机械设计基础陈立德版教案课程.docx
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机械设计基础陈立德版教案课程
绪论
本章学习后，要使学生能解决三大问题，学什么，为啥学，怎样学三大问题。
01机器的组成
人们广泛使用过，接触过机器，放一课件（单缸内燃机、颚式破碎机），图01，02所示，但定义如何，为什么称它为机器，学生们是不大清楚的。
它要有三个特征，才能称上机器。
1）是一种人为的实物组合。
2）各部分形成运动单元，各单元之间具有确定的相对运动关系。
3）能实现能量转换或完成有用的机械功。
什么叫能量转换，指的是机械能转换成电能，或反之。
这样具备三个条件者就称为机器，这样学生就可说出车床是机器吗？
电动机是否也是机器，电动机根据三个条件可得出一定为机器。
随着科学技术的发展，创造出各种新型机器，故对机器的定义也有了更广泛的定义，什么叫机器，是一种用来转换或传递能量、物料和信息的，能执行机械运动的装置，那么一台机器由什么组成，从装配角度来看：
由零件→构件→机构→机器，因此设计制造一台机器必有零件开始，组装成构件，再由构件组装成机构，加上原动件装置就成为一台机器了。
接下来说说什么叫机构、构件、零件。
什么叫机构：
具备前二个条件的称为机构，即为多个实物的组合，又能实现预期的机械运动，例齿轮机构、连杆机构等，放课件（连杆机构、齿轮机构）。
什么叫构件，构件为组成机械的各个相对运动的实物。
例连杆，放课件（构件）从中可看连杆为多个零件装配而成的。
什么叫零件，零件是机械中不可拆的制造单元，因此构件可以是一个零件组成也可以由多个零件组成的。
因此可以看出从运动观点来看，机构和机器是无什么差别的，例如缝纫机本身为机构，由多种机构所组合起来的，再加上能量转换就成为机器了，如加上电动机或加上人力都可以成为机器了，在习惯上把机器与机构总称为机械。
因此机器，机械这二个名称都可统起作用的。
零件又可分为二大类：
1）通用零件：
各种机器中都经常使用，并完成同一功用的零件，例螺钉等。
2）专用零件：
只适用于一定类型机器使用的零件，例曲轴等。
02本课程的内容、性质和任务
本课程研究对象是什么？
有二条：
1）机械中常用机构。
2）在一般工作条件下，常用参数的通用零件。
这里要说明一下：
什么叫一般工作条件？
什么叫常用参数？
具体地说内容是什么？
工作原理→设计计算，设计计算又包括结构设计与设计计算。
本课程的内容为
常用机构：
在教材中介绍了几种常用机构，例如传动机构（带，齿轮…机构）。
通用零件：
连接零件（螺栓、键等）；
传动零件（齿轮、链、蜗轮、蜗杆等）；
轴系零件（轴、轴承）；
其它零件（联轴器、弹簧等）。
现在谈一下通用零件的系统性是什么？
常用机构也是相似的。
1）研究对象，工作原理。
2）分析工作情况，包括运动，力，失效形式等。
3）设计计算，包括设计计算（强度计算，校核计算）和结构设计。
所有通用零件均按此系统来组织教材内容，讲授时均按此系统进行。
本课程的主要任务有三条，教材中有，略加说明一下，总的说来，使学生学习后具有一定设计理论基础和一定设计计算能力。
这门课程的性质是一门为机械设计打基础的课程，是一门主干课程，所以对学习机械的学生来讲是一门十分重要的课程，在工程师培养中起到十分重要作用，是一门技术基础课，只要有好的基础，再加上专业知识，就有条件去进行有关机械专业的设计。
03学习方法
本课程是应用了以前所学到的理论与实际生产知识，并把它们运用到工程实际中，去解决生产实际问题，是一门理论与实践相结合的课程，同学们开始接触此课程时，总有些不习惯，总认为它的理论性不强，系统性差，零零碎碎，不像以前的基础课逻辑推理严格。
同学不适应，不习惯，这一点同学一定要赶快适应，如以前课程没学好，自己一定要补上，否则会影响到目前的学习。
我们说它的系统性是有的，也是很强的，学习它们是有一个总的目的，是如何来满足整台机器的要求设计好机构、各种通用零件。
