《机械设计基础》教案.docx

1、机械设计基础教案关于机械设计课程的说明讲授任何一门课程 ,都得首先对它有个轮廓的了解 ,因而有必要先对机械设计课程作一简要说明。一、本课程在专业教学计划中的地位与作用本课程是机械类各专业教学计划中的一主门干课程 ,属技术基础课。因而它不 仅要求学生预先学完工程制图、理论力学、材料力学、工程材料、机械制造基础、 机械原理、公差与技术测量等先修课程 ,而且要求学生结合本课程的学习 ,能够综合 运用所学的基础理论和技术知识 ,联系生产实际和机器的具体工作条件 ,去设计合 用的零 （部）件及简单的机械 ,以便为顺利地过渡到专业课程的学习及进行专业产品 与设备的设计打下初步的基础。因此 ,本课程具有从理

2、论性课程过渡到结合工程实 际的设计性课程 ,从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。另一方面 ,本 课程所讨论的内容 ,主要是通用机械零 （部）件的设计和选用方面的基本知识 、基本理 论和基本方法 ,所以是一般机械工程技术人员必备的基础。二、本课程的性质与任务本课程是一门培养学生机械设计能力的技术基础课 ,属于设计性的课程。 本课程的主要任务是培养学生 :1.掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律 ,具有设计 机械传动装置和简单的机械的能力。2.树立正确的设计思想 ,了解国家当前的有关技术经济政策。3.具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。4掌握典型机

3、械零件的实验方法，获得实验技能的基本动训练。 5对机械设计的新发展有所了解。三、本课程的教学环节及特殊性本课程的教学环节除了 （包括自学 ）外，还应有习题课、讨论课、实验课、现 场教学、答疑辅导、设计作业及课程设计等。虽然课堂教学是一个非常重要方面， 但它远非本课程的全部，因而企图通过单单学习书本知识就把这门课程学好，最 后必将落得一知半解，缺乏实践能力和设计素养，不能达到本课程的学习要求。 这一点，务必提醒每个学生都必须充分注意，并随时加以警惕。如果学生在作习 题、设计作业和课程设计时，不注意进行理论和技术分析，不认真查阅手册、图 册和有关资料；做实验时不详细弄清实验目的、原理、仪表功能及测

4、试方法；在 现场教学中不细心观察零件的结构、材料、制法、工作情况、失效形式和有关机 器的运转性能，就不可能学好这门课程，也不可能成为一个优秀的机械设计者。 所以学习本课程时必须明确，书本知识固属重要，但在工程实际中，很少是靠单 独运用书本知识就能正确解决问题的，而是还需掌握一定的经验资料和具备较强 的工程判断能力。因为实际的机械设计问题几乎都不会只有一个答案的，新理论、 新技术、新材料、新工艺以及新的市场信息等，都将使答案发生变化。所以一定 要善于全面分析、综合协调、灵活处理，并富有想象力、洞察力、探索精神和创 新勇气，从而对各式各样的设计问题作出机敏的工程判断。而这些能力是要靠一 系列课程的

5、各个教学环节来综合培养的。本课程应该负担培养的部分，则是通过 前述全部教学环节来实现的，决不是单单课堂教学就能奏效。四、本课程的特点1.论述机械零 （部）件设计时的一般顺序及目的机械设计中 ,除第一篇“总论”是综合论述本课程的主要内容、性质、任务及一般机械设计的共性问题外 ,以后四篇都是分章论述常用的通用机械零 （部）件设计问题。各章内容的一般顺序是 :首先介绍零 （部）件的主要类型、构造、功能、材料、制法、标准、优缺点、适用场合等基本知识 ,以便对该章论述的零 （部）件有初步 的了解 ,从而为学习设计准备条件。然后论述工作情况、受力分析、应力状态、失 效形式、设计准则、设计方法与步骤、参数选

6、择原则、常用参考资料以及有关注 意事项等 ,以便初步掌握零 （部）件的设计理论与方法。最后给出释义例题 （包括典型 的工作图 ）,以便引向设计实践 ,并给出若干习题 ,以便试行运用所学的有关知识、设 计理论、设计方法及参考资料 ,进行初步的设计锻炼 ,从而加深与巩固所学的知识与 技能 ,进一步开发智力 ,提高设计能力。这样就为进行设计作业、课程设计和某些简 单的机械的设计 ,准备了必要的条件。2. 机械设计的繁杂性及其对策由于本课程研究对象和性质上的特点 ,决定了教材内容本身的繁杂性。只有对 这一点有较深的认识和充分的思想准备 ,才能在整个教学过程中加以正确的处理。 教材内容的繁杂性主要表现“

