机械设计基础课程教学教案张伯俊DOC.docx

1、机械设计基础课程教学教案张伯俊DOC机械设计基础课程教学教案 （参考课堂教学学时：56） （汽车维修教研室） 0 绪论 学时分配：1 教学内容： 0.1引言 0.3.2本课程要求的先修课程 0.2本课程研究的对象和内容 0.3.3本课程的目的和特点 0.2.1机械的特征 0.4机械设计的基本要求和一般过程 0.2.2机器、机构、构件和零件 0.4.1机械设计应满足的基本要求 0.2.3机械设计基础研究的对象和内容 0.4.2机械设计的一般过程 0.3本课程的目的和特点 0.3.1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，简单介绍机械设计的一般步骤

2、和方法。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。 1平面机构及其自由度 学时分配：3 教学内容： 1.1运动副及其分类 1.1.1自由度 1.1.2 运动副 1.2平面机构运动简图 1.2.1机构运动简图及作用 1.2.2构件的分类 1.2.3绘制机构运动简图的步骤 1.3平面机构的自由度及其计算 1.3.1平面机构的自由度 1.3.2 机构具有确定运动的条件 1.3.3 计算机构自由度时应注意的事项 1.4速度瞬心及其在机构速度分析中应用 1.4.1速度瞬心 1.4.2瞬心的求法 1.4.3 瞬心在速度分析中的应用 教学要点：重点介绍机构、运动副、运动链、自由度与

3、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。平面机构自由度分析和计算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平面连杆机构 学时分配：4 教学内容： 2.1概述 2.2铰链四杆机构的基本类型和特性 2.2.1曲柄摇杆机构 2.2.2双曲柄机构 2.2.3双摇杆机构 2.3铰链四杆机构的力学特性 2.3.1铰链四杆机构曲柄存在条

4、件 2.3.2急回运动 2.3.3压力角和传动角 2.3.4死点位置 2.4铰链四杆机构的演化 2.4.1移动副取代转动副的演化 2.4.2变更机架的演化 2.4.3变更杆长的演化 2.4.4扩大回转副的演化 2.5平面四杆机构的设计 2.5.1平面连杆机构设计的基本问题 2.5.2按照给定的行程速比系数设计四杆机构 2.5.3按给定连杆位置设计四杆机构 2.5.4按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构 2.5.5按给定点运动轨迹设计四杆机构 2.6平面多杆机构简介 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

5、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。 3凸轮机构 学时分配：4 教学内容： 3.1凸轮机构的应用和分类 3.1.1应用举例 3.1.2凸轮机构分类 3.1.3凸轮机构的特点 3.2从动件的常用运动规律 3.2.1术语介绍 3.2.2几种常见的从动件运动规律 3.3图解法设计凸轮轮廓 3.3.1绘制原理 3.3.2几种常见的凸轮轮廓的绘制 3.4解析法设计凸轮轮廓

6、简介 3.5设计凸轮机构应注意的问题 3.5.1滚子半径的选择 3.5.2压力角的校核 3.5.3基圆半径对凸轮机构的影响 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

7、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。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

8、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。 4齿轮机构 学时分配：4 教学内容： 4.1引言 4.2齿轮机构的特点及类型 4.2.1齿轮机构的优缺点 4.2.2齿轮机构的分类 4.3齿廓啮合基本定律 4.3.1齿轮啮合基本定律 4.3.2共轭齿廓 4.3.3节点和节圆 4.4渐开线性质及渐开线齿

9、廓 4.4.1渐开线的形成 4.4.2渐开线的性质 4.4.3渐开线齿廓及啮合特点 4.5渐开线直齿圆柱齿轮各部分的名称和尺寸计算 4.6渐开线标准齿轮的啮合传动 4.6.1正确啮合的条件 4.6.2标准中心距 4.6.3压力角与啮合角 4.6.4重合度 4.7渐开线齿廓的加工原理及变位齿轮的概念 4.7.1成形法 4.7.2范成法 4.7.3根切现象和最少齿数 4.7.4变位齿轮 4.8平行轴斜齿齿轮机构 4.8.1斜齿轮的共轭齿廓曲面 4.8.2平行轴渐开线斜齿轮正确啮合的条件 4.8.3斜齿轮各部分名称和几何尺寸计算 4.8.4斜齿轮法向参数为标准值 4.8.5斜齿轮传动的重合度 4.8