这样目的是很强，一般基础课就无法做到的。
一定要改变以前的学习方法，用新学习方法来适应本课程的学习，注意理论联系实际，注意分析比较，注意理论的应用，这样才能学好。
第1章机械设计概述
一、教学要求
本章概括地论述了两大部分：
第一部分为关于机械总体设计的概述，第二部分为关于机械零件的设计概述。
具体的教学要求如下：
1）初步理解机械设计和设计机械零件应满足的基本要求。
2）了解机械设计和零件设计的步骤。
3）理解机械零件工作能力的判定方法和设计准则。
4）了解机械设计的标准化、系列化及通用化。
二、重点、难点
重点：
机械设计基本要求及机械零件的失效形式及设计计算准则。
教学内容
学时数
1.机械设计的基本要求
2.机械设计的内容与步骤
3.机械零件的失效形式及设计计算准则
4.机械零件设计的标准化、系列化及通用化
2
难点：
从整体上建立起机械设计，尤其是机械零件设计的整体概念。
三、教学安排
四、教学思路设计
机械设计概述主要是论述设计基本知识和一些共性问题。
本章扼要地阐述机械设计的基本知识，如机械设计的基本要求、内容与过程等。
第1章第1讲
知识点
教学手段
1.1）设计机械零件的基本要求
2）机械设计的基本要求
2.机械设计的内容与步骤
3.1）失效形式
2）设计计算准则
4.标准化、系列化及通用化
课堂讲授
一、讲授时注意几点
1.1.1、1.2机械设计的基本要求及内容与过程
这两节内容属于机械（零件）设计中的全局性问题。
这里，只能勾画一下概貌，起到开阔视野的作用。
2.1.3机械零件的失效形式及设计计算准则
这节内容与先修的力学课程有着密切的联系，是在力学基础之上，结合工程实际所形成的，故比较容易理解。
如学生力学基础差的话，必须学前补一下。
3.1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化
要了解标准化、系列化及通用化的重要意义，应提高到是否遵守法律的高度来认识，这点学生是不易理解的。
二、讲授程序设计
首先了解设计机械零件的基本要求，然后才能得出机械设计的基本要求、内容与步骤，对于具体的机械零件的设计方法总是根据失效形式得出设计计算准则，应用力学知识，就可设计出零件的大小等。
讲授教案编写如下所述。
第1章机械设计概述
1.1机械设计的基本要求
一台机器进行设计包括以下两种设计：
1）应用新技术，新方法开发创造新机器。
2）在原有机器基础以上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机器的性能。
设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。
机械零件是组成机器的基本单元，在讨论机械设计的基本要求之前，我们首先应了解一下设计机械零件的基本要求。
1.1.1设计机械零件的基本要求
有二条：
可靠，成本低。
什么叫可靠，什么叫成本低，说明一下。
为此要注意以下三点：
1）合理选择材料，降低材料费用。
2）保证良好工艺性，减少制造费用。
3）尽量采用标准化，通用化设计零件，简化设计过程，从而降低成本。
1.1.2机械设计的基本要求
有五条：
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.造型美观，减少污染。
1.2机械设计的内容与步骤
机械设计是一项复杂、细致、创造性和科学性很强的工作，随着科学技术的发展，对设计的理解也在不断深化，设计方法也在不断发展，近年来发展起来的有：
“优化设计”，“有限元计算”，“计算机辅助设计”等等。
即使如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要方法，必须要很好掌握，常规设计方法有理论设计、经验设计和模型实验设计等三种。
机械设计的过程通常分为以下四个阶段：
1）产品规划阶段主要工作为提出设计任务和明确设计要求。
2）方案设计阶段在满足设计任务书中具体要求的前提下，由设计人员构思出各种可行方案进行分析比较，选出较优者。
