机械设计基础14章教案0223.docx

1、机械设计基础14章教案0223机械设计基础教案授课教师：*2014-2-24【教材版本】黄森彬主编，中等职业教育国家规划教材机械设计基础（机械类），第二版。北京：高等教育出版社，2008.【课程特点】该课程是一门承上启下的专业基础课，为后续专业课的学习奠定基础，也是一门理论与生产实际紧密相结合的课程。主要内容包括：常用机械传动的特点、参数和几何尺寸的计算；常用机构的组成和运动特点；通用机械零件的结构与选择等。教学目标是熟悉各种传动与机构的运动特征，正确选择机械零件的参数和几何尺寸。由于课程的内容已经从纯理论知识向理论与实践相结合过渡，因此教学中必须采取理论联系实际的教学方法，尽可能结合学生的生

2、活环境和所见所闻，把抽象的知识讲解得通俗易懂，达到理解掌握，并能应用于实际的目的。【课题编号】1绪论, 1.1【课题名称】绪论，机器的组成及基本要求【教学目标与要求】一、知识目标1.了解机器和机构、零件与构件的区别与联系。2.熟悉本课程所介绍的主要内容。3.掌握机器的组成及基本要求。二、能力目标1.能够运用基本概念分析机器的组成。2.能够判断已有的机器中，哪些是零件？哪些是构件？三、素质目标1.培养理论联系实际的学习方法和从实际出发思考问题的方法。2.了解学好本课程在生产中和后续课程中的作用。四、教学要求1.了解机器与机构、构件与零件之间的区别与联系。2.掌握机器的四大组成，能够分析出机器的各

3、个组成部分。【教学重点】1.分清各新名词的含义、联系与区别。2.能够应用所学的新概念来判断常见 组成机器的各个部分。【难点分析】1.理论联系实际进行教学是该课程的难点，不仅是教师还是学生都必须具有一定的生活或生产实际经验，才能深刻理解课程知识内含，把复杂的问题变得通俗易懂。2.教学设备有限，不能提供必要的教具、实物或多媒体现代教学手段，创造良好的教学环境。【分析学生】缺少实践知识，又不善于联系实际和思考是当前学生存在的共同问题，这给教学带来极大的困难。教学中应当培养学生努力联系生活实际和勤于思考动脑的学习习惯。【教学思路设计】以学生所能见到的常用机器入手，归纳总结出机器与机构、构件与零件的区别

4、和联系，并得出机器的四个组成部件。【教学安排】2学时（90分钟）一、介绍机械设计基础课程的特点该课程为机械类专业的一门专业基础课程，它是继制图，力学和工程材料之后的重要课程，为今后各专业的学习打好基础。本课程包含机械原理和机械零件两大部分，原理部分主要介绍组成机器的常用机构与传动，如自行车主要是靠链条传动和后轴内的棘轮棘爪机构所组成。它为分析现有的机器组成和今后设计新机器提供基础知识；零件部分主要介绍常用零件的结构、受力分析，失效原因及强度计算，为零件的设计提供科学依据。而专用零件的研究，如螺旋桨等内容不是本课程的范围。绪论二、机器与机构以自行车为例来讲课，举例应当是学生所见所闻，或者通过讲授

5、能够了解的，由浅入深归纳出机器与机构定义的含义。自行车（应在黑板上作出示意图）由脚踏板带动大链轮，由链条拉动后轮上的小链轮转动，大链轮、链条与小链轮组成链传动，把人的动力转化成后轮的转动，由于大链轮齿多，小链轮齿少，大链轮转动一圈，小链轮要转动好几圈，达到后轮快速向前转动的效果。为了使不蹬车时链条不转动、或下坡时后轮还能继续保持向前运动，在小链轮的内部安装了一个能做单向转动的飞轮。飞轮由内棘轮和两个棘爪组成，两个棘爪与后轮轴相固定，正常蹬车时，棘轮推动棘爪带动后轴转动；不蹬车时，后轮与棘爪一起滑过棘轮，自行车也能继续向前行走的。除了少数自行车选用橡胶齿形带代替链传动外，绝大部分自行车都是由这两

