机械设计基础教案.docx

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机械设计基础教案

绪论

学时分配：

2学时

教学设计目标与要求：

1.了解机械的组成及机器、机构、构件和零件；

2.了解本课程的性质、任务、内容和学习方法；

3.掌握机械设计的基本要求和设计步骤。

教学重点与难点：

1.掌握机械的基本组成；

2.掌握机器、机械、机构、零件等概念；

3.机器与机构的区别；

4.一般机械设计的设计步骤。

教学策略：

课堂讲授和讨论

教学内容：

第一课时

1机器的组成及特征

1.1概念：

机械是人们用以代替或减轻体力（脑力）劳动、改善劳动条件、提高劳动生产效率的工具。

在日常生活和工作中,常把具体的机械叫做机器。

如汽车、飞机、摩托车、起重机、挖掘机、电风扇、缝纫机、洗衣机等。

1.2举例

例1：

图0-1单缸内燃机由：

缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、齿轮5和6、凸轮轴7、进气门顶杆8、排气门顶杆9、进气门10、排气门11等组成。

工作分析：

当燃气在气缸内推动活塞作往复移动时,通过连杆使曲轴作连续转动,经进气—压缩—爆燃—排气的循环过程,将燃气热能不断地转换为机械能。

1.3讨论：

以书本0－2图作为研究对象，以学生为主体展开讨论，分析破碎机的组成和运动特点。

1.4机器特性总结

内燃机是执行机械运动的装置,用来变换或传递能量,以代替人的劳动。

尽管它们的形态、性能、结构各异,但都具有以下共同特征:

1）是一种人为实体的组合；

2）各实体之间具有确定的相对运动；

3）能进行能量、物料或信息的变换与传递,并完成有用的机械功或实现能量转换。

2构件与零件、部件

2.1三者比较

构件就是机构中的运动单元。

从运动角度看,构件是一个具有独立运动的单元体,机构由具有确定的相对运动的构件组成。

构件可以是一个独立的零件,也可以是由几个零件刚性地连接组成的。

从制造的角度看,机器是由若干零件组成的,零件是最小的制造单元。

较复杂的机器是先由零件组装成部件,再由零件和部件组装成机器。

2.2举例

例2：

图0－2内燃机连杆就是由单独加工的连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4、螺栓5和螺母6等零件组成的。

2.3讨论：

以自行车为例，展开讨论分析自行车传动系统包括哪几个机构，分别由哪些构件和零部件组成。

3课程的性质与地位

4课程的内容和目标

5课程学习特点和方法

第二课时

1机械设计的基本要求

1.1设计机械零件的基本要求

1）零件工作可靠:

零件在一定工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，称为承载能力。

2）成本低廉:

合理选择材料,降低材料费用；保证良好的工艺性,减少制造费用；尽量采用标准化、通用化设计、简化设计过程从而降低成本。

1.2设计机械的基本要求

1）实现预定功能

2）满足可靠性要求

　　3）满足经济性要求

　　4）操作方便、工作安全

　　5）推行标准化要求

　　6）造型美观、减少污染

2机械设计的内容与步骤

2.1机械设计的内容:

理论设计、经验设计和模型设计

2.2举例引入机械设计的步骤：

自行车传动部分的选择和设计（备选方案：

齿轮传动，带传动和链传动），以学生的自由发言为主体展开。

2.3机械设计的步骤

1）产品规划:

机械设计的任务是根据生产和市场需求提出的。

此时,对所要设计的机械只是个模糊的概念。

2）方案设计:

包括机械系统总体方案设计、传动系统方案设计、控制系统方案设计和其他辅助系统设计。

3）技术设计阶段:

机械的结构和技术设计是根据机构运动简图提出合理的结构设计方案,进行产品的总体结构设计，部件和零件设计及绘制全部生产图纸,编制设计计算说明书、机械使用说明书、标准件明细表等技术文件。

4）施工、设计、文件编制:

