机械工程设计单元教学设计教案.docx

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机械工程设计单元教学设计教案

教案与讲稿

课程：

机械工程设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

平面连杆机构概述四杆机构的基本形式及其演化

教学目的

与要求

了解平面连杆机构的组成、特点及其应用

掌握铰链四杆机构类型判断的方法

教

学

重点

各类四杆机构的特点及其应用

难点

四杆机构的演化

教具

各类型的平面连杆机构

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●概述

平面连杆机构：

各构件通过低副连接，其均在同一平面内运动的机构

平面连杆机构的特点

优点：

1）低副联接为面接触，压强小，易润滑磨损小

2）易制造，且加工精度较高

3）能实现各种运动的转换和得到多种运动轨迹和运动规律

缺点：

1）由于低副联接产生的间隙，使机构运动规精度不高

2）工作中有冲击，产生一定的噪声和振动

●四杆机构的基本形式及其演化

一、平面四杆机构的基本形式

铰链四杆机构的组成：

机架（固定不但的构件4）→连杆（与机架不相连

的构件2）→连架杆（与机架相连的构件）

铰链四杆机构的类型：

1．曲柄摇杆机构：

两连架杆之一为曲柄，另一为摇杆（实例分析→图5-2、5-3）

2．双曲柄机构：

两连架杆均为曲柄（实例分析→图5-4、5-5、5-6）

3．双摇杆机构：

两连架杆均为摇杆（实例分析→图5-8、）

二、四杆机构的演化形式

1．曲柄滑块机构：

当曲柄摇杆机构中的摇杆长度趋于无穷大时其C点的轨迹为直线→曲柄摇杆机构转化为曲柄滑块机构

注意：

偏置曲柄滑块机构中AB杆为曲柄的条件是

l1=e≤l2

*由运动副的复习引出低副机构→平面连杆机构

*提问：

请同学们试举几个生活与工程中的四杆机构的实例

*注意分析各类四杆机构的运动传递关系和各构件的动作

*注意四杆机构演化为滑块机构的过程分析（不要求掌握）

实例分析：

图5-4曲柄滑块机构的应用2．导杆机构：

曲柄滑块机构中的构件1做机架→导杆机构

实例分析：

图5-11导杆机构

的应用

3．摇杆机构：

曲柄滑块机构中

的构件2做机架

→摇块机构

实例分析：

图5-12摇块机构的应用

4．定块机构：

曲柄滑块机构中的构件3做机架→定块机构

实例分析：

图5-13定块机构的应用

摇块机构定块机构

*注意各类滑块机构的运动分析与各构件的动作分析

*小结讨论题：

四杆机构的类型有哪几种？

它们各自的特点是什么？

（由老师以小结的方式指导学生完成）

课后作业

5-1，5-6

教案与讲稿

课程：

机械工程设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念

教学目的

与要求

掌握四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念，能正确分析判断各类型的四杆机构

理解四杆机构的基本特性及其应用

教

学

重点

四杆机构的基本特性，曲柄存在的条件

难点

机构极限位置、死点位置，传动角、压力角的分析

教具

四杆机构的教具和挂图

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念

一、铰链四杆机构存在曲柄的条件

1．整转副存在的条件→杆长和条件：

lmax+lmin=l2+l3

2．曲柄存在的条件：

1）机构满足杆长和条件

2）连架杆和机架中必有一杆为最短杆

3．铰链四杆机构基本类型的判别方法

例题分析：

习题5-7

二、平面四杆机构的运动特性

1．平面连杆机构的极限位置与极位夹角

极限位置（极位）：

连杆与曲柄的两

次共线位置

极位夹角θ：

曲柄对应两极限位置

所夹的锐角

2．平面连杆机构的急回特性

工作行程：

从动件由C1→C2，曲柄转过φ1，从动件C点运动的速度为v1

空回行程：

从动件由C2→C1，曲柄转过φ2，从动件C点运动的速度为v2

因曲柄匀速转动，故有v2>v1→即空回行程快于工作行程→急回特性

3．行程速比系数K：

度量急回特性程度的物理量

或转换成

各类机构的急回特性分析

*课前提问：

（在黑板上随意画出两个四杆机构）你能判断该机构是属于哪种类型的四杆机构？

若不能判断请说明原因。

由此引出四杆机构曲柄存在的条件和判断方法

*画出几个四杆机构，让同学们分析其属于哪一类四杆机构

*通过习题5-7的分析要求学生掌握四杆机构类型的判断方法

*通过四杆机构极限位置与极位夹角的分析引导学生完成导杆机构的极限位置与极位夹角的分析