6、个机构所组成。电动自行车实际上是用电池驱动电动机作为动力，代替人的蹬车，摩托车是以内燃机为动力，两者都不用人的劳动，减轻了人的劳动强度。但效果都是一样的，把人送到所要去的地方。如图01所示的颚式破碎机，它是应用电动机的转动，把动力通过一对皮带传动和偏心轴的转动，带动动颚板绕C点左右摇动，挤压破碎机机架与动颚板之间的矿石，达到把矿石破碎成小块的目的。调整动颚板与机架之间的出口距离，可以改变破碎矿石的大小。把能实现预期运动和动力传递的多个实物组合称为机构，如自行车中的链传动和棘爪轮传动，颚式破碎机的带传动和偏心轮机构都称为机构，如02中的内燃机是由齿轮机构、凸轮机构和曲柄滑块机构所组成。一台机器可

7、以由一个机构组成，但更多的是由多个机构组合而成，但总称为机构。而当自行车配上电动机或内燃机成为电动自行车或摩托车时，实现了能量的转换，将电能或热量转换成机械能，有了能量转换的动力，称之为机器。所以严格定义上讲，自行车只能算是机构，而电动自行车与摩托车称为机器。机构与机器统称为机械。组成机构运动的单元称之为构件，如自行车轮是由车轴、辐条、车圈和轮胎所组成，完成一个转动的运动构件，而组成这些运动构件的最基本单元称为零件，它在生产中是一个一个制造出来的，然后再组装成一个运动的单元。本课程介绍常用的零件有：螺纹连接件、键、销、齿轮、蜗杆蜗轮、轴承、轴、皮带、链等。介绍常用机构有四杆机构，凸轮机构和间歇

8、运动机构等。三、本课程的研究对象、内容和任务本课程研究常用机构的组成、运动特点和运用，及常用机械零件的强度计算，保证满足使用条件下选择最小尺寸和最佳的截面形状。本课程研究内容是机械的组成和要求、机构的应用、零部件的结构与维护和综合实训。本课程的任务是使学生具备初步分析、使用和维护机械的能力，能够胜任生产第一线的设备操作和技术管理工作，并为后续课程的学习作基础。学习中一定要善于理论联系实际，从生活实际入手过渡到生产实际，要善于动脑思考，勤于动手实践。四、机器的组成无论是前面所提到的哪个一个机器，大致可以分为以下四个部分组成。即动力部分动力源。执行部分执行工作部分。传动部分动力与执行部分之间用于完

9、成运动和动力的传递和转换。通常为变速、变换运动形式、改变转矩及分配动力以满足执行部分的要求。也是本课程的研究内容。控制部分控制机器各部分工作。现有控制方法有机械、电气、电子、光波等，随着计算机的应用，信息处理系统也是控制部分的新内容。五、板书绪论一、机器与机构1、机器：是由多个人为实体组成的具有机械运动的装置，用以变换或传递能量、物料和信息。分类：1）、动力机器2）、工作机器3）、信息机器2、机构：是由多个实物组合，能实现预期运动和动力传递。区别：机构主要用来传递和变换运动；机器主要用来变换或传递能量、物料和信息。3、机械：机构与机器统称为机械。4、构件：组成机械各个相对运动的单元体称为构件。

10、 5、零件：机械不可拆的制造的单元体称为零件。分类：1）通用零件2）专用零件联系：构件可以是一个零件，也可是多个零件的组合体。二、机器的组成1、动力部分动力源。2、执行部分执行工作部分。3、传动部分动力与执行部分之间用于完成运动和动力的传递和转换。4、控制部分控制机器各部分工作。六、小结1. 本课程的特点是一门专业技术基础课程，对今后的学习和工作很有应用价值。学习中要努力联系实际。2. 要分清几个基本概念的区别与联系。3. 任何机器都是由四个部分组成的，传动部分的内容是研究重点。注意计算机应用对提高控制技术的推动作用，如用数控机床代替常用机床是实现机械自动化的必然趋势七、布置作业1. P3 0