10、.6斜齿轮的当量齿数 4.8.7斜齿轮的优缺点 4.8.8斜齿轮的螺旋角 4.9圆锥齿轮机构 4.9.1圆锥齿轮概述 4.9.2背锥和当量齿数 4.9.3直齿圆锥齿轮几何尺寸计算 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

11、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；本章是本课程的重点和难点内容之一，应安排齿轮机构泛成实验和齿轮参数测绘实验，以强化对本章内容的理解。 5轮系 学时分配：3

12、 教学内容： 5.1引言 5.3.1轮系的传动比 5.3.2一对齿轮传动的传动比分析 5.3.3定轴轮系传动比分析 5.3.4惰轮 5.3.5定轴轮系传动比计算一般式 5.2轮系的类型 5.3定轴轮系及其传动比 5.4周转轮系及其传动比 5.4.1周转轮系的组成 5.4.2差动轮系和行星轮系 5.4.3周转轮系传动比的计算 5.5混合轮系及其传动比 5.6轮系的典型应用 5.6.1实现远距离的两轴之间的齿轮传动 5.6.2实现变速齿轮传动 5.6.3实现大传动比齿轮传动 5.6.4实现合成运动和分解运动 5.7几种特殊的行星传动简介 5.7.1渐开线少齿差行星齿轮减速器 5.7.3谐波齿轮传动

13、 5.7.2摆线针轮行星减速器 教学要点：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。 6其它常用机构 学时分配：2 教学内容：

14、6.1棘轮机构 6.1.1棘轮机构的基本组成及工作原理 6.1.2棘轮机构的常见类型 6.1.3用棘轮机构实现超越运动 6.2槽轮 6.2.1槽轮机构的组成及工作原理机构 6.2.2槽轮机构的主要参数 6.3不完全齿轮机构 6.4凸轮间歇运动机构 6.5组合机构 教学要点：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

15、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。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。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。在机械的创新设计设计中，机构的创

16、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。 7机械的动力性能 学时分配：3 教学内容： 7.1回转件的平衡 7.1.1回转件平衡的目的 7.1.2回转件的平衡计算 7.2机械速度波动与调节 7.2.1机械的运转过程及其速度波动 7.2.2周期性速度波动和调节 7.2.3非周期性速度波动和调节 7.2.4机械运转的平均速度和不均匀系数 7.3机器的机械效率 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

17、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。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。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

18、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。 8机械零件设计概论 学时分配：3 教学内容： 8.1机械零件设计概述 8.1.1机械零件设计的基本要求 8.1.2机械零件的失效、工作能力和承载能力 8.1.3机械零件的设计准则 8.1.4机械零件的设计方法和设计步骤 8.2机械零件设计要点 8.2.1材料及热处理问题 8.2.2公差与配合、表面粗糙度问题 8.2.3工艺性问题 8.2.4优先数系和标准化问题 8.3机械零件的强度 8.3.1常用名词定义 8.3.2变应力及其变应力下的

19、许用应力 8.4机械零件的接触强度 8.5摩擦、磨损及润滑概述 8.5.1摩擦概述 8.5.2磨损概述 8.5.3润滑概述 教学要点：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；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；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，变应力下的疲劳极限问题是建立零件设计准则的基础，应十分重视；关于摩擦、磨损及润滑问题的研究内容十分

20、丰富，对提高机械零件的使用寿命、改善工作环境等有着十分重要的意义，应进一步充实这方面的内容；机械整机设计、机械零件设计都存在一个继承和发展的问题，只有了解掌握了已有知识、方法后，才有可能进行创新、发展，所以，第一步的任务是学习现有的知识和方法，通过观察、收集、总结、实践积累设计经验，提高自身的设计素质。 9联接 学时分配：4 教学内容： 9.1螺纹的形成、分类和参数 9.1.1螺纹的形成 9.1.2螺纹的分类 9.1.3螺纹的参数 9.2螺纹副的受力、效率和自锁分析 9.2.1螺纹副的受力分析 9.2.2螺纹副的效率 9.2.3螺纹副的自锁 9.3机械设备常用螺纹 9.3.1三角形螺纹 9.3

