载荷的。10．机械零部件设计概述（2学时）主要教学内容：（1）机械零部件的主要工作性能：强度、刚度、耐磨度、可靠性等（2）强度计算准则（3）机械零部件常用材料及其选择。（4）公差与配合、表面粗糙度和优先数系（5）零件的表面粗糙度教学要点：（1）机械零件设计的主要任务是合理确定零件的形状和尺寸，选择适当的零件材料。设计时，应根据实际情况确定零件的设计准则，此外，还要处理好：材料及热处理问题、公差与配合问题、表面粗糙度问题、工艺性问题和标准化问题等；（2）机械零件的主要失效形式有7种，设计时，应分析出某种零件在某种环境下的主要失效形式，据此确定零件的设计准则；（3）机械零件强度问题是零件设计中的主要问题和重要问题。其中，变应力下的