11、2、32. P16 思考题 11、2【课题编号】21.2【课题名称】机构的组成及机构运动简图【教学目标与要求】一、知识目标1.了解平面机构、运动副及高副与低副的含义。2.熟悉机构的三大组成固定件、原动件和从动件。3.了解比例尺的选用及绘制机构运动简图的方法。二.能力目标1.会正确选用比例尺绘制机构运动简图。2.能分清各种运动副的类型及其作用。三.素质目标1.能看懂机构运动简图中各符号的含义，并分析机构的运动。2.培养学生认真、仔细、科学实事求是的工作作风。四.教学要求1.熟悉各种常用运动副符号的含义，能看懂机构运动简图。2.能绘制简单机械的机构运动简图，并分析机构的运动特点。【教学重点】3.高

12、副、低副与转动副、移动副的表示符号及运动特点。4.比例尺的选用方法及绘制机构运动简图。【难点分析】3.运动简图的绘制是本课的难点，学生不知从何处入手，注意提示学生抓住运动链的头与尾，即原动件和执行件，从原动件开始，按比例要求逐件绘制。4. 学生对比例尺的作用不太重视，要会选择合适的比例尺。运动副符号的表示一定按照国家规定的标准，使绘制的运动简图规范，以便阅读、交流和分析运动。【分析学生】1.学生不注意比例尺的作用，作出的简图各构件不成比例。图示长度和实际长度的转换关系容易忽视。2.作图中不用绘图工具，作出的图形不规范。教师要做好以身作则的示范作用，严格要求。【教学思路设计】联系实际讲授各种运动

13、副的应用，结合学生所能见到的机械归纳出机构的组成。结合简单机构实物或立体图，绘制运动简图，重点突出从哪里入手。【教学安排】2学时（90分钟）【教学过程】 $1-2机构的组成及机构运动简图平面机构所有构件都在互相平行的平面内运动的机构，如自行车的链传动和飞轮（棘轮机构）；图02中的齿轮机构等。空间机构不是平面机构的机构称为空间机构。工程中以平面机构为多。一、机构的组成1、运动副两构件直接接触并保持相对运动的连接。运动副实质是连接，按连接中相对运动的特点分为高副和低副。作用：1）传递力，2)限制两构件间的某些运动。分类：高副两构件的运动副是点或线接触。如车轮与轨道的接触，粉笔在黑板上写字。低副两构

14、件的运动副是面接触。按成平面接触或曲面接触的不同分为移动副和转动副两者。如板擦与黑板的面接触为移动副，门与门框连接折页的圆曲面为的转动副。2、机构的组成机构是由构件和运动副组成的，构件按运动性质可分为三类：1）固定件固定不动，起支承作用。每个机构必有一个固定件，常称为机架。2）原动件机构中最先运动的构件，它的运动是由外界提供的。如自行车大链轮为原动件，它的运动是由人力提供的；汽车的内燃机为原动件。3）从动件随原动件而运动的构件，如链条、动颚板。完成工作动作的从动件又称执行件，如自行车车轮；动颚板；电风扇的扇叶片。二、平面机构运动简图在分析机器的运动时，可以不必考虑机器的实际机构、构件的形状和大

15、小，只需用一些简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按一定的比例关系画出各种运动副的相对位置的图形称为机构运动简图。简图能够清楚表达机构的运动关系，把复杂的机器简单化，为分析运动提供很好的帮助，很有实用价值。1.各种运动副常用符号见表11。2.比例尺 由于图纸的大小有限，不可能1：1地将实物绘在图纸上，一定要选用适当的比例尺绘图，如构件的实际尺寸为400，在图纸上只用100长度表示，则比例尺表示为u实际尺寸/图示尺寸400/1004/，即图示1表示实际尺寸4。3.绘制机构运动简图的步骤1）确定构件数2）找运动副类型及数目3）测各杆长度及运动副位置4）选比例尺5）绘制简图图示15所示，AB

16、、BC杆件实际是弯的，但在简图中可以画成直线，只要运动关系表达清楚就可以。作图01颚式破碎机的运动简图时，要特别注意A、B两点的关系，A点是偏心轴的转动中心，AB组成曲柄关系，B点绕A点作整周转动，AB是机架，CD肘板绕D点摆动。该简图的比例尺可以选用 u1/效果较为直观。三、小结1.作简图时要先观察机构的运动特点，确定构件数，找出运动副的类型和数目，测量杆件的实际尺寸，再选择适当的比例尺，最后绘制简图。2.运动副的类型按两构件之间的接触状态分为高副点、线接触，低副面接触，而面接触按曲面和平面又分为转动副和移动副两种。3.应熟记常用运动副的符号四、布置作业1.P16 思考题 12、3、42.绘