*对行程速比系数的公式只做简单的推导，重点在分析各类机构的急回特性，特别是牛头刨床和摆动导杆机构急回特性的分析

三、平面四杆机构的传力性能

1．压力角与传动角

有效分力：

有害分力：

压力角α：

从动件受力方向与受力

点速度方向所夹锐角

传动角γ：

连杆与从动件之间所

夹锐角

压力角与传动角的关系：

压力角与传动角的物理意义：

α与γ是度量连杆机构传力性能的物理量，α小（γ大），有效分力大，机构的传力性能好，反之则差。

最小传动角的分析：

对于四杆机构，最小传动角出现在曲柄与机架两次共线位置之一。

工程中，为保证机构的传力性能，应使

2．止点位置（死点位置）：

机构中，当γ=0（或α=90·）时，从动件受力点的受力方向与该点运动方向垂直，其有效分力为零，机构的该位置即为止点位置（机构处于停顿位置）

注意：

1）当曲柄为主动件时，机构不存在止点位置

2）机构的止点位置出现在机构的两个极限位置

止点位置的利用止点位置的克服

3．自锁现象：

在摩擦力作用下，无论驱动力多大，都不能使原来不动的机构产生运动的现象

*重点分析压力角与传动角的关系及其物理意义，对最小传动角作一简单介绍（引导学生分析摆动导杆机构的压力角与传动角）

*提问：

摆动导杆机构当以曲柄为主动件时，其压力角有什么特性？

*在给出止点位置的同时，启发学生自己分析死点位置出现在机构什么运动位置，并提问：

当曲柄为原动件时，机构会出现死点位置吗？

→给出注意的问题

*通过图讲解死点位置的利用与克服

*注意讲解自锁现象与死点的区别

课后作业

5-2，5-3，5-4，5-6

教案与讲稿

课程：

机械工程计基础2010—2011学年上学期

教学课题

凸轮机构的组成、特点及其应用从动件常用运动规律

教学目的

与要求

熟悉凸轮机构的类型，了解凸轮机构的特点及应用

领会从动件常用的三种运动规律，能正确绘制该三种运动规律的位移线图

教

学

重点

凸轮机构的特点、应用，三种位移线图的绘制

难点

凸轮机构的运动特性分析

教具

凸轮机构

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●凸轮机构概述

一、凸轮机构的应用和特点

1．凸轮机构的组成：

凸轮、从动件和机架→高副机构→机构运动简图

实例分析：

1）内燃机配气机构（图6-1）

2）自动车床中的凸轮机构（图6-2）

3）缝纫机拉线机构，补鞋机中的凸轮机构

2．凸轮机构的特点

优点：

能实现从动件的各种预期的、复杂的运动规律；结构简单、紧凑，工作较可靠，应用广泛。

缺点：

高副接触，不易润滑，易磨损；凸轮加工成本高。

二、凸轮机构的分类

按凸轮形状分类→盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮机构

按从动件形式分类→尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件凸轮机构

按锁合方式分类→力锁合、形锁合凸轮机构

●从动件常用运动规律简介

一、凸轮机构的工作过程

1．凸轮机构的工作过程：

凸轮转动（一般为匀速转动）→实现从动件：

升→停→降→停的运动循环

注意：

凸轮机构工作中，其从

动件升、降的动作必有，

而停可以没有

2．几个基本概念

基圆：

以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆

升程→推称运动角δ0→行程h（从动件的最大位移）

远停程→远停程角δs

回程→回程角δ0/

近停程→近停程角δs/

*由挂图讲明凸轮机构的组成与工作原理

*由图6-3、6-4、6-5讲解凸轮机构的分类以及各类凸轮机构的具体名称的确定方法

*通过凸轮机构演示其工作过程和工作特性

*利用挂图，以凸轮的一个运动周期讲明概念

3．运动线图

位移曲线：

表明从动件位移与时间的关系的曲线（s－δ（t）曲线）

速度曲线：

表明从动件速度与时间的关系的曲线（v－δ（t）曲线）

加速度曲线：

表明从动件加速度与时间的关系的曲线（a－δ（t）曲线）

二、从动件常用运动规律简介

●图解法设计盘形凸轮轮廓简介

一、图解法的原理

机构运动的相对性→反转法原理→给整个

机构一公共角速度ω（各构件的相对运动

不变）→凸轮固定不动，从动件与机架以

－ω相对凸轮转动→从动件尖底的运动轨

迹即为凸轮的轮廓曲线

二、直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计

1．对心式尖底从动件盘形凸轮轮廓设计

设计步骤：

选定比例尺→画运动位移曲线→画基圆→等分基圆与位移线图→根据反转法，在各自的等分线上切取相应的位移长度的一系列点→依次连接各点→凸轮轮廓曲线（详细步骤见教材图6-10）