21、.2矩形螺纹 9.3.3梯形螺纹 9.3.4锯齿形螺纹 9.4螺纹联接的基本类型和常用螺纹联接件 9.4.1螺纹联接的基本类型 9.4.2常用螺纹联接件 9.5螺纹联接的预紧和防松 9.5.1螺纹联接的预紧 9.5.2螺纹联接的防松 9.6螺栓联接的强度计算 9.6.1普通螺栓联接强度计算 9.6.2铰制孔螺栓联接强度计算 9.7螺栓的材料和许用应力 9.8螺栓联接设计时应注意的问题 9.8.1提高螺栓联接强度的措施 9.8.2螺栓组的结构设计 9.9螺旋传动 9.9.1螺旋传动的应用和类型 9.9.2滑动螺旋的设计计算 9.9.3滚动螺旋和静压螺旋传动简介 9.10键联接和花键联接 9.10

22、.1键联接的类型和结构 9.10.2平键联接计算 9.10.3花键联接 9.11其它联接 9.11.1销联接 9.11.2焊接和粘接 9.11.3过盈联接、弹性环联接和成形联接 教学要点：联接可分为可拆联接和不可拆联接两种。常见的可拆联接有螺纹联接、键联接和销联接等，常见的不可拆联接有焊接和粘接，过盈联接一般做成不可拆联接。联接螺纹采用三角形螺纹，传动螺纹主要采用梯形螺纹和锯齿形螺纹。这三种螺纹均已标准化。螺纹联接有螺栓联接、螺钉联接、双头螺柱联接和紧定螺钉联接四种基本类型。螺纹联接件品种很多，大都已标准化，常用的有螺栓、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉、螺母和垫圈。大多数螺纹联接在装配时都需要预紧，

23、主要目的是增加联接的刚性、紧密性和防松能力，在冲击、振动、变载荷及温度变化较大的情况下，则必须采取防松措施。防松方法有摩擦防松、机械防松和破坏螺纹副防松三类。螺栓联接强度计算时，应首先分析螺栓联接情况，然后选用相应公式计算，最后根据计算结果按标准选取螺栓直径。螺栓其余部分尺寸及螺母、垫圈等，一般可根据螺栓公称直径直接从标准中选定。螺旋传动主要用于把回转运动变为直线运动，同时可传递运动和动力。根据用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋；根据摩擦情况可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋，其中滑动螺旋应用最广。键和花键是最常用的轴毂联接方式，均已标准化。设计和使用时应根据定心要求、载荷大小、使用要求和

24、工作条件等合理选择。根据工作前是否有预紧力，键联接可分为松联接和紧联接。松联接的工作表面是键的侧面，靠挤压工作，属于这类联接的有平键（普通平键、导键和滑键）和半圆键联接；紧联接的工作表面是上下面，靠摩擦力工作，常用的有楔键和切向键联接。平键的选用方法是根据轴径d确定键的截面尺寸bh，根据轮毂宽度B确定键长L（LB，必要时进行强度校核。普通平键联接的主要失效形式是轮毂压溃。销主要用于定位，也可用于联接，传递不大的载荷；焊接和粘接用于不可拆联接；过盈联接、弹性环联接和成形联接主要用于轴和毂孔的联接，属于无键联接。 11齿轮传动 学时分配：8 教学内容： 10.1齿轮的失效形式10.2齿轮材料热处理