17、制家用折叠椅、折叠桌、折叠床等家具的简图。【课题编号】31.3【课题名称】机械零件的强度与摩擦、磨损和润滑【教学目标与要求】一、知识目标1.了解载荷和应力的分类。2.了解机械强度的种类。3.了解摩擦的分类及特点。4.了解零件磨损的三个阶段及磨损的分类。5.了解零件润滑的三种状态及形成流体动力润滑的必有条件。二、能力目标1.能分析构件受载荷时的应力状态。2.能应用磨损过程的理论延长零件的使用寿命。3.能够应用流体动力润滑的理论创建零件形成流体动力润滑的必要条件。三、素质目标1.能够应用强度条件来判断零件的失效原因。2.了解摩擦磨损的关系，掌握延长零件使用寿命的润滑方法。四、教学要求1.能分清变载

18、荷引起的应力类型，能计算应力作用下零件的强度。2.能够分清摩擦及磨损的类型，了解形成流体动力润滑的必要条件。【教学重点】1.变应力的种类，失效的含义。2.零件不会失效的强度条件。3.磨损的三个阶段和形成流体动力润滑的条件【难点分析】1.摩擦的分类及点蚀的形成机理。2.流体动力润滑的形成过程。【分析学生】1.学生对变应力的分类理解会有难度，应举例说明。2.边界摩擦的定义不易理解，注意例举生活中通俗易懂的示例。3.流体动力润滑的形成过程，特别是转轴的右漂和左漂移，更有一定的难度。该种润滑状态是自我形成的，不是靠外界供给油压才把轴与轴承隔开。【教学思路设计】1. 应力的分类先举例后分类。2. 边界摩

19、擦中边界膜的形成是靠金属表面吸附润滑剂，只能形成极薄的一层膜，摩擦状态比干摩擦好，但没有得到根本改善，如洗手盆吸附一层油膜一样。3. 流体动力润滑的形成要突出油揳与具有一定运动速度的两个条件，注意轴的旋向一定要使油液大口进、小口出，才能形成油压将轴抬起来。【教学安排】2学时（90分钟）【教学过程】一、机械零件的强度机械零件的截面形状和大小是怎么确定的呢？不仅与零件的材料有关，还与所受的外载荷大小与性质有关，设计时用强度指标来衡量零件能否满足承载的能力。1.载荷和应力。载荷是施加在零件上的力与力矩的统称。按载荷的特点分为不随时间变化的载荷为静载荷，如桥梁自重；而随时间变化的载荷称为变载荷，如汽车

20、经过桥梁时，桥梁受到的载荷发生变化。设计时，考虑到各种变化的因素对零件造成冲击和振动都会影响到零件的寿命，所以用载荷系数K来修正名义载荷F的大小。即 FC=KF K值取大于1的值，FC 为计算载荷。在外力的作用下，零件产生内应力，按应力的特性分为静应力和变应力，而变应力的大小与变化性质可分为三种状态，如图16所示。1）对称循环变应力，如火车车厢下的转动轮轴，受重物作用下产生弯曲，而该轴又不停地转动，弯曲的方向随转动而发生周期性变化，轴受到的应力呈对称循环变化应力。2）脉动循环变应力，如自行车的前后轴固定在车架上，在平的路面上，轴只受到人的载荷作用，可视为静载荷，但经过高低不平的坑凹路面时，由于

21、颠簸振动冲击,轴受到了脉动循环的变应力作用。再如轧钢机轧制钢材时，当钢坯经过轧辊时受到脉动循环应力的作用。3）静应力，如图17中的钢丝绳。2. 机械零件的强度失效机械零件丧失工作能力或达不到所要求的性能。失效不是人们常说零件坏了不能用，如手表走时的精确度定为5秒，如果现有手表每天误差10秒，它的精确度已经超过的5秒，称之为失效，但是手表还能计时，只是误差过大。零件的失效形式有多种多样，即使同一零件，也有几种不同的失效形式。常用强度准则来作为设计计算零件的依据，判定零件是否失效的条件。1）体积强度零件受载时，应力产生在体积内。分为静应力作用的强度和变应力长期作用下的疲劳强度。（1）静应力作用的强

