机械原理课程教学教案.docx
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机械原理课程教学教案
机械原理课程教学教案
（参考理论教学学时：
58）
（黄石理工学院机械基础教研室）
0绪 论
学时分配：
1
教学内容：
0.1 机械原理的研究对象及内容
0.3.2 本课程要求的先修课程
0.1.1 机器的特征
0.3.3 本课程的任务及作用
0.1.2 机械原理研究的对象
0.3 机械原理与发展国民经济的关系
0.1.3 机械原理研究的内容
0.3.1 适应现代化要求，消化吸收国外先进技术
0.2 本课程在教学中的地位、任务及作用
0.3.2 提高劳动生产率和机械效率
0.2.1本课程在教学中的地位
0.4机械原理学科的新发展
0.2.2 重要的技术基础课
教学要点：
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，简单介绍机械原理在发展国民经济中的作用及机械原理学科的新发展。
特别注意讲清楚机械、机器与机构之间的区别，零件与构件的区别。
1 平面机构的结构分析
学时分配：
6
教学内容：
1.1 研究机构结构的目的
1.1.1 探讨机构运动的可能性
1.1.2机构的结构分类
1.1.3合理设计机构、创新新机构
1.2 运动副、运动链和机构
1.2.1 运动副及其分类
1.2.2运动链
1.2.3机构
1.3 平面机构运动简图
1.3.1 机构运动简图定义及作用
1.3.2 运动副、构件的表示方法
1.3.3 绘制机构运动简图的步骤
1.4 平面机构的自由度
1.4.1 平面机构的自由度
1.4.2机构具有确定运动的条件
1.4.3计算机构自由度时应注意的事项
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
1.5.1 平面机构的高副低代
1.5.2 平面机构的组成原理
教学要点：
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；简单介绍平面机构的组成原理和结构分析。
运动副的意义、平面运动副及其分类是本章的重点，平面机构自由度分析和计算以及具有确定运动的条件也是本章学习的重点。
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。
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。
2平面机构的运动分析
学时：
6
教学内容：
2.1研究机构运动分析的目的和方法
2.1.1 运动分析的目的
2.1.2运动分析的方法
2.2 速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用
2.2.1 速度瞬心法
2.2.2三心定理
3.2.3速度瞬心法的应用
2.3 用相对运动图解法求机构的速度和加速度
2.3.1同一构件上的点间的速度加速度求法
2.3.2 两构件重合点间的速度加速度求法
2.4用解析法求机构的位置、速度和加速度
2.4.1 铰链四杆机构
2.4.2曲柄滑块机构
2.4.3导杆机构
教学要点：
重点介绍速度瞬心的定义，速度瞬心法在机构速度分析上的应用，三心定理的应用；着重介绍相对运动图解法。
解析法求铰链四杆机构、曲柄滑块机构、导杆机构的位置、速度和加速度；同一构件上两点间的速度及加速度的关系；介绍研究机构运动分析的目的和方法。
本章难点是用相对运动图解法原理求构件上点的速度和加速度以及求构件的角速度和角加速度是本章的重点。
求加速度特别是哥氏加速度。
3 平面连杆机构及其设计
学时分配：
6
教学内容：
3.1 平面连杆机构的特性及其设计
3.1.1什么是连杆机构
3.1.2连杆机构的优缺点
3.1.3连杆机构设计的基本问题
3.2 平面四杆机构的基本形式及其演化
3.2.1 铰链四杆机构
3.2.2 含一个移动副的四杆机构
3.2.3 含二个移动副的四杆机构
3.2.4偏心轮机构
3.3 平面四杆机构的主要工作特性
3.3.1 转动副为整转副的充分必要条件
3.3.2 行程速度变化系数
3.3.3 压力角和传动角
3.3.4 死点位置
3.4 实现连杆给定位置的平面四杆机构设计
3.4.1 给定连杆两个位置
3.4.2 给定连杆两个位置
3.5 实现已知运动规律的平面四杆机构设计
3.5.1按给定两连架杆对应位移设计四杆机构
3.5.2按照给定的行程速比系数设计四杆机构
教学要点：
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；简单介绍平面多杆机构。