7、关系多、门类多、要求多、公式多、图形多、表格 多”。形成上述“六多”的主要原因是 :1） 由于本课程是建立在前述很多门先修课程的基础之上的 （即“血缘”很杂 ）, 因而必须和那些先修课程内容时时挂钩 ,紧密联系，才能把它们综合地运用来为机 械设计服务。这就形成了“关系多”的特点。因此在教学过程中，需要经常引导 学生回顾检查自己对各有关先修课程内容掌握的程度，并及时复习与深化有关的 内容，清除学习道路上的障碍，提高学习效率与质量。2）由于本课程要分门别类地选择一些典型的通用零 （部）件，分章论述 （实际上有 些章里还包含了几个独立的部分 ），而各种零 （部）件本身都包含着很多类型，所以 就形成了

8、“门类多”的特点。为此，教学时要引导学生从各种零件的工作性能和 适用场合等方面多作对比，从它们在机器中的功能、相互影响、装配关系等方面 多作分析，找出各零件间的关联；更要从设计理论及方法上找出各章之间的共性 和特性，要认真分析各个零件之间的内在联系，特别是要从中总结出某些普遍规 律，以便用来解决现在没有学到而将来可能遇到的新型零件的设计问题。所以， 绝对不应把一个个的零件孤立起来，否则就难免产生内容零碎杂乱的感觉。3）由于设计机械零件时，除了需要满足强度、刚度、耐久性、工艺性、体积、 质量、经济、安全、方便、美观等一系列一般要求外，有时还要满足绝缘、抗磁、 耐酸、防锈等特殊要求。对于部件还常会

9、提出更多的要求，这就形成了“要求多” 的特点。因此，教学时务必引导学生学会善于全面分析比较，权衡轻重，区别对 待。“要求多”是由于全面考虑、分别论述的结果，而对于具体的零 （部）件，则应该用“具体问题具体分析”的方法来处理。4）由于本课程是设计性课程，内容自应紧密围绕零 （部）件的设计问题。设计包括多方面的内容，但其主要部分通常是工作能力设计和结构设计，而工作能力设 计一般须进行某些计算 （如强度计算、刚度计算、寿命计算、热平衡计算等 ），这就形成了“公式多”的特点。因此，教学时务必引导学生学会彻底搞清公式的性质、 使用条件、符号意义及代入单位、计算结果的单位等，然后才能正确应用它们。 教材中

10、的公式，有解析性的、经验性的、半经验性的、定义性的等，其中有些是 在先修课程里学过的，有些则是新遇到的，还有的是只要求会用而不要求懂得其 理论根据和推导方法的 （如零件曲面接触应力的计算公式是引自弹性力学 ）。尽管公式很多，但除了一些定义性公式（如许用正应力0-= dim /S；标准直齿圆柱齿轮的 模数m=d /z等）应在理解的基础上记住外，其余公式只要求能正确使用而不必硬 记。5）由于本课程很多内容要用图形表达， 这就必然形成“图形多” 的特点。因此， 教学时务必引导学生把所有的插图一一看懂，并分清哪些是分析图，哪些是结构 图，哪些是示意图；哪些是定性的， 哪些是定量的；哪些图（曲线图）相当

11、于表格 （但 比表格直观，可以利用“引出线”直接查找数据而不需插算，只是精确性比用表 格差些 ）等等。这样虽然图形很多，也就不难对付了。6）由于设计性课程的教材需要附有为了阐明问题和作简单习题所必须的最基 本资料 （其余的则可查阅手册、图册、标准、规范等 ），这就形成了“表格多”的特 点。教学时务必引导学生弄清每个表格的适用场合及如何查用，并应注意一些表 格下方的“标注”，忽视了这点就会造成查用上的错误，甚至带来严重的后果。 还应注意观察与分析表中数据的变化情况 （递减还是递增，中间小还是两头小，原 因何在 ），这会有助于了解有关各量之间的相互影响及概略的变化规律。五、本课程要求的学习方法前面