3）技术设计阶段完成机械产品的总体设计、部件设计、零件设计、设计结果以工程图及设计书形式表达出来。
4）制造与试验阶段进行试运行，发现问题反馈给设计人员，经修改、完善，最后鉴定。
与设计机械一样，设计机械零件也需拟定出几种方案，分析比较、选优，那么设计零件的一般步骤如下几点。
教材共有五点，分析之。
对于不同的零件的工作条件，以上这五点可以有所不同，互相交错，反复进行，不能作机械分割。
最后提出一点，什么叫条件性计算，这一点是大家所不大了解的，生疏的，但这是工程实际所需作的。
1.3机械零件的失效形式及设计计算准则
失效形式在工程力学中已学过，结合到机械零件应该如何，它的理论基础还是一样的，进行机械零件设计必须要根据零件的失效形式分析失效原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。
1.3.1失效形式
1）断裂常见的有二种：
断裂，疲劳断裂，解释一下。
2）过量变形应力超过屈服极限，发生塑性变形。
3）表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。
4）破坏正常工作零件引起的失效，例带传动。
1.3.2设计计算准则
同一零件对于不同失效形式的承载能力是各不相同的。
这个承载能力就是零件的工作能力，它的计算方法就是设计计算准则。
下面对以上失效形式，谈一下设计计算准则。
1.强度准则
是零件必须满足的基本计算准则。
可分为整体强度，表面强度二种。
（1）整体强度的准则
σ≤[σ],τ≤[τ]
或可用安全系数来表示，s≥[s]
（2）表面强度的准则
接触强度σH≤[σH]；挤压强度σp≤[σp]
在进行强度计算时，一般有如下两种计算形式
1）设计计算可求出零件的主要几何尺寸。
2）校核计算判断一下是否符合强度条件；已有零件能否承受如此大的载荷，是否安全。
2.刚度准则
3.耐磨性准则
4.散热性准则
5.可靠性准则
1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化
作一般性介绍，说明其重要性。
第2章摩擦、磨损及润滑概述
一、教学要求
本章主要内容为对摩擦、磨损、润滑、密封的基本问题作简单扼要的介绍。
具体的教学要求如下：
1）了解摩擦、磨损、润滑、密封的基本概念和四者之间的联系。
2）了解干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦的特点与区别。
3）初步了解磨损的一般规律及各种磨损的机理、物理特征和影响因素。
4）了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标。
5）了解密封的作用及密封装置。
二、重点、难点
重点：
1）各类摩擦的机理、物理特征及其影响因素
2）各类磨损的机理、物理特征及其影响因素
3）润滑与密封
难点：
如何根据工作情况，合适地选择润滑剂和密封装置。
三、教学安排
教学内容
学时数
1.摩擦与磨损
2.润滑
3.密封方法及装置
2
四、教学思路设计
本章内容是按照摩擦—磨损—润滑—密封的顺序安排的。
过去这部分内容是分散在各章之中，现为了加强系统性和对其共性问题的认识，将这部分内容集中在这一章之中，而针对某个零件的某些具体内容则仍分散于各章之中，故本章内容也是机械设计中的共性问题。
第2章第1讲
知识点
教学手段
1.1）摩擦及其分类
2）磨损及其过程
3）磨损分类
2.1）润滑剂的性能与选择
2）润滑方法和润滑装置
3.1）密封装置的分类
2）常用密封装置
3）密封装置的选择
课件（摩擦副的表面润滑状态、零件磨损过程、润滑方式、常用密封装置）
一、讲授时注意几点：
1.2.1摩擦与磨损
本章着重讨论摩擦的机理及物理本质；对于磨损过程有所了解，目的在于如何采取措施使跑合期缩短，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损阶段。