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。
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。
本章的重点是四杆机构的演化原理、有曲柄的条件和运动设计。
4 凸轮机构及其设计
学时分配：
6
教学内容：
4.1 凸轮机构的应用和分类
4.1.1 凸轮机构应用
4.1.2 凸轮机构分类
4.2 从动件的运动规律
4.2.1 等速运动规律
4.2.2 等加速等减速运动规律
4.2.3简谐运动规律
4.2.4摆线运动规律
4.3 按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线
4.3.1 基本思路分析
4.3.2 设计实例
4.4 凸轮机构基本尺寸的确定
4.4.1凸轮机构的压力角和许用值
4.4.2基圆半径的确定
4.4.3滚子半径的确定
教学要点：
重点介绍凸轮机构的组成、分类及特点。
注意讲解清楚盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮之间的转化关系。
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。
凸轮机构的种类很多，各具特色。
凸轮机构的优点：
只需设计出合适的凸轮轮廓，就可使从动件获得所需的运动规律：
结构简单、紧凑、设计方便。
它的缺点：
凸轮与从动件之间易于磨损：
凸轮轮廓较复杂，加工困难；从动件的行程不能过大。
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，因此了解从动件常用的运动规律及其特点是十分重要的。
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。
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”。
用“反转法”绘制凸轮轮廓主要包含三个步骤：
将凸轮的转角和从动件位移线图分成对应的若干等份；用“反转法”画出反转后从动件各导路的位置；根据所分的等份量得从动件相应的位移，从而得到凸轮的轮廓曲线。
重点介绍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 齿轮机构及其设计
学时分配：
12
教学内容：
5.1 齿轮机构的应用和分类
5.1.1齿轮机构的应用
5.1.1齿轮机构的类型
5.2 齿廓啮合基本定律
5.2.1 齿轮啮合基本定律
5.2.2 共轭齿廓
5.2.3 齿廓曲线的选择
5.3 渐开线及渐开线齿廓
5.3.1 渐开线及其性质
5.3.2 一对啮合中的渐开线齿廓
5.4 渐开线齿轮各部分的名称及标准齿轮的尺寸
5.4.1 齿轮各部分的名称
5.4.2模数和分度圆
5.4.3 齿顶高和齿根高
5.4.4齿顶圆和齿根圆
5.4.5 标准齿轮的几何尺寸
5.4.6齿条
5.5 渐开线直齿圆柱齿轮的传动
5.5.1 正确啮合条件
5.5.2 齿轮传动的中心距和啮合角
5.5.3 渐开线齿轮连续传动的条件
5.6 渐开线齿廓的展成加工及根切现象
5.6.1渐开线齿廓的展成加工原理
5.6.2 渐开线齿廓的根切现象
5.6.3渐开线标准齿轮不发生根切时的最少齿数
5.7 变位齿轮
5.7.1 标准齿轮的局限性
5.7.2 齿轮的变位修正
5.7.3 最小变位系数
5.7.4变位齿轮的几何尺寸
5.8 变位齿轮传动
5.8.1 无侧隙啮合方式
5.8.2中心距变动系数
5.8.3齿高变动系数
5.8.4变位齿轮传动的类型
5.8.5变位齿轮传动的设计步骤
5.9平行轴斜齿圆柱齿轮机构
5.9.1单个斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成及特点
5.9.2一对齿廓的啮合特点
5.9.3斜齿轮的基本参数
5.9.4平行轴斜齿轮传动的正确啮合条件和重合度
5.9.5斜齿轮的当量齿数
5.9.6斜齿轮的变位和几何尺寸计算
5.9.7平行轴斜齿轮传动的优缺点
5.11蜗杆机构
5.11.1蜗杆蜗轮的形成
5.11.2蜗杆蜗轮机构的分类
5.11.3蜗杆传动的正确啮合条件
5.11.4主要参数和几何尺寸计算
5.11.5蜗杆蜗轮机构的优缺点
5.12圆锥齿轮机构
`5.12.1圆锥齿轮的特点
5.12.2齿廓的形成与特性
5.12.2直齿圆锥齿轮的背锥和当量齿数
5.12.4直齿圆锥齿轮的啮合传动