12、已指出，本课程要起到“从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课 程，从基础课程过渡到专业课程”的作用，因而必须认清这个“过渡”对学习方 法提出的特殊要求。机械设计课程的学习方法 ,不仅和过去学习公共基础课时有根 本的差别 ,而且和学习理论力学、材料力学、机械原理等技术基础课时的方法也大 不相同。例如 :材料力学由于研究范围的不同 ,对于一个受有垂直集中载荷的简支梁 , 并不管梁上的载荷是哪个物体 （零件）传给它的 ,这个物体是怎样安装在梁上的 ,更不 要求设计或选择出两端所需的支承；机械原理研究一个机构时，只要求确定各个 构件的长度，并不要求确定构件的结构形状、材料、加工方法、强度、刚度、寿

13、命等。但是到了机械设计课，就得解决一系列的实际问题，直到每个零件能够有 效地完成其工作职能，并达到预期的工作寿命。因此，学习机械设计课程时，在 学习方法上就面临着一个新的转折点，如果仍旧沿用以前的学习方法，那就会轻 重倒置，不得要领。 因而如果在学习方法上“转折”得好，那就会事半功倍，迅 速提高联系实际分析问题与解决问题的能力。所以学习方法正确与否，是具有重 要意义的。怎样才能在学习方法上 “转折” 得好，关键在于是否真正摸清了这门课程的性 质。既然机械设计是一门实践性很强的设计性课程，那就应该除了努力学好课堂 教学内容外，还要认真学好各个实践性教学环节的内容，并注意把主要精力用于 钻研零件的

14、结构、选材、 制法、标准、规范、适用场合、工作情况、受力及应力 状态、失效形式及其机理、设计准则、设计方法与步骤，以及可能出现的问题与 对策上，而对公式的推导、经验数据的取得、某些曲线的来历等，只需作一般的 了解，不必反复深钻，以免偏离重点。譬如在学习过程中，在适当的时候到实验 室去亲手拆装一台较简单的机器或一个完整的部件 （例如减速器 ）,详细了解一下它 的构造、功能、机构、零件、材料、毛坯、加工、装配、润滑、密封、运转、维 护等，就会帮助学生较全面地了解这门课程，抓住较好的学习方法。教学时务必 告诉学生。最后，还要特别向学生提醒两点：一是必须明确， 设计决非只是计算，计算虽也重要，但它只是

15、为结构设计提供 一个基础，而零件、部件和机器的最后尺寸和形状，通常都是由结构设计取定的， 计算所得的数字 ,最后往往会被结构设计所修改。结构设计在设计工作量中一般占 较大比重，因而必须给予足够的重视。二是必须明白， 教材中给出的例题或某个零件的设计步骤及结果， 仅为表明如 何运用基础知识和经验资料去解决一个实际问题的范例，而不是唯一正确的答案或一切设计方法的终结；论述某个零件的设计方法和步骤，决非仅仅为了使学生 学会那个零件的设计，而是为了培养学生掌握这些“武器” ,从而具备设计各种有 关零件的能力。机械设计教案第一章 绪论一、本章的主要内容、特点及教学要求 本章主要内容是：机器的作用，组成机

16、器的基本要素（零件） ；零件的概括分 类；零件（局部）与机器 （总体 ）的关系；机械设计的主要内容及处理有关矛盾的原 则；本课程的内容、性质与任务。本章的特点是：它既是本课程的序幕，又是本课程的总纲。因而它的内容要 贯穿全课程的始末，并涉及本课程的前后关系。讲好绪论课对搞好该门课程的教 学工作是至关重要的 ,必须予以高度重视 ,做好充分准备 ,保证把绪论讲好 根据教育部 和我院制定的机械设计教学 大纲 ,本章的教学要求为 :1）明确机械设计在国民经济建设中的重要作用；2）弄清机械零件设计在机械设计中的地位；3）了解本课程的内容、性质、特点、与先修及后续课程之间的关系，以及相应的学习方法，从而对