在完成产品基本设计的基础上,根据设计任务书,拟定评价标准和指标体系,对设计方案进行评估、审查、决策,以进一步改进和完善设计,提高产品的实用性、可靠性和经济性。

3机械零件设计的标准化、系列化及通用化

按规定标准生产的零件称为标准件。

标准化给机械制造带来的好处是：

通用化是指在不同规格的同类产品或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零部件，以减少零部件的种类，简化生产管理过程，降低成本和缩短生产周期。

4目录介绍：

再次介绍学习方法，并分析授课重难点，同时用10分钟左右时间激发学生的学习热情。

课程总结：

通过这几个知识点的介绍，使学生对机械原理与零件这门课程有了总体的认识，理解了我们的学习任务和重难点。

课后作业：

试述构件和零件的区别与联系。

请联系实际说说你对机械设计步骤的理解。

第一章平面机构运动简图及其自由度的计算

学时分配：

6学时

教学设计目标与要求：

1.理解自由度的含义。

2.熟悉运动副及其分类，明确运动链和机构的区别。

3.掌握平面机构运动简图的绘制方法。

4.掌握平面机构自由度的计算方法，明确平面机构具有确定运动的条件。

5.知道平面机构自由度计算的应用，使学生获得解决简单问题的能力。

教学重点与难点：

1.机构及运动副的概念、绘制机构运动简图。

2.自由度计算，虚约束。

教学策略：

课堂讲授和实验室模型讲解

教学内容：

第一课时

1复述旧课，导入新课

回忆机构和构件的概念和区别，引入介绍的主题：

平面机构。

2自由度和约束

2.1概念：

自由度是指运动的可能性个数；约束是指运动受到的限制。

一个做平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。

在xOy坐标系中,构件M可随其上任一点沿x轴、y轴方向移动，也可在xOy平面（绕垂直于xOy平面的轴线z）转动,这三个独立的运动称为该构件的自由度。

平面机构的每个活动构件在未构成运动副之前都是三个自由度。

当两个构件直接接触组成运动副之后,它们的相对运动就受到限制,自由度随之减少。

运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束。

不同类型的运动副引入的约束数不同。

每引入一个约束,构件就减少一个自由度。

2.2空间自由度和平面自由度的区别和理解

2.3举例：

车床工件在被装夹前后的自由度分析，加深学生的理解。

3运动副

3.1概念：

使两个构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。

3.2举例：

例1,轴承中的滚动体与内外圈的滚道、滑块与导槽,如图（a）（b）所示。

它们之间既保持了直接接触,又能产生一定的相对运动,因此都构成了运动副。

3.3低副

两构件通过面接触组成的运动副称为低副。

根据低副构件间相对运动的形式不同,又分为转动副和移动副。

特点：

引进二个约束保留一个自由度。

1）转动副:

若组成运动副的两构件只能在一个平面内做相对转动,则称为转动副,也称铰链。

如图所示,构件1与构件2圆柱面接触,构件1可相对构件2转动,两者组成转动副。

两构件中如有一个构件固定不动,则称为固定铰链,如图（a）所示；二者均能转动，则称为活动铰链,如图（b）所示。

2）移动副:

若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移动,则称为移动副。

如图所示,构件1和构件2以棱柱面接触,构件1可相对构件2沿轴线移动,两者组成移动副。

3.4高副

两构件通过点、线接触所构成的运动副称为高副。

引进一个约束，保留二个自由度。

如图（a）中的车轮1与钢轨2，图（b）中的凸轮1与顶杆2，图（c）中的齿轮1与齿轮2皆为点或线接触,两构件间的相对运动为接触处切线t-t方向的相对移动和在平面内的相对转动。