2.2.2润滑
对润滑、润滑剂的种类有一个初步了解；对润滑油、润滑脂的主要物理性质指标有所了解。
重点在润滑油、对润滑脂作一般性了解。
3.2.3密封方法及装置
要重点地学习密封的作用与密封装置的分类、以及根据不同的工作条件选择合适的密封装置。
二、讲授程序设计
本章是按摩擦→磨损→润滑→密封的顺序来讲授，它也是机械设计中的共性问题。
讲授教案编写如下所述。
第2章摩擦、磨损及润滑概述
2.1摩擦与磨损
在人们生活中都存在摩擦与磨损，各种机械零件因磨损失效的占全部失效零件的一半以上。
2.1.1摩擦及其分类
在法向力作用下，一个物体相对于另一个物体，有相对运动或运动趋势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦，这一对摩擦物体称为摩擦副。
根据二物体接触时润滑状态的不同，可将摩擦状态分为四种情况：
放课件（摩擦副的表面润滑状态），一种一种解释一下。
1.干摩擦（图2.1a）
解释后，可得出库仑定律F=f·FN
2.流体摩擦（图2.1b）
3.边界摩擦（图2.1c）
4.混合摩擦（图2.1d）
2.1.2磨损及其过程
表面物质在摩擦过程中不断损失的现象称为磨损。
一般情况下磨损是有害的。
磨损过程，可分为三个阶段，放课件（零件磨损过程），图2.2所示，一个过程，一个过程解释一下。
1.跑合磨损阶段（oa阶段）
跑合磨损到一定程度后，表面上尖峰逐渐被磨平，磨损速度却逐渐减慢，这阶段对机械零件而言是十分必要的。
2.稳定磨损阶段（ab阶段）
磨损缓慢，磨损稳定下来，零件进入正常工作阶段。
3.剧烈磨损阶段（bc阶段）
此阶段的特征为磨损速度及磨损率都急剧增大，直至零件失效。
最后指出一点，在跑合结束后，一定要清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。
2.1.3磨损分类
按照磨损的机理以及零件磨损状态的不同，可分为四种基本类型：
粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（点蚀）、腐蚀磨损，教材中具体说明，略之。
2.2润滑
首先说明一下润滑的作用
2.2.1润滑剂的性能与选择
润滑剂有几种：
油、脂、固体（石墨、二硫化铜）、气体（空气、氢气、水蒸汽）。
1.润滑油
为目前使用得最多的润滑剂，有矿物油、合成油、动植物油等，矿物油为应用最广的。
物理性能指标为粘度：
表示液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度大，内摩擦阻力就越大，液体流动性就越差。
粘度有三种表示，解释一下。
（1）动力粘度η
（2）运动粘度ν我国采用的为运动粘度
（3）条件粘度（恩氏粘度）ηE
还有一些性能指标，如凝点、闪点、燃点等，表2.1列出。
要指出一下：
压力、温度对粘度有影响的。
2.润滑脂
在润滑油中加入稠化剂（钙、钠、锂、金属皂）而成的脂状润滑剂，又称为黄油。
主要物理性能指标为滴点、针入度、耐水性。
目前使用最多的为钙基润滑脂，它的耐水性强，耐热性差，还是钠基，锂基的。
使用时要注意使用条件，不要乱用，性能列于表2.2之中。
3.固体润滑剂
4.气体润滑剂
润滑剂的选用原则为低速、重载、高温、间隙大，应选用粘度大的润滑油；对脂主要用于速度低、载荷大，不需经常加油，使用要求不高或灰尘较高的场合；气体、固体的主要用于高温、高压，防止污染等一般润滑油不能适用的场合。
对润滑剂选用一定要严肃对待，不能乱用。
2.2.2润滑方法和润滑装置
为了获得良好的润滑效果外，除了正确选择润滑剂外，还应选择适当的润滑方法和相应的润滑装置，具体情况学生自学教材内容，不作讲解。
2.3密封方法及装置
学生自学，不作讲解。
第3章平面机构的结构分析
一、教学要求
本章内容是学习机构设计的基础，为各类机构的运动分析和设计打下一定的基础，同时也为机械系统设计和新机构设计提供了一种结构分析的方法。