注意的问题：

1）从动件反转的方向不能搞错

2）基圆上的等分点一定要与位移线图上的等分点一一对应

2．滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计

设计步骤：

1）按运动线图作尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线→理论轮廓曲线

2）以理论轮廓曲线为滚子圆的圆心作一系列滚子圆→滚子圆的内包络曲线即为滚子从动件盘形凸轮轮廓轮廓曲线

注意的问题：

1）凸轮的基圆为理论轮廓曲线的基圆

2）实际轮廓曲线与理论轮廓曲线法线距离始终相等，但不是两轮廓线各出处相距滚子半径

*注意分析等速运动和等加等减的个运动线图的特性和各自发生冲击的类型和位置以及介绍消除冲击的方法（在此简单介绍简谐运动规律）

*在黑板上图示各运动线图的画法

课后作业

自习章节后的思考题，6-8

教案与讲稿

课程：

机械设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

其它常用机构

教学目的

与要求

了解螺旋机构、棘轮机构和槽轮机构的组成、工作原理、运动特点和应用

教

学

重点

各间歇运动机构的工作原理及其应用

难点

各类机构的运动分析

教具

间歇运动机构

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●螺旋机构

一、螺纹的基本知识与螺旋机构概述

1．螺纹的基本知识

螺纹的形成→旋向（左旋、右旋）→主要参数→类型及应用

2．螺旋机构概述

螺旋机构的组成：

螺杆、螺母和机架

螺旋机构的工作原理：

螺杆的转动（或螺母的移动）转换为螺母的一动（或螺杆的转动+移动）

螺旋机构的分类：

滑动螺旋机构、滚动螺旋机构和静压螺旋机构（本节字讲滑动螺旋机构）

螺旋机构的特点：

（优点）结构简单、传动连续平稳，有较大的传动比且承载能力强，传递运动准确，具有自锁功能；（缺点）低副联接面接触→摩擦损耗大传动效率低

二、螺旋机构的传动效率与自锁

1．传动效率：

，其中

2．自锁条件：

注意：

越大，

越高；

越大，

越低；具有自锁性能的螺旋机构其效率低（

）

三、滑动螺旋机构

1．单螺旋机构：

螺杆、螺母移动方向的判定（左、右手法则）→移动速度

2．双螺旋机构：

组成→类型

差动螺旋机构：

两螺旋副的螺纹旋向相同→若l1>l2，则移动螺母相对机架的位移为

→常用于微调装置→实例分析

复式螺旋机构：

两螺旋副的螺纹旋向相反→移动螺母相对机架的位移为

→常用于快速移动和调整的装置→实例分析

●棘轮机构

一、棘轮机构的工作原理和类型

棘轮机构的组成：

棘轮、棘爪、摇杆和机架

工作原理：

摇杆摆动时，摇杆上的主动棘爪进入棘轮的棘槽中，推动棘轮转动；摇杆反向摆动时，主动棘爪在棘轮齿背上滑动，止退棘爪卡住棘轮使之不动，使棘轮作时动时停的间歇运动

棘轮机构的类型：

齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构

*开关水龙头引出螺旋机构，并要求学生举出几个生活与工程中的螺旋机构

*对螺纹的基本知识作简单介绍，着重讲解螺纹旋向的判定和螺距、导程、螺旋升角等概念

*由力学的自锁条件引出螺旋机构的自锁性能和自锁条件

*注意讲解各种类型的螺旋机构的特点、应用

二、棘轮转角大小的调节方法

改变曲柄的长度→用覆盖罩调节转角→用双动棘爪调节机构转角

三、齿式棘轮机构的特点及应用

特点：

结构简单、制造方便、运动可靠，可根据需要调节棘轮转角，能实现送进、制动和超越运动；但机构传递动力能力小启动时有冲击和噪声