22、度失效形式：是塑性变形或断裂。静强度的计算公式为： 为许用应力。凡是许用值，均以中括号加以标注。为安全系数，可查相关材料。（2）零件的疲劳强度失效形式：是疲劳断裂。疲劳强度计算公式为： 值要按变应力状态对轴的作用分别取或，为计算安全系数。零件的疲劳过程可分为三个阶段：初始裂纹裂纹扩展超过临界尺寸发生瞬时断裂。2）表面强度应力只产生在较浅的表层内。分为表面接触应力和挤压应力。（1）表面接触强度失效形式：是表面疲劳点蚀高副连接的点线接触，如齿轮、凸轮、滚动轴承的接触表面，其局部变形处产生很大的接触应力，如图19所示，计算公式为： （2）表面挤压强度失效形式：对于塑性材料产生表面塑性变形，对于脆性材

23、料产生表面压溃。如图110所示的链连接，键与轴和轮毂之间产生表面的挤压应力。其计算公式为： 二、摩擦、磨损和润滑摩擦是自然界存在的现象，是不可能消失的。摩擦使相对运动表面产生发热、磨损，消耗能源和材料，但是也可以利用摩擦为人们所用，如交通运输机械的刹车制动器；机床的摩擦片离合器都是应用摩擦的实例。静摩擦两物体无相对运动1 摩擦 滚动摩擦两相对运动表面被滚动体隔开动摩擦 干摩擦无润滑剂 边界摩擦吸附一层极薄的润滑膜 滑动摩擦 流体摩擦摩擦表面被油完全隔离开 混合摩擦边界与局部流体摩擦共存2 .磨损1）磨损过程由磨合、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段组成。如图112所示，在磨合阶段后，如汽车的磨合阶段定

24、为1000千米，之后一定要清洗零件，更换润滑油，保持润滑油的干净，避免出现磨粒磨损。稳定磨损阶段的长短决定了零件的使用寿命，定期维护检测是保证稳定磨损的根本措施。 磨粒磨损摩擦表面的凸起或磨粒的磨削造成 粘着磨损干摩擦、超载造成发热粘结，断裂再粘结2）磨损 疲劳磨损高接触应力作用产生表面裂纹，有润滑油渗入，在高压力下使裂纹扩展,表面裂纹剥落，称点蚀 腐蚀磨损摩擦表面发生化学或电化学反应的腐蚀3. 润滑摩擦表面在润滑剂的作用下形成润滑膜，减少摩擦磨损，还可以起到缓冲、吸振的作用，延长零件的使用寿命。工程上，为了避免干摩擦，希望至少保证边界润滑或混合润滑状态，而建立流体润滑是最理想的状态。 流体静

25、力润滑靠外部供给压力油 流体润滑运动表面被足够厚的 油膜完全隔开 流体动力润滑靠运动表面自身产生压力，将轴抬起。形成条件：1)两摩擦面有一定的相对运动速度2）顺着相对运动速度方向，油层必须成楔形3）足够的润滑油，润滑 边界润滑运动表面处处被油膜隔开 混合润滑流体与边界润滑的混合状态三、小结4.强度是衡量零件工作能力的设计准则。疲劳强度、接触强度和挤压强度为最常用。5.摩擦是相对运动表面所无法克服的，常见的摩擦状态是混合摩擦。流体摩擦状态最为理想，可以实现无磨损，延长零件的使用寿命。6.做好零件的定期维护和润滑，使零件处于流体润滑状态，可以大大减少磨损，延长零件的使用寿命7.流体动力润滑状态必须

26、满足三个条件，在修刮轴套时，应当注意刮刀的刮削方向，以保证轴在旋转方向能形成油楔效应四、布置作业3.P16 思考题 17、8、94.P16 练习题 13【课题编号】42.1【课题名称】键连接、花键连接、销连接【教学目标与要求】一、知识目标1.了解键连接的功用、类型与应用。2.能够正确选用平键连接的尺寸及公差。3.了解花键连接和销连接的特点。二、能力目标能够根据轴径的尺寸正确选择键的尺寸和公差。三、素质目标培养认真、严谨、仔细的工作作风，能够准确查找国家标准，选择正确的数值。四、教学要求1.会选择普通平键的类型，熟悉导向平键、半圆键和楔键连接的应用场合。2.能够正确查阅国家标准，按照轴的直径大小