具体的教学要求如下：
1）了解平面机构的基本概念。
2）掌握平面机构运动简图的绘制方法。
3）熟练掌握平面机构自由度的计算方法，能够准确地识别机构中的局部自由度，复合铰链和虚约束。
二、重点、难点
重点：
1）有关机构组成的概念及机构具有确定运动的条件。
2）机构运动简图及其绘制。
3）机构的自由度。
难点：
1）机构运动简图的绘制。
2）机构中虚约束的正确判别。
三、教学安排
教学内容
学时数
1.机构的组成
2.平面机构的运动简图
2
3.平面机构的自由度
2
四、教学思路设计
本章是进入整个机械系统设计的开端，它不仅为学习各类机构的运动设计和动力设计打下初步基础，也为机械系统方案设计和新机构的创新设计提供一条途径。
由于是高职学生，因此教学要求也与本科生有所区别，故对机构分类、机构组成原理等只作一般性了解，而教学重点放在机构运动简图的绘制及自由度计算上。
第3章第1讲
知识点
教学手段
1.1）运动副
2）自由度和运动副的约束
3）运动链和机构
2.1）运动副及构件的表示法
2）绘制机构运动简图的步骤
课件（平面运动构件的自由度、平面高副，运动链，运动副简图符号、运动链）
一、讲授时注意几点：
1.3.1机构的组成
主要应该掌握：
运动副是由两构件组成的相对可动的连接，是组成机构的又一个基本要素；两构件构成运动副应至少要引入一个约束，也至少要保留一个自由度。
2.3.2平面机构的运动简图
平面机构运动简图应能正确地表达机构的组成和机构的运动情况。
因此，与运动无关的内容应抛开，如构件的外形、运动副的具体构造等。
在画图时应注意以下三点：
（1）注意运动副的位置及表示方法。
（2）注意构件的表达。
（3）注意机构运动简图要真实、简法。
机构运动简图的绘制是把实际机构抽象化的过程。
因此，必须搞清机构的组成才能正确地画出机构运动简图。
二、讲授程序设计
首先从运动副的组成开始，分析其分类、类型及其自由度与约束关系，然后讨论其机械运动简图的绘制，这是本章的重点。
讲授教案编写如下所述。
第1讲教案
第3章平面机构的结构分析
放课件，说明一下。
机构运行时，除机架外其余所有构件都按照某种运动规律运动，如果机构中的所有构件都在相同或相互平行的平面内运动，这种机构称为平面机构，否则称为空间机构，工程中常见的为平面机构，本章就是研究平面机构。
3.1机构的组成
3.1.1运动副
图3.1说明一下。
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。
因此，副一定是一对接触构件，但还要保持相对运动关系，同学以前见到过的，能举例吗？
例如螺纹副，导轨副等。
接触情况有三种：
点接触，线接触，面接触，这点、线、面称为运动副元素。
根据运动副各构件间的相对运动是平面运动，还是空间运动，这样把运动副可分为平面运动副，空间运动副。
本章讨论的为平面运动副，它又可分为低副、高副二大类型。
3.1.2自由度和运动副约束
一个空间自由状态的构件，具有6个独立运动的参数，作平面运动的构件就具有三个独立运动参数，放课件（平面运动构件的自由度），这个独立运动参数的数目称为构件的自由度。
两个构件通过运动副连接，这样相对运动必会受到限制，这个限制称为约束，引入一个约束条件将减少一个自由度。
下面分析一下具体的运动副的运动、约束情况：
1.低副什么叫低副说明一下。
构件之间以面接触形成的运动副称为低副，放课件（转动副）说明一下低副定义。
根据形成低副的两个构件之间的可以产生的相对运动的形式不同，低副又可分为转动副与移动副两种。
转动副（转动副）图3.3所示，这运动副只能在某一平面内作相对转动，相对运动形式为转动。
移动副（移动副）只能沿某一方向作相对移动，相对运动形式为移动，图3.4所示。
2.高副以点或线接触组成的运动副，图3.5所示，分析一下运动情况。
那么约束如何：
分析一下。
对于转动副：
引入二个约束，保留了一个自由度。
对于移动副：
引入二个约束，保留了一个自由度。