3.5讨论：

以学生发言为主，讨论大家日常见到的运动副并分析所属类别及约束个数。

第二课时

1机构的组成

在运动链中，若将某一构件加以固定,且当一个或几个可动构件按照给定的规律独立运动时,其余构件也随之做一定的运动,这种运动链称为机构。

机构中固定不动的构件称为机架,它用来支承机构中的可动构件；按照给定的运动规律独立运动的构件称为原动件或主动件,它是机构中输入运动或动力的构件,又称为输入构件。

2平面机构运动简图

2.1平面机构的表示方法

1）运动副的表示方法

转动副：

两构件组成转动副表示方法如图所示。

移动副：

两构件组成移动副的表示方法如图所示。

移动副的导路必须与相对移动方向一致。

平面高副：

两构件组成高副的表示方法如图所示。

其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓。

2）构件的表示方法

构件的表示方法如图所示。

构件可用直线、三角形或方块等图形表示。

图（a）表示参与组成两个转动副的构件；图（b）表示参与组成一个转动副和一个移动副的构件；图（c）表示参与组成三个转动副的构件,它一般用三角形表示,在三角形内加剖面线或在三个内角上涂上焊缝标记,表明三角形为一个构件；若三个转动副在同一直线上,则可用跨越半圆符号来连接直线,如图（d）所示。

2.2平面机构运动简图的绘制

1）机构运动简图的绘制步骤

分析机械的工作情况:

找出机架,确定原动件和从动件（包括执行件和传动件）；

分析机械运动情况：

从原动件开始,沿着运动传递路线逐一分析各构件间相对运动的性质,确定构件的数目、运动副的类型和数目；

合理选择视图平面：

选择多数构件所在的运动平面或平行于运动平面的平面作为视图平面；

绘制机构运动简图：

测量构件尺寸,选择合适的比例尺,定出各运动副的相对位置,用规定的简单符号绘制机构运动简图。

在机架上加上阴影线,在原动件上标上箭头,按传动路线给各构件依次标上构件号1,2,3,…,给各运动副标上A,B,C,…

2）平面机构运动简图的绘制举例：

例绘制图0－1所示内燃机的机构运动简图

解：

（1）分析、确定构件类型

内燃机内包括三个机构,其运动平面平行,故可视为一个平面机构。

活塞2为原动件,缸体1为机架,连杆3、曲轴4、齿轮5、齿轮6、凸轮轴7、进气门顶杆8、排气门顶杆9均为从动件（其中顶杆8、9为执行件,连杆3、曲轴4、齿轮5、齿轮6、凸轮轴7为传动件）。

（2）确定运动副类型

曲柄滑块机构中活塞2与缸体1组成移动副,活塞2与连杆3、连杆3与曲轴4、曲轴4与缸体1分别组成转动副。

齿轮机构中齿轮5与缸体1、齿轮6与缸体1分别组成转动副,齿轮5与齿轮6组成高副。

凸轮机构中凸轮轴7与缸体1组成转动副,顶杆8与缸体1组成移动副,凸轮轴7与顶杆8组成高副。

（3）定视图方向：

连杆运动平面为视图方向。

（4）选择比例尺,绘制简图

先画出滑块导路中心线及曲轴中心位置,然后根据构件尺寸和运动副之间的尺寸,按选定的比例尺和规定符号绘出，如图所示。

2.3课堂练习：

要求学生对书本0－2破碎机的运动简图进行绘制并进行讲解。

要求学生对实体模型运动简图进行绘制并进行讲解。

第三课时

1复述旧课，导入新课：

复述自由度，引入机构自由度问题。

2构件系统自由度的计算

2.1平面机构自由度计算公式

机构的自由度就是机构具有独立运动参数的数目。

自由度取决于运动链中构件的数目及运动副的类型和数目。

设一个平面运动链由k个构件组成,其中一个构件为机架,则有n=k-1个活动构件。

未构成运动副之前,这些活动构件应有3n个自由度。

假设构成PL个低副和PH个高副,而一个低副引入两个约束,一个高副引入一个约束,每引入一个约束构件就失去一个自由度,故整个运动链相对机架的自由度应为活动件自由度的总数与运动副引入约束总数之差。