17、整个课程获得一个鸟瞰。4）使学生对机械设计学科的发展前沿有所了解。总的来说，本章的教学要求就是要使学生搞清楚“为什么学？” 、“学什么？”和“如何学？”这三大问题，并树立起学好本课程的决心与信心。二、本章重点及难点本章重点，一是机器的主体及其基本组成要素和机械零件的分类， 机械零件（局 部）和机器（总体）的关系；二是本课程的内容性质与任务。本章难点是，除了掌握本章的基本内容之外，还应结合本课程的性质与特点， 积极探索具有针对性的学习方法。三、本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排 1 个学时。另外 ,在课外应再组织学生参观一些实际机械 如印刷厂的印刷机、切纸机、零件陈列室的实物模型等。

18、通过现场教学使学生从 感性上进一步了解本课程研究的对象和内容 ,体会学习本课程的目的 ,并进一步调 动他们学习本课程的兴趣和积极性 .第二章 机械及机械零件设计概要一、本章主要内容、特点及教学要求本章内容概括起来讲可分为两部分：第一部分是关于及其总体设计的概述，包括 2-1 、2-2 及2-3 三节。第二部 分是关于机械零件设计的概述，包括 2-4 及以后的各节。本章特点在于从机器设计的总体要求出发， 引出与机械零件设计有关的一些原 则性问题。这些问题，例如设计机器的一般程序、机械零件失效形式、零件的设 计要求、计算准则、设计方法、设计步骤及材料选择等，始终贯穿在本书以后的 各章中。在讲授本章

19、时，由于学生还没有接触到各个具体零件的设计内容，所以 不大容易较为深刻地掌握本章的内容，也无法和以后的各章建立联系。本章的教学要求：首先就是要从总体上建立起机器设计，尤其是机械零件设计的总括性的概念， 即从机器的总体要求出发，引出对机械零件的要求，根据零件的失效形式，拟定出设计准则，在选择出适用的材料后，按一定的步骤，用理论设计或经验设计的方法，设计出机械零件来。这个过程的系统性是很严密的。它对以后各章的学习都具有提纲挈领的作用。其次，要掌握对机器和机械零件的基本要求。这些要求不管列出多少条，从本质上讲却只有两条，第一是提高机器总体效益；第二是避免失效。第一条要求是相对的，随着科学技术的发展，

20、对总体效益的要求总是不 断变化的。第二条要求却是最基本的。即在达到设计寿命前的任何时候，对机器 和零件总是有避免失效的要求的。以上要求不可能一下子掌握， 因此要求在以后各章节的教学中， 不断的结合各 章的具体分析来逐步加深。二、本章重点及难点 本章重点是与机械零件设计有关的几节。本章的难点不在于各节的具体内容， 而在于对各节的内容要从总体上以及它们的相互联系上予以理解，了解各节之间 在逻辑上的相互关系。本章的难点还在于本章的内容非常原则而不具体，它的具 体化要在以后的各章中才能体现。1机器的组成（2-1 ） 本节概括的介绍了一部机器的组成情况。教学时要注意到，不管是机器的基 本组成部分，还是其

21、余部分，都包含有由机械零、部件构成的机械系统。即使在 今天高科技时代，高水平的机电一体化机器，其任何部分，包括控制系统在内， 也都离不开机械。这一点，一定要牢牢记住。2设计机器的一般程序（ 2-2 ） 本节从最一般的概念上介绍了一部机器的设计程序。必须说明，本课程并不 能负担起关于整部机器一般设计程序所涉及的所有问题的研究任务。机器的设计程序已成为一门新的专业课程。该章对机器的设计程序仅作一般的简略介绍，其 目的除了使学生对机器设计过程有一个总体概念以外，还在于着重说明零件和部件设计在整部机器中所占的地位及其重要性。本门课程主要服务于机器设计程序 中的技术设计阶段。让学生仔细地阅读教材第 7

22、页上“（三）技术设计阶段”的内 容。不可展开讲。3对机器的主要要求（ 2-3 ） 本节是为了能从其中引出对零件的基本要求而设的。对机器的要求在很大程 度上是要靠零件满足设计要求来保证的。4机械零件的主要失效形式（ 2-4 ）本节介绍的仅为零件失效形式的主要类型，是从完成零件技术功能的观点来 定义失效的，并不涉及社会经济分析问题。事实上，随着科学技术的进步，有时 有些机械零、部件甚至整部机器虽然没有出现教材中所列举的任何一种失效形式， 但由于它们已不能适应技术发展的需要而必须予以淘汰或报废。从广义上讲，这 也是一种失效形式。5设计机械零件时应满足的基本要求（ 2-5 ） 本节所提出的五项基本要求