教学要点：
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；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；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；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；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，斜齿轮还应满足螺旋角大小相等，方向相反。
由此可见，直齿轮的互换性较好，斜齿轮一般是成对设计的；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；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；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；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；了解蜗杆传动的特点。
传动比大，结构紧凑，具有自锁性，工作平稳噪声低，冲击载荷小。
但传动的效率低，发热大，易发生磨损和胶合等失效形式，蜗轮齿圈常需用比较贵重的青铜制造，因此蜗杆传动成本较高。
合理选择蜗杆传动的参数。
除模数外，蜗杆的分度圆直径也应取为标准值，目的是为了限制蜗轮滚刀的数目，并便于滚刀的标准化，并保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合。
蜗轮齿数的选择应避免用滚刀切制蜗轮时产生根切现象，并满足传动比的要求。
蜗杆头数的选择应考虑到效率和传动比。
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 轮系及其设计
学时分配：
5
教学内容：
6.1 基本知识
6.1.1什么是轮系
6.1.2轮系的功用
`6.1.3轮系的研究内容
6.1.4最简单的轮系
6.2定轴轮系的传动比
6.2.1什么是定轴轮系
6.2.2定轴轮系的传动比
6.3 周转轮系的传动比
6.3.1 什么是周转轮系
6.3.2 周转轮系的分类
6.3.3 周转轮系的计算
6.4 复合轮系的传动比
6.4.1什么是复合轮系
6.4.2求解方法
6.4.3解题步骤
教学要点：
重点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。
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。
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。
轮系的组成情况和运动传递情况十分丰富。
在掌握基本轮系和典型轮系的基础上，可创新设计出功能独特的混合轮系。
周转轮系传动比计算中的符号问题和混合轮系中基本轮系的区分是本章的难点。
7 其它常用机构
学时分配：
2
教学内容：
7.1万向连轴节
7.2螺旋机构
7.3 棘轮机构
7.4 槽轮机构
教学要点：
重点介绍单万向联轴节，双万向联轴节，万向联轴节的特点和应用；螺旋机构的工作原理和类型，螺旋机构的特点和应用；棘轮机构的工作原理和类型，棘爪自动啮紧棘轮齿根的条件，棘轮机构的几何参数计算，棘轮机构的优、缺点和应用；槽轮机构的工作原理和类型，槽轮机构的运动特性，槽轮机构的几何参数计算及优、缺点和应用。
8机构的选型和组合应用
学时分配：
2
教学内容：
8.1研究的目的和内容
8.1.1工艺动作的复杂性
8.1.2执行机构运动形式的多样性
8.2机构的组合方式和组合机构的分析与设计
8.2.1机构的串联、并联等组合方式
8.2.2基于组合原理的机构设计举例
8.3 机构的选型
8.3.1执行构件的运动形式
8.3.2机构选型的基本要求
8.4 执行机构的协调设计和运动循环图
8.4.1执行机构的布局
8.4.2执行机构运动协调设计应满足的要求
8.4.3机械运动循环图设计
8.4.4实例：
冷镦机构的运动循环图
教学要点：
重点介绍机构的选型、执行机构的协调设计和运动循环图，对执行构件的运动形式、执行机构的布局、执行机构运动协调设计和机械运动循环图设计结合实际进行介绍，难点是执行机构运动协调设计和机械运动循环图设计。
9平面机构的力分析
学时分配：
6
教学内容：
9.1 研究机构力分析的目的和方法
9.1.1 作用在机构上的力