以F表示机构的自由度数,则有

F=3n-2PL-PH

2.2举例：

例2计算内燃机构件系统的自由度。

解：

图中,曲轴4和齿轮5、齿轮6和凸轮轴7皆固连在一起,故可视为一个构件。

因此

n=5

PL=6（其中有两个移动副,四个转动副）

PH=2

则该构件系统的自由度

F=3n-2PL-PH=3×5-2×6-2=1

2.3课堂练习：

计算0－2破碎机的自由度。

3构件系统形成机构的条件

3.1形成条件

前已述及机构中各构件之间必有确定的相对运动。

由自由度的计算可知,构件的组合能否成为机构，其必要条件为F＞0。

而构件系统成为机构的充分条件是必须具有确定的相对运动。

满足什么条件才具有确定的相对运动呢？

由前述可知,从动件是不能独立运动的,只有原动件才能独立运动。

通常每个原动件只有一个独立运动。

因此,要使各构件之间具有确定的相对运动，必须使原动件数等于构件系统的自由度数。

现从下面两种情况分析:

当运动链自由度大于0时,如果原动件数少于自由度数,那么运动链就会出现运动不确定现象,不能成为机构。

如果原动件数大于自由度数,则运动链中最薄弱的构件或运动副可能被破坏,也不能成为机构。

所以,只有当原动件数等于运动链的自由度数时,构件之间才能获得确定的相对运动。

综上所述,构件系统成为机构的条件是:

运动链相对于机架的自由度必须大于零,且原动件数等于运动链的自由度数。

满足上述条件的运动链即为机构。

3.2举例

例3试机算图示航空照相机快门机构的自由度（左图）

例4试计算图示牛头刨床工作机构的自由度（右图）

第四课时

计算平面机构自由度时的注意事项

1复合铰链

1.1使用方法

两个以上构件在同一处以转动副相连接构成的运动副称为复合铰链。

如图所示是三个构件汇交成的复合铰链,图中构件1分别与构件2、构件3构成两个转动副。

依此类推，k个构件在一处以转动副相连,应具有k-1个转动副。

因此在统计转动副数目时应注意识别复合铰链,避免遗漏。

1.2举例：

例5计算图所示钢板剪切机的自由度。

解：

由图可知,n=5,PL=7,PH=0（B处为复合铰链,含两个转动副；自行分析C处是否为复合铰链,为什么），则F＝3n－2PL－PH＝3×5－2×7－0＝1

2局部自由度

机构中出现的与输出、输入运动无关的自由度称为局部自由度。

如图示的凸轮机构中,为了减少高副接触处的磨损,在从动件上安装一个滚子,使其与凸轮轮廓线滚动接触。

显然,滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动,该转动的自由度即局部自由度。

计算时先把滚子看成与从动件连成一体,消除转动副后再计算其自由度,如图（b）所示。

此时机构中：

n=2,PL＝2,PH＝1

则F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－1＝1

3虚约束

在实际机构中,有些运动副所起的约束作用是重复的,这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。

在计算机构自由度时，虚约束应除去不计。

平面机构中的虚约束,常出现在以下情况中:

3.1轨迹重合：

连接构件上的轨迹和机构上连接点的轨迹重合时,引入虚约束。

如图（a）所示的平行四边形机构中,连接构件5上E点的轨迹与机构连杆BC上的轨迹重合,构件5引入了虚约束。

计算机构自由度时,应按图（b）处理,将构件5及两个转动副E、F去掉。

3.2导路平行或重合的移动副：

两构件构成多个导路相互平行的移动副时,会出现虚约束。

如图（a）所示的曲柄滑块机构中,移动副D和D′只有一个起约束作用,另一个则为虚约束。

计算时按图（b）处理。

3.3轴线重合的转动副：

两构件构成多个轴线相互重合的转动副,会出现虚约束。

如图所示的齿轮机构中，转动副A和A′、B和B′只有一个起约束作用,另一个为虚约束。

3.4传动对称：

机构中传递运动而不起独立作用的对称部分形成虚约束，如图所示的差动轮系。

4举例：

例6求图示（右上图）机构的自由度。

例7求下图大筛机构的自由度，并判断此构件系统是否具有确定的相对运动。

解6：

2、3、4是复合铰链：

F=3*7-2*10=1

解7：

图中C处为复合铰链；E和E′为两构件组成的导路平行的移动副,其中之一为虚约束；F处滚子为局部自由度。

可将滚子与构件3看成是联结一起的整体,即消除局部自由度且去掉移动副E′,则得机构的可动构件数n=7,低副数PL＝9,高副数PH=1。

有

F＝3n－2PL－PH＝3×7－2×9－1＝2

此机构自由度数等于2,与原动件数相等，故此构件系统具有确定的相对运动。

5课堂练习：

计算图示平面机构的自由度；机构中的原动件用圆弧箭头表示。

第五课时

1复述旧课，导入新课：

复述平面机构自由度的计算和平面机构具有自由度的条件，引入机构自由度的应用问题。

2平面机构自由度计算的应用

2.1判定绘制的机械运动简图是否正确

通过计算绘制的机构的自由度和实际机构的原动件数目是否相等，来判断其运动的确定性与测绘的机构运动简图的正确性。

举例：

观看实体模型绘制简图并计算自由度，分析是否和原动件个数一致。

2.2判定机构运动设计方案是否合理

1）计算自由度，判定能否运动

2）如果能够运动（F>0），则根据计算所得的自由度来检验原动件的选择是否正确,原动件的数目是否正确，从而判定是否具有确定的运动。

2.3改进不合理的设计方案，使之具有确定的运动

1）如果设计方案的自由度为0，但是要求具有一个自由度时，可以在适当位置增加一个构件，同时引入一个平面低副的方法来解决。

2）如果设计方案中运动不确定，则采用增加约束或者原动件的方法解决。

2.4举例

例8：

一简易冲床的初拟设计方案如图。

设计者的思路是：

动力由齿轮1输入，使轴A连续回转；而固装在轴A上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。

试绘出其机构运动简图，分析其运动是否确定，并提出修改措施。

第六课时

课堂例题讲解（采用学生先解答然后讲解的模式）

1画出图示平面机构的运动简图，并计算其自由度。

2计算图示平面机构的自由度；机构中的原动件用圆弧箭头表示。

课程总结：

本章学习主要介绍了平面机构运动简图的绘制方法和自由度计算。

其中涉及到自由度，约束，运动副等名词的理解和使用。

通过学习本章使学生掌握了实际简单平面机构的简图绘制，并通过其自由度的计算可以判断其绘图的正确性及设计的合理性，并适当作出改进使其具有确定的运动形式。

课后作业：

书本19页1－4（b）,1－5（a），1-6（c，d，g，i，j）

第二章平面连杆机构

学时分配：

6学时

教学设计目标与要求：

1.了解平面连杆机构的特点和应用。

2.理解铰链四杆机构的基本类型及其演化。

3.明确四杆机构的曲柄存在条件。

4.熟悉铰链四杆机构压力角、传动角、行程速度变化系数和死点位置等基本概念及其用途。

5.掌握平面四杆机构设计的图解法（按给定的连杆长度和连杆的两个位置设计四杆机构、按给定的行程速度变化系数设计四杆机构）。

教学重点与难点：

1.四杆机构的曲柄存在条件。

2.压力角、传动角、行程速度变化系数和死点位置。

3.平面四杆机构设计的图解法。

教学策略：

课堂讲授加实体模型观看

教学内容：

第一课时

1复述旧课，导入新课

复述平面机构的共同点，引入平面连杆机构。

2平面连杆机构概述

2.1基本概念

平面连杆机构是由若干个构件通过低副连接而成的机构，又称平面低副机构。

由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构称为平面四杆机构。

它是平面连杆机构中最常见的形式，也是组成多杆机构的基础。

所有低副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构,它是平面四杆机构中最基本的形式，其他形式的四杆机构都是在它的基础上演化而成的。