23、中，避免在预定寿命期内失效的要求和结构工艺 性要求是最主要的；经济性和质量小得要求是不言而喻的；可靠性要求是随着机 器越来越复杂而 提出的新要求的。对于强度，要明确强度既与零件的断裂有关，也与零件的不允许的残余变形 有关。这和以后选择零件材料的极限应力有密切联系。对于刚度，要明确它涉及到的是零件的弹性变形，不能把它和残余变形相混淆。对于寿命，要注意主要制约寿命的技术因素是疲劳、腐蚀、和磨损。对于高温下工作的机器及其零部件，或者对于工程塑料零件，蠕边变形也是影响寿命的一个因素。本课程是讨论通用机械零件设计问题的，所以只列举了前三个因素。 结构工艺性要求是应给予足够重视的一个基本要求。要让学生正确

24、理解和掌 握结构工艺性的要求，必须熟悉从毛坯生产到最后使用的全过程的有关工艺知识。 此外，在机械设计工作中，从工作量上来说，处理结构工艺性的问题所花费的精 力也是相当可观的。学生在学习本课程时，工艺知识还不够全面，因而要特别强 调这一要求。6机械零件的计算准则（ 2-6 ） 强度、刚度、寿命及振动稳定性各准则，与先修的力学课程密切相关，比较 容易理解。关于零件的靠性，可以从不同的失效模型研究，得到不同的可靠度规律。本 章所述的指数规律，是在不具体考察零件失效的原因，而只从失效的表现来研究 零件的可靠性时所采用的规律。式（2-6是一个概括性很强的公式，随着失效率入的函数形式的不同，可以得到多种不

25、同的可靠度变化规律。对于它的理解应当是：a） 随着工作时间的延长，零件的可靠度 R总是逐渐降低的。这个概念是符合 于常识的。从数学上看，零件的失效率入总是一个正值。b） 失效率和可靠度之间既有严格区别又有相互联系， 失效率越高， 则在某一固定时刻的可靠度也就愈低。可靠度总是时间的函数，而失效率却既可以是时间的函数，也可以不是时间的函数而为某一常数。因此，说可靠度，必须同时指明工作寿命。两个零件的可靠度只有在同一寿命下才是可比的。两次失效件的平均工作时间（ MTBF ）通常是用统计的方法来确定的。7机械零件的设计方法（ 2-7 ）本节从设计方法的类比来讨论设计方法，而不是各种设计方法的具体细节内

26、 容。不同零件的设计方法有不同的不表现形式，这在以后各种零件设计的有关章 节中再行讨论。本节提出常规设计方法和现代设计方法两个大类别。不能误解为有了现代设 计方法，常规的设计方法就是过时了或不需要了。现代设计方法是在新的设计思 想以及有了现代的设计技术物质手段的条件下，由常规设计方法发展而来的，在 必要时用来弥补常规设计方法的不足，但它并不能完全取代常规设计方法，因为 现代设计方法本身是离不开常规设计方法的。例如优化设计方法中很多约束条件 就是要依靠常规设计方法来建立。所以要摆正这两种设计方法件的关系。学生们一般对理论设计方法易于接受，但对经验设计方法却往往不予重视。 经验设计“是很有效的设计

27、方法” 。所谓经验，总会随着社会的不断发展而不断 积累，经验并不总是陈旧的、过时的东西。相反，它恰恰是在理论还不成熟时， 用来解决各种问题的一种可靠的方法。后面各章中就有不少经验设计的内容，很 多经验数据也可以广义理解为经验设计的内容，从这一意义上来说，理论设计也 是离不开经验设计的。模型实验设计是在理论设计知识还不完备，原有的经验又不足以解决设计问 题时，人们获取新经验和发展新理论的一种设计方法。8机械零件设计的一般步骤（ 2-8 ）本节只勾划出零件设计步骤的一个轮廓。在实际运用时，由于所掌握的已知条件的多寡不同，它会有相当的灵活性。例如，有时可先做结构设计，然后根据计算准则进行必要的验算。