9.1.2 机构力分析的目的和方法
9.2 机构惯性力的确定
9.2.1 一般力学方法
9.2.2质量代换法
9.3 运动副中摩擦力的确定
9.3.1 移动副中的摩擦力
9.3.2转动副中的摩擦力
9.4不考虑摩擦力机构力分析
9.4.1运动副反力的特点
9.4.2机构及杆组进行力分析的条件
9.4.3机构动态静力分析的步骤
9.5速度多边形杠杆法
9.5.1虚位移原理
9.5.2速度多边形杠杆法
9.5.3速度多边形杠杆法的解题步骤
9.5.4几点说明
教学要点：
重点介绍机构中作用的各种力及机构力分析的方法；确定各运动副中的反力及需加于机械上的平衡力或平衡力矩；对一般平面机构进行动态静力分析的过程。
构件惯性力的确定（侧重工程上常采用的质量代换法）；用图解法作平面机构的动态静力分析。
着重讲解机构的平衡力（或平衡力矩）及构件的质量代换两个概念。
运动副的反力的特点，机构及杆组进行力分析的条件，机构动态力分析的步骤；速度多边形杠杆法及解题步骤。
动态静力法的理论是根据达朗伯原理，设想将惯性力视为外力加在有关构件上，则该构件可以视为处于平衡状态，将动力学问题用静力学方法求解。
在求解过程中主要用到力的平衡方程式和计算。
因此本章是理论力学上的一些原理在具体机构上的运用。
转动副的径向轴颈中的总反力作用线的确定是重点，也是难点。
平面机构的动态静力分析图解法也是重点。
10 平面机构的平衡
学时分配：
2
教学内容：
10.1 平衡的目的和分类
10.1.1 平衡的目的
10.1.2 回转件的平衡
10.1.3机架上的平衡
10.2刚性回转件的平衡
10.2.2 质量分布在同一回转面内
10.2.2 质量分布不在同一回转面内
10.3刚性回转件的平衡试验法
10.3.1 静平衡试验法
10.3. 动平衡试验法
10.3.3 回转件的许用不平衡量及平衡精度
教学要点：
重点介绍机械平衡的目的和分类，刚性转子的平衡计算，刚性转子的许用不平衡量及平衡精度。
挠性转子动平衡简介。
简介平面机构的平衡。
注意讲解清楚质量分布在同一回转面内和不在同一回转面内的刚性回转件的平衡，前者要求达到静平衡的平衡条件是：
分布于该回转件上各质量的离心力的向量和等于零或重径积的向量和等于零；后者要求达到动平衡，动平衡的条件是：
分布于该回转件上的各个质量的离心力的向量和等于零及离心力引起的力矩向量和也等于零。
简介刚性回转件的静平衡试验法和动平衡试验法。
刚性回转件的平衡是重点。
11 机器的机械效率
学时分配：
2
教学内容：
11.1机器的运动和功能关系
11.1.1 机器的动能方程式
11.1.2 机器运转的三个阶段
11.2机器的机械效率和自锁
11.2.1机器的机械效率
11.2.2机器或机组的总效率
11.2.3机器的自锁
教学要点：
重点介绍机器运动中起动时期、稳定运动时期、停车时期等三个时期的功能关系，单打一机器的效率计算方法，从效率的观点来说明机器的自锁条件，斜面、螺旋和蜗轮蜗杆的效率计算。
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。
强调要建立正确、全面的机械效率的概念。
机器的效率计算和判别机器自锁条件的一般原理及斜面的效率计算和自锁条件是本章的重点。
用力或力矩之比来表示机械正反行程的效率以及三角螺纹螺旋的效率计算和自锁条件是本章的难点。
12 机器的运转及其速度波动的调节
学时分配：
2
教学内容：
12.1 研究机器运转及其速度波动调节的目的
12.1.1 速度波动的危害
12.1.2 速度波动的调节方法
12.2 机器等效动力学模型
12.2.1等效力和等效力矩
12.2.2等效质量和等效转动惯量
12.3 机器运动方程式的建立及解法
12.3.1 机器运动方程式的建立
12.3.2 机器运动方程式的解法
12.4 机器周期性速度波动的调节方法和设计指标
12.4.1调节方法
12.4.2设计指标
12.5 飞轮设计
12.5.1 基本问题
12.5.2 飞轮转动惯量的计算
教学要点：
重点介绍等效力和等效力矩、等效质量和等效转动惯量，周期性速度波动的调节，机械系统的运动过程，机组的等效动力学模型，机组的运动方程，飞轮调速原理及其转动惯量的计算法。
周期性速度波动的调节方法是安装飞轮，飞轮设计的中心问题是确定其惯动惯量。
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。
等效力或等效力矩，等效质量或等效转动惯量以及飞轮的设计是本章的重点。
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