27、找到相对应的键的尺寸和极限偏差。能作平键连接的强度校核。3.了解花键和销连接的特点及应用场合。【教学重点】会正确使用国家标准查阅键的尺寸及偏差。【难点分析】1.轴上键槽的加工方法。2.平键的键槽极限偏差的确定。【分析学生】1.由于缺少实习环节,学生对键槽加工方法可能不易理解，可用参观或使用视频教学弥补。2.键槽极限偏差标准的选用可能容易出现错误，应看重讲解。公称直径尺寸在标准中上下两行均有的数值，如22、38等应取上行的数值。【教学思路设计】1. 从轴与轴上零件的连接入手，分析三种连接的特点。以普通平键作为重点来讲授。2. 查阅表格选择键的尺寸和公差要反复练习，并把标注尺寸和公差练习作为重点。

28、3. 花键和销连接只作比较。【教学安排】2学时（90分钟）【教学过程】 连接轴与轴上的零件一起并传递动力的方法很多，常用连接可分为不可拆连接，如焊接、粘接、铆接；可拆连接，如键、销、螺纹连接。可拆连接不损坏被连接件，应用较广。一、键连接功用：起周向连接作用，并能作轴向固定，有的可使零件在轴上移动。1.平键连接 靠键的两侧面与轴和轮毂相接触，传递扭矩和挤压力，两侧面为工作面，连接时必须紧贴，不得有间隙。而键的下面与轴槽接触，键的上面与轮毂的键槽必须留有间隙。由于轴与轮毂同心，对中心好，传动时轴上零件不会产生偏摆振动，所以应用较普遍。1）普通平键连接 如图22所示，按键端形状分为A、B、C三种，以

29、A型应用较多，A、C型的轴上键槽用立铣刀加工，B型轴的键槽用圆盘铣刀加工。轮毂上的键槽都是由插床加工的。如果键的高度比标准值小，即成为薄型平键，但应用不多。2）导向平键 键较长，必须用螺钉固定在轴上，轴上零件可沿轴向移动，如图23所示。2. 半圆键 键的形状呈半圆月牙形而得名，主要用于轴端的零件连接，如图24所示。3 .楔键连接 其键的上表面有1：100的斜度，与轮毂连接时，上下表面与轮毂和轴紧贴相连接，用于传递动力。安装时要用力将楔键打入键槽中。由于受径向力的作用，轴与轮毂的对中性差，转动时会产生偏心引起振动，所以楔键连接常用于对中性要求不高的重型机械，如矿山、冶金等，如图26所示。两个楔键

30、可组成切向键，效果更好。 二、平键连接的选用1）根据键连接的工作要求和使用特点，选择键连接的类型。2）按照轴的公称直径，查找标准就能确定键的宽度和高度。3）键长比轮毂处的宽度短510即可，但要符合标准中L系列的值。具体步骤如下：选型按直d查表定bh和L强度校核标注键连接的轴和毂槽的公差。应当注意两点，一是表中d值如果在上下行都出现，应取上一行的bh。二是深度极限偏值的计算，如直径为44，应取键的尺寸为1218，轴槽的深度为，轮毂上的键深尺寸为。标注轴上键深时应当是44-（），轮毂的键深应是44+，也就是说一定要保证键的顶面与轮毂之间留有间隙。强度校核只要满足挤压应力小于材料许用应力值即可：如果不满足条件，可以增加键长或采用其他键的连接。可参考例题21，式中L值为键与轮毂两侧面的实际接触长度，对A型键。三、花键连接花键连接是多个键的组合，且直接在轴上做出键，与普通平键相比，其优点是传递扭矩大，轴与轮的对中性好，适用于齿轮在轴上的滑动，如汽车与机床的变速箱都采用花键连接。花键轴是在花键铣床上加工的，而花键孔是用于拉刀在拉床上加工而成。花键轴截面的花键齿廓有矩形和渐开线两种，矩形花键应用较多