棘轮机构的应用：

间歇进给式输送（牛头刨床进给机构，浇注式流水线进给装置）→超越运动与超越离合器（图7-6内啮合棘轮机构的超越性能）

四、摩擦式棘轮机构简介

机构的组成→工作原理→机构的特点及其应用

●槽轮机构

一、槽轮机构的组成和工作原理

槽轮机构的组成：

主动拨盘、从动槽轮与机架

工作原理：

当主动拨盘匀速转动时，连于其上的圆销进入槽轮的的径向槽中驱使槽轮运动；脱离槽轮的径向槽则槽轮不动。

槽轮机构的类型：

外槽轮机构、内槽轮机构

槽轮转角与拨销、槽数的关系：

槽轮每次转角

一个运动周期槽轮转动的次数为拨销数k

注意：

1）槽数Z应大于等于3

2）外槽轮机构k=1～5，内槽轮机构，k只能取1

二、槽轮机构的特点和应用

特点：

结构简单、工作可靠，槽轮起动和停止时运动比较平稳；但当Z与k确定后，槽轮的转角大小不能随意调节

应用：

放映机卷片机构、自动传送装置

*通过棘轮与槽轮机构的教具的运动过程讲解这两类机构，重点讲明机构的特点和应用

课后作业

自习章节后的思考题，7-5

教案与讲稿

课程：

机械工程设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

带传动的组成、类型、特点及应用带传动的受力分析带传动的弹性滑动及传动比

教学目的

与要求

对带传动的类型、特点及应用作一般了解

通过对带传动的受力与应力分析，理解带传动的失效形式，明确弹性滑动与打滑的概念

教

学

重点

带传动的受力分析带传动的弹性滑动及传动比

难点

受力分析、弹性滑动机理分析

教具

挂图

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●带传动的组成、类型、特点及应用

一、带传动的组成及其工作原理

组成：

主动带轮、从动带轮、挠性带和机架组成带传动

工作原理：

带传动工作时依靠张紧在带轮上的传动带与带轮间的摩擦力来传递运动与动力

二、带传动的主要类型

1．摩擦带传动

平带传动：

带为卷带，可任意截取，带内表面为工作面，承载能力不够高

V带传动：

带为圈带无接头，带两侧面为工作面，承载能力强，一般为平带的3倍

多楔带传动：

多根平带与V带的组合，具有V带的特点

圆带传动：

承载能力低，常用于小功率的运动传递

2．啮合带传动简介：

同步带传动→齿孔带传动

三、带传动的特点及应用（P171）

●带传动的受力分析与应力分析

一、带传动的受力分析

初拉力F0：

带静止时带轮两边带中承受的拉力

紧边拉力F1：

带传动工作时在摩擦力的作用下

绕入主动轮一边的带被拉紧，拉

力由F0增大到F1，称为紧边拉力

松边拉力F2：

绕出主动轮一端的带被放松，拉力

有F0减至为F2，称为松边拉力

有效圆周力：

Fe=F1-F2（注意：

带传动摩擦力的总和与有效圆周力永远保持相等。

其有效拉力由工作机的阻力所确定，而摩擦力由带传动本身的因素决定，与带传动的弹性滑动有关）

有效圆周力的欧拉公式：

由上式可知，带所传递的圆周力F与下列因素有关：

1）初拉力F0（初拉力F0愈大，有效拉力F就愈大，所以安装带时，要保持一定的初拉力。

但F0过大，会加大带的磨损，致使带过快的松弛，缩短其工作寿命）

2）摩擦因数f（摩擦因数f愈大，摩擦力也愈大，所能传递的圆周力F就愈大。

V带的fv=f/sin20°≈3f，所以传递能力高于平带）

3）包角（F随包角α的增大而增大。

增大包角会使整个接触弧上的摩擦力的总和增加，从而提高传动能力。

水平装置的带传动通常将松边放置在上边以增大包角。