25、10.3齿轮的传动精度10.4圆柱齿轮力计算10.5接触强度的计算10.6弯曲强度的计算10.7 圆柱齿轮材料参数10.8斜齿轮传动10.9 圆锥齿轮传动10.10 齿轮的构造10.11 齿轮的润滑效率10.12 圆弧齿轮简介教学要点：齿轮传动设计运用到前面已学过的“齿轮机构基本原理”、“工程力学”、“金属材料及热处理”、“公差与互换性”、“机构制图”等多方面的知识；通过学习要能根据齿轮传动的工作条件及失效情况，确定设计准则。掌握某一特定条件下的主要失效形式，分析产生的原因，选用相对应的设计准则，同时应掌握提高齿轮传动承载能力的方法和措施；齿轮传动设计是一个很复杂的设计问题，为了便于教学，本书

26、作了大量的简化。通过学习应掌握齿轮传动设计的基本原理和一般方法，对于重要的齿轮传动设计问题，应参照机械设计手册等设计资料，采用国际规定的设计方法进行计算；直齿圆柱齿轮传动设计是斜齿圆柱齿轮传动、直齿圆锥齿轮传动设计的基础，即，斜齿轮、锥齿轮的强度计算最终将转为相应的等效的直齿圆柱齿轮的强度问题，所以，应着重掌握直齿圆柱齿轮传动的设计问题；齿轮传动中的受力分析是齿轮强度计算的基础，特别是斜齿轮、锥齿轮中的圆向力、径向力和轴向力三者的关系及相应的计算公式。 12蜗杆传动 学时分配：6 教学内容： 11.1蜗杆传动的特点11.2 蜗杆传动的参数 11.3蜗杆传动的失效形式11.4蜗杆传动的受力分析

27、11.5 蜗杆传动的强度计算11.6蜗杆传动的效率计算教学要点：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。蜗杆传动的受力分析和强度计算。蜗杆传动受力分析的方法与齿轮传动的分析方法类似，但是各力的对应关

28、系与齿轮传动的不同。在蜗杆传动的强度计算时，考虑到蜗杆传动的相对滑动速度大，效率低，发热大，因此蜗轮齿面的主要失效形式是胶合，其次才是点蚀和磨损。然而，目前还没有妥善的方法对胶合和磨损进行计算，所以一般只是仿照圆柱齿轮进行齿面和齿根强度的条件性计算，在选取许用应力是考虑胶合和磨损的影响。蜗杆的热平衡计算。蜗杆传动结构紧凑，箱体的散热面积小，所以在闭式传动中，产生的热量不能及时散发出去，容易产生胶合，所以与一般的闭式齿轮传动不同，蜗杆传动一般需进行热平衡计算。热平衡计算的基本原理是单位时间产生的热量不大于单位时间能散发出去的热量。在实际工作中，一般是利用热平衡条件，找出工作条件下应控制的油温，通

29、过控制油的工作温度，来保证蜗杆传动的正常工作。 13带传动和链传动 学时分配：8 教学内容： 12.1 带传动的类型及应用12.2 带传动的受力分析 12.3 带的应力分析 12.4 带传动的弹性滑动 12.5 普通V带传动的计算12.6 V带的结构 12.7. 同步带传动简介 12.8 链传动的特点及应用12.9 链条和链轮 12.10. 链传动的运动、受力分析 12.11链传动的参数选择12.12. 滚子链传动 12.13 链传动的润滑布置 带传动教学要点：带传动根据工作原理可分为摩擦型带传动和啮合型带传动两种。摩擦型带传动应用最广，布置形式多为开口布置。摩擦型带传动在工作前已有一定的初拉力，工作时靠带与带轮间的摩擦力工作，带的两边形成松边和紧边，两边的拉力差是带传递的有效圆周力，最大有效圆周力可以通过柔韧体摩擦的欧拉公式计算出来。带的工作应力为变应力，由带拉力产生的拉应力1、离心力产生的拉应力c和带在带轮上环绕而产生的弯曲应力b三部分组成。为避免1过大，应限制最小带速，为避免c过大，应限制最大带速，为避免b过大，应限制小带轮的最小计算直径。带传动的失效形式是打滑和带的疲劳损坏，设计准则是在保证带传动不打滑的条件下，使带具有足够的疲劳强度（寿命）。带传动的打滑和弹性滑动是两个截然不同的概念。打滑是可以避免的，弹性滑动是不可避免的。弹性滑动造成从动轮圆周