连杆机构中的构件称为杆。

2.2平面连杆机构的优缺点

1）平面连杆机构的主要优点

（1）平面连杆机构中的运动副都是低副,构件接触面为平面或圆柱面,因而压强小,便于润滑,磨损较轻,可以承受较大的载荷；

（2）构件形状简单,加工方便,构件工作可靠。

（3）各构件长度不同时，可满足多种运动规律的要求。

（4）利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求，适应性强。

2）平面连杆机构的主要缺点

（1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，且精度不高。

（2）连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡,不适宜高速的场合。

由于连杆机构具有以上特点,因此它广泛用于各种机械、仪表中。

3平面连杆机构的类型

3.1概述

平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构，图所示为铰链四杆机构,其中AD杆为机架,与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆,与机架相对的BC杆称为连杆。

其中能作整周回转运动的连架杆称为曲柄；只能在小于360°的范围内摆动的连架杆称为摇杆。

3.2基本类型：

根据铰链四杆机构有无曲柄，可将其分成三种基本形式。

1）曲柄摇杆机构：

两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的四杆机构，成为曲柄摇杆机构。

曲柄摇杆机构的主要用途是改变运动形式，可将回转运动转变为摇杆的摆动，如图（a）所示的雷达天线调整机构；也可将摆动转变为回转运动或实现所需的运动轨迹，如图（b）所示的脚踏砂轮机。

2）双曲柄机构：

两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构。

图所示的惯性筛就是利用双曲柄机构的例子。

当曲柄1等速回转时,另一曲柄3变速回转,通过杆5带动滑块6上的筛子,使其具有所需的加速度,利用加速度产生的惯性力使物料颗粒在筛上往复运动,达到分筛的目的。

细节：

在双曲柄机构中,若相对的两杆长度分别相等,则称为平行双曲柄机构。

当两曲柄转向相同时,它们的角速度时时相等,连杆也始终与机架平行,四根杆形成一平行四边形,故又称平行四边形机构。

如图所示。

图示机车车轮联动机构就是平行四边形机构的应用实例。

3）双摇杆机构：

两连架杆均为摇杆的四杆机构

称为双摇杆机构。

如图所示。

图示（右上）机构，当CD杆摆动时，连杆CB上悬挂重物的点M在近似水平直线上移动。

3.3课堂讨论：

列举你日常生活中见到的各种铰链四杆机构，并说说所属类型。

第二课时

平面四杆机构的演化型式

在平面连杆机构中,除了上述三种形式的铰链四杆机构之外,在实际机器中还广泛采用其他形式的四杆机构。

这些四杆机构可认为是通过改变某些构件的形状、改变构件的相对长度、改变某些运动副的尺寸、或者选择不同的构件作为机架等方法，由四杆机构的基本型式演化而成的。

1改变构件的形状和相对尺寸演化而成的四杆机构：

曲柄滑块机构

例：

曲柄摇杆机构的演化

应用：

曲柄滑块机构用途很广，主要用于将回转运动转变为往复运动的场合。

如自动送料机构（见图a）、冲压机构（见图b）等都是曲柄滑块机构的应用。

2通过改变运动副的尺寸而演化而成的四杆机构：

偏心轮机构

当图（a）所示的曲柄滑块机构中转动副B的半径扩大到超过曲柄的长度时,则曲柄演化为一个几何中心与转动中心不重合（偏心距用e表示）的圆盘（b）,该圆盘称为偏心轮。

偏心轮两中心间的距离等于曲柄的长度。

此机构称为偏心轮机构。

应用：

偏心轮机构在各种机床和夹具中广泛应用。

3通过选用不同构件为机架而演化成的四杆机构

a、曲柄摇杆机构b、双曲柄机构c、曲柄摇杆机构d、双摇杆机构

第三课时

1复述旧课，导入新课

复述平面连杆机构的特点和应用场合，并对其典型机构－铰链四杆机构的类型进行回顾，引出如何判定铰链四杆机构类型的问题：

即有无曲柄的问题。

2铰链四杆机构有曲柄的条件

如图所示，设以a、b、c、d分别代表铰链四杆机构中各杆的长度，并设以构件AD为机架，AB为原动件，且a﹤d。

abc

若杆1为曲柄,能绕A点做整周回转,它必须存在图（a）、（b）、（c）所示