由于大带轮的包角大于小带轮的包角打滑会首先在小带轮上发生，所以只需考虑小带轮的包角1。

一般要求≥120°）

*由设计课题引出带传动，并说明带传动一般置于高速级

*简单分析带传动的类型，重点讲解V带传动

*带传动的特点以讲解为主，不写板书

*带传动的受力分析部分，注意讲明初拉力、紧边、松边拉力的概念与判断，对各类力的定量分析只做简单介绍

*由欧拉公式认真分析有效圆周力与哪些因素有关

二、带传动的应力分析

1．拉应力

F1产生的应力

F2产生的应力

2．离心拉应力

q为单位长度的质量（kg/m）。

注意高速传动时宜采用轻质带，以利于减小离心拉应力。

3．弯曲应力

4．最大的拉应力σmax=σ1+σc+σb1（最大拉应力发生在紧边入主动轮处）

三、带传动的弹性滑动：

由于带的弹性变形而产生的带与带轮间的滑动称为弹性滑动

传动带是弹性体→带由紧边绕过主动轮进入松边时，带的拉力逐渐降低，其弹性变形量也逐渐缩短→带运动滞后于轮使v带v轮2

注意：

弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。

打滑是指过载引起的全面滑动，是可以避免的。

而弹性滑动是由于带的弹性和拉力差引起的，是不可避免的。

带传动弹性滑动程度用滑动率ε表示

即

带传动的实际传动比为

注意：

由于ε很小，在一般计算中，

可忽略ε的影响

*边讲各类应力边画应力分布图，引导学生找出最大应力点

*提问：

传动带所受的应力是静应力还是交变应力？

在此应力作用下，带产生什么样的破坏形式？

课后作业

9-1

教案与讲稿

课程：

机械工程设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

V带的结构和标准V带轮的常用材料与结构普通V带传动的失效形式与设计准则

教学目的

与要求

了解V带的结构和标准和普通V带轮的常用材料与结构

明确普通V带传动的失效形式与设计准则

教

学

重点

V带与V带轮的结构和尺寸，普通V带传动的失效形式与设计准则

难点

单根V带额定功率的确定的方法

教具

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●V带的结构和标准

V带的构造：

抗拉体1（承受载荷的主体，帘布：

抗拉强度高；线绳：

抗弯强度高）、顶胶2（弹性材料）、底胶3及包布层4（耐磨）

节线与节面：

V带运行时不伸长、不缩短的圆周，称为节线，全部节线组成带的节面，带的节面宽度称为节宽，用bp表示

带轮基准直径dd：

和节宽相对应的带轮直径称为基准直径表（9-2）

基准长度Ld：

V带在规定的张紧力下，带与带轮基准直径上的周线长度。

V带的基准长度已标准化（表9-3）

截面尺寸：

V带截面尺寸已标准化，按截面大小分

为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号

（表9-1），截面尺寸大的传递的功率

也愈大。

●普通V带轮的常用材料与结构

一、V带轮的材料

当v≤25m/s时：

HT150、HT200

当v>25m/s时：

铸钢或钢板焊接的带轮

小功率带轮：

铸铝或塑料

二、V带轮的结构和尺寸

1．带轮的结构

带轮由轮缘、轮毂和轮辐三部分组成

轮缘：

带轮的外缘部分

轮毂：

带轮与轴相配合的部分。

通常带轮与轴用键连接，轮毂上开有键槽，孔的尺寸ds按轴的强度和刚度要求确定。

轮辐：

轮缘与轮毂相连的部分。

轮辐的结构形式随带轮的基准直径而异，直径小的做成实心式，中等的做成腹板式，大的做成辐条式