28、有时还可能要反复地进行若干步骤的工作。9机械零件材料的选用原则（ 2-9 ）由于后续各章将会对各种零件常用的材料作具体介绍。所以本节只重点说明 材料的选用原则。选用材料的前提是对材料性能（包括机械、物理和工艺性能） 以及经济性的全面了解。选用材料的基本方法，是在分析与总结已有的成功地使 用经验及选材不当的教训的基础上，结合对材料的了解，全面衡量，妥善取定。10 机械零件设计中的标准化（ 2-10 ）标准化是设计工作中的一个重要的内容，要在熟悉现行的各种有关标准的前 提下，在设计中运用和遵守标准。标准是人制订的，是为设计工作服务的。可以把各种设计标准分为两类：一类是在设计中可以灵活处理的，例如直

29、径 标准、长度标准等；另一类通常是要严格遵守的，例如螺纹尺寸标准、齿轮模数 标准等。虽然如此，在某些特定条件下，这类标准也可以不予遵守，例如在航空 航天工业中，由于部件的尺寸及质量的大小需要严格限制，也不乏采用非标准齿 轮模数的情况。三、本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排 2 学时。以课堂讲授和板书表达为主，注意条理化。第三章 机械零件的强度一、本章主要内容、特点及教学要求强度准则是最重要的设计准则。本章把各种零件强度计算的共性问题集中到 一起，略去零件的具体内容，而突出阐述强度设计计算的基本理论和方法。以后 各章中各种强度的计算方法从本质上来讲都是一样的。不同零件的强度计算公式

30、在形式上的不同，仅来源于零件本身的特殊性，以及设计工作中沿用的一些惯例， 而不是强度计算方法的原则有什么不同。本章的教学要求： 1了解疲劳曲线及极限应力曲线的来源、意义及用途，能从材料的几个基本机械性能（O0,os ,61）及零件的几何特性，绘制零件的极限应力简化线图。2 学会单项变应力时的强度计算方法，了解应力等效转化的概念。3了解疲劳损伤累计假说（ Miner 法则）的意义及其应用,认识到以应力和 以载荷计算的情况系数之间的联系及差别。4学会双向变应力时的强度校核方法。5会查用附录中的有关线图及数表。二、本章重点、难点及注意事项1 3-2 疲劳曲线内容 绝大多数通用零件都是在变应力下工作的

31、,因此,各式各样的疲劳破坏是通 用零件的主要失效形式。1 ）式（3-1 ）式描述疲劳曲线右侧（CD ）部分的一种公式。除该式以外，在 专门讨论疲劳强度的文献中还会看到其它形式的公式。但式（ 3-1 ）式有关公式中 形式最简单、参数最少（只有 m 和 C 两个）、又能满足工程计算的精确性要求， 并且应用起来最为方便的公式，所以在设计中应用最广泛。2）教材图3-3上No和Nd是两个不同的循环次数。No是人为规定得值，所 以在不同的文献中，其值常有差异。而 Nd是随着材料所固有的性质的不同，通过 实验来确定的一个常数。由于试验技术上的原因，各文献上对同一材料所介绍的 N D 值也往往有所不同。这主要

32、是因为试验条件及方法不同所致。在本节中，主要的是要知道 No和Nd在定义上是不同的，至于它们的具体数值，在以后各章节中用到时都会给出的。顺便提一下，对于中碳钢一类的材料， 在拉压、弯曲和扭转条件下，由于 Nd的值不很大，所以常常以Nd值作为No值, 即 N o=N D。2 3-2 极限应力线图 要得到疲劳强度计算时的极限应力线图，应当在各种不同应力循环特性 r 条 件下进行材料的疲劳试验， 先求出各不同的 r 时的疲劳曲线。 然后，根据这些不同 的疲劳曲线，得到很多个对应于不同循环特形式的材料的疲劳极限c rn。利用这些c rN才能在ca- Cm坐标上绘制出材料的极限应力线图。这是一条曲线，即图 3.1上ADB 曲线。可是要得到这一条曲线，需要耗费惊人的物力及时间。因此，人们提 出只利用很少的几个试验数据来近似地求得在工程应用上足够精确的极限应力曲