故平面低副的运动副，引入二个约束，保留一个自由度。
对于平面高副，引入一个约束，保留了二个自由度。
3.1.3运动链和机构
图3.6所示，放课件（运动链），两个以上构件以运动副连接而成的系统称为运动链，如果运动链中有的构件只包括一个运动副元素称为开链（图3.6a）。
如每个构件至少包括两个运动副元素，则构件形成了封闭系统称为闭链（图3.6b）。
如在闭链中将其中一个构件固定，就成为机架，这运动链就成为机构。
当它的一个或几个构件具有独立运动，也就是这构件的运动规律为已知的，这机构的运动和动力由这一个构件输入，这构件称为原动件（主动件），其余构件称为从动件。
3.2平面机构的运动简图
课件（粉碎机）放一下，我们分析运动，这图就很复杂。
为了使问题简单化，在研究机构运动时，可以不考虑那些与运动无关的因素（如具体结构、外形等等），仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示出各运动副的相对位置，这种说明机构各构件间的相对运动关系的简单图形称为机构运动简图，课件（运动副简图表示）放一下。
这简图有二个作用：
1）可以简明地表达一部复杂机器的传动原理。
2）可以用图解法求机构上各点的轨迹、位移、速度、加速度等。
3.2.1运动副及构件的表示方法
1.构件
2.转动副图3.7课件（转动副）
3.移动副图3.8课件（移动副）
4.平面高副图3.9课件（平面高副）
3.2.2绘制机构运动简图的步骤
作图时，因为实物很大，无法按1∶1绘制，只得选用一个比例尺，有位置比例尺，速度、加速度比例尺，下面只谈位置比例尺如何表达
物体实际长度/构件图示长度（m/mm）
绘制步骤教材中已谈了，可自学一下。
第3章第2讲
知识点
教学手段
机构具有确定运动的条件
平面机构自由度的计算
计算机构自由度的注意事项
课件（局部自由度、复合铰链、虚约束、图3.16~3.22）
一、讲授时注意几点
应该掌握如下几点：
1）机构的自由度是机构具有确定运动时所需的独立运动参数的数目。
2）机构的自由度计算公式能很熟练地推导出。
3）在计算自由度时，应注意处理好三种情况，才能使计算正确，符合实际情况。
二、讲授程序设计
首先从运动副的约束，自由度的概念开始，推导出机构自由度计算公式，然后得到机构具有确定运动的条件，最后指出在应用自由度计算公式要注意三个问题，这样才能使公式应用正确。
讲授教案编写如下所述。
第2讲教案
3.3平面机构的自由度
3.3.1平面机构的自由度计算
设某一平面运动机构，其中包括N个构件，PL个低副，PH个高副，现以平面四杆机构为例，说明一下N，PL，PH值=？
这N个构件中有一个构件被看作为固定不动的为机架，所以其余均为活动的构件，则活动构件数就为n=N-1，这n个活动构件，在未用运动副将它们连接起来以前，共具有3n个自由度。
在黑板上写上3n。
当用PL个低副，PH个高副将构件连接起来，便会使构件活动受到影响，也就是3n个自由度就要被减少。
以前已讲过：
加入一个低副，就引入二个约束，自由度只有1个。
即3n-2PL在黑板上写成3n-2PL
加一个高副，就引入一个约束，自由度只有2个。
即3n-PH
最后黑板上就写成3n-2PL-PH
这式子就可说明为：
整个机构相对机架的自由度数就应为活动构件的自由度的总数减去（2PL+PH）个约束
机构的自由度数为F则
这就是机构的自由度计算公式
3.3.2机构具有确定运动的条件
一般要求一个机构，当原动件给定一个运动规律运动时，从动件也就得到按某一个运动规律进行运动，不允许从动件乱动，无规律地运动。
图3.1.3所示，课件（曲柄滑块机构）放一下，计算一下机构自由度F=1，也就是这机构能具有独立运动的数目为1，主动件为1，输入运动，从动件就按确定规律运动，这就是机构运动的确定性。
结论为机构自由度=原动机数
图3.12所示
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