2．带轮的尺寸（表9-4）

§10-4普通V带传动的失效形式与设计准则

一、带传动的失效形式

1．打滑：

过载（有效拉力超过极限摩擦力）引起带在带轮上打滑不能正常工作

2．带的疲劳破坏：

带上的交变应力→带脱层、撕裂、拉断

*课前提问：

1）带传动有哪些特点？

与平带比较，V带传动有哪些特点？

2）普通V带有几种型号？

哪个型号的截面尺寸最大？

3）何谓带传动的弹性滑动与打滑，两者各由什么原因引起？

它们的性质有何根本区别？

*结合表图讲解V带与V带轮的结构及几何尺

*由上讲的受力分析与应力分析讲述带传动的失效形式与设计准则寸

二、带传动的计算准则

1．保证带传动不打滑

2．保证带具有足够的疲劳强度和使用寿命

疲劳强度条件：

σmax=σ1+σc+σb1≤[σ]

3．单根V带额定功率的确定

带传动所能传递的功率：

单根V带额定功率的确定：

[P1]=（P1+ΔP1）KKL

注意：

P1为额定功率（kW），按带的型号、小轮的转速n1和基准直径dd1查表9-5；ΔP1为单根V带当i＞1时所能传递功率的增量（kW）。

当实际传动比i＞1时，由于带绕经大轮时的弯曲应力小于带绕经小轮时的弯曲应力，可使带轮的疲劳强度有所提高，即传递的功率将增大。

ΔP1按带的型号，小轮的转速n1与传动比i，查表9-6确定。

K为包角系数。

按实际包角查表9-7。

KL为带的长度系数。

按实际基准长度查表9-3。

*引导与启发学生完成单根V带额定功率的确定（注重讲解查图查表方法）

课后作业

9-2—9-6

教案与讲稿

课程：

机械工程设计基础2010—2011学年上学期

教学课题

普通V带传动的参数选择和设计计算方法带传动的张紧、安装与维护

教学目的

与要求

掌握普通V带传动的参数选择和设计计算方法

了解带传动的张紧、安装与维护

教

学

重点

普通V带传动的参数选择和设计计算方法

难点

设计中图、表的正确运用

教具

挂图

讲稿（教学要点与板书）

教学法

●普通V带传动的参数选择和设计计算方法

一、V带传动的参数选择

1．设计的已知条件：

传动用途、载荷性质、需传递的功率、小带轮的转速、传动比以及对外廓尺寸的要求等。

2．参数选择：

V带的型号、长度和根数，以及V带轮的基准直径、V带传动的中心距；计算V带的初拉力和作用在轴上的压力

二、V带传动设计的计算方法及步骤

1．确定计算功率Pc：

Pc=KAP（kW）

式中KA——工作情况因数，查表10

2．确定带的型号：

按计算功率Pc和小轮转速n1由图10-12选带的型号

3．确定两轮的基准直径dd1、dd2

1）确定小轮的基准直径dd1：

带轮的直径小可使传动的结构紧凑，但另一方面又使带中的弯曲应力增大，而使带的寿命降低。

设计时应使基准直径大于表9-2规定的最小值

2）计算大轮的基准直径dd2：

dd2=idd1，大带轮的直径应圆整成相近的带轮基准直径的标准值

4．验算带速：

注意：

当传递的功率一定时，提高带速，有效拉力将减小，可减少带的根数。

但带速过高，离心应力过大，使摩擦力减小，传动能力反而降低。

因此，带的速度一般应在5～25m/s。

5．确定中心距a和带的基准长度Ld

1）初定中心距a0：

0.7（dd1+dd2）≤a0≤2（dd1+dd2）

2）确定基准长度Ld：

Ld0为带的基准长度的计算值，查表10-6选定带的基准长度的Ld标准值

3）确定实际中心距a：

为了张紧和调整需给中心距一定的调整公差，一般取-0.015Ld～+0.03Ld

6．验算小轮包角：

≥120°

若不满足此条件，可适