机械设计基础教案

教案

课程代码：

课程名称：机械设计基础

课程性质：J必修课口限选课□任选课

学时/学分：4附

授课专业：

授课教师：

使用学期：xx-xx学年度第一学期

审批意见:

签字:日期:

课程基本信息

课程标准（教学大课程标准名称：《机械设计基础》课程标准

纲）名称、批准单批准单位：

位及时间批准时间：年月

教材名称、作者、《机械设计基础》，李文平、张永娟、周玉丰，机械工业出版社，2023

出版社及版本年9月第3版。

参考教辅资料：

《机械设计基础》，陈立德主编，高等教育出版社。

《机械设计基础》，隋明阳主编，机械工业出版社。

教学参考资料《机械设计基础》，邓绍铭主编，高等教育出版社。

《机械设计基础实验指导书》

参考课程资源网址：

https:〃www.xueyinonline.com/detai1/236029831

教法：讲授、教学做合一

教法、学法建议

学法：自学、讨论、互助、实践

课程考核依据及结合《机械设计基础》课程标准要求进行考核。

考核方式考核方式：闭卷

班其中

班级本学期

编实习、实训或实习题（讨论）

名称总学时讲授时数复习学时

号验课时数课时数

14842402

备注

课程授课学时安排表

序班号/周次计划

号授课内容备注

12学时

1静力学的基本概念及静力学公理2理论课

约束和约束反力

22理论课

物体的受力分析和受力图

3平面汇交力系的合成与平衡的几何法与解析法2理论课

4力偶及其性质2理论课

5平面力偶系的合成与平衡方程2理论课

6平面一般力系的简化与平衡方程2理论课

拉伸与压缩的概念和实例

7轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力2理论课

材料在拉伸和压缩时的力学性能

轴向拉伸或压缩时的强度计算

82理论课

轴向拉伸或压缩时的变形

剪切及其实用计算

92理论课

挤压及其实用计算

10扭转的概念、扭矩、扭矩图2理论课

圆轴扭转时的应力和强度条件

112理论课

圆轴扭转时的变形和刚度条件

梁的类型及计算简图

122理论课

梁弯曲时的内力

13梁纯弯曲时的强度条件2理论课

14拉伸或压缩与弯曲的组合变形2理论课

15扭转与弯曲的组合变形2理论课

16机械设计基础绪论2理论课

平面运动副

172理论课

平面机构的运动简图

18平面机构的自由度2理论课

较链四杆机构

192理论课

钦链四杆机构的其他形式

20平面四杆机构的工作特性2理论课

21实验一：平面机构运动简图的绘制与分析2实验课

凸轮机构的工作过程：

222理论课

从动件的常用运动规律

盘形凸轮轮廓曲线的设计：

232理论课

凸轮机构基本尺寸的确定

24实验二：机构结构及特性分析2实验课

合计48

序号N01

课题静力学基本概念及静力学公理

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：掌握力、刚体、平衡的概念；掌握静力学公理

教学目标

能力目标：掌握静力学公理

重点：静力学公理

重点难点

难点：刚体、力的平衡；静力学公理

采用教法讲授、任务驱动法

学法建议讨论、互助

教学过程设计

一、课题引入备注

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。

二、主要知识/技能点及实施步骤出示课件，

＞任务1：静力学的基本概念调动学生

＞实施过程：的学习兴

①教师讲解内容并用实例加以引导；趣。

②学生注意听讲；

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

A任务知识点：

1.力的概念

（1）力的定义

——力是物体之间相互的机械作用。

作用的结果：改变物体的运动状态f外效应；使物体变形f内效应

（2）力的三要素

——大小、方向、作用点

（3）力是矢量

——既有大小又有方向。

（4）力的单位

---N或kN

2.力系的概念

作用于同一物体的若干个力称为力系。

平衡力系：不改变物体原有运动状态的力系。重点内容，

等效力系：对物体的作用效果完全相同的两个力系。详细讲授，

合力：与一个力系等效的力。提示做好

分力：一个力系中的每一个力。笔记。

3.刚体的概念

在受力状态下保持其几何形状和尺寸不变的物体称为刚体。

刚体f理想的力学模型

4.平衡的概念

物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态。

静力学的任务：研究物体在力系作用下的平衡条件,并由平衡条件解

决工程实际问题。

＞任务2：静力学公理

＞实施过程，

①小组以任务课堂自主学习归纳，教师巡回指导；

②小组分工展示学习成果，（讲课和板书）；

③教师点评小组学习成果，并作补充讲解。

＞任务知识点：

公理一：二力平衡公理

当一个刚体受两个力作用而处于平衡状态时，其充分与必要的条件是：

这两个力大小相等，作用于同一直线上，且方向相反。

只受两个力作用而平衡的物体称为二力体（二力构件）。受力特点：两个力

的方向必在二力作用点的连线上。

重点内容，

详细讲授，

提示做好

笔记。

公理二：加减平衡力系公理

在刚体的原有力系中，加上或减去任一平衡力系，不会改变原力系对

刚体的作用效应。

推论1:力的可传性原理

作用于刚体上的力可以沿其作用线移至刚体内任一点，而不改变原力

对刚体的作用效应。

公理三力的平行四边形法则重点内容，

作用于物体同一点的两个力可以合成为一个合力，合力也作用于该点,详细讲授，

其大小和方向由以这两个力为边所构成的平行四边行的对角线所确定，即提示做好

合力矢等于这两个分力矢的矢量合。笔记。

推论2：三力平衡汇交定理

如果刚体受同一平面的三个互不平行的力作用而平衡，则此三个力的

作用线必汇交于一点。

重点内容，

详细讲授，

公理四作用与反作用定律提示做好

两个物体间相互作用的一对力，总是大小相等，方向相反且共线，分笔记。

别作用于这两个物体。

公理五刚化原理

变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚体（刚化为

刚体），则平衡状态保持不变。

柔性绳

刚化为刚性杆

公理5告诉我们：处于平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论。

三、小结

本节重点介绍了力的概念、四个公理和二个推论；二力构件与三力构

件，应掌握其判断方法；注意作用与反作用公理与二力平衡条件的区别。

思考与练习

1、作用力与反作用力是一对平衡力吗？

2、二力平衡条件、加减平衡力系原理能否用于变形体？为什么？

教学反思

序号N02

约束和约束反力

课题

物体的受力分析和受力图

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：掌握约束和约束反力的概念及类型；掌握单个物体与物体系统

的受力分析及受力图

教学目标

能力目标：能正确的绘制各类约束的约束反力，尤其是较链约束、二力杆、

三力构件的约束反力的画法

重点：约束和约束反力的概念；物体的受力分析和受力图

重点难点

难点：物体的受力分析和受力图

采用教法讲授、任务驱动法

学法建议讨论、互助

教学过程设计

一、课题引入备注

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。

二、主要知识/技能点及实施步骤

＞任务1：约束和约束反力的概念及类型出示课件，

＞实施过程:调动学生

①教师讲解内容并用实例加以引导；的学习兴

②学生注意听讲；趣。

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

A任务知识点：

约束：限制被约束体运动的周围物体。

被约束体：运动受到限制或约束的物体。

约束反力：约束对被约束体的反作用力。

反力的特点：

⑴总是作用在被约束体与约束体的接触处。

⑵方向总是与约束所能限制的运动或运动趋势的方向相反。

1.柔索约束（表示符号：FT）

特点：

（1）只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。重点内容,

（2）力的方向总是背离物体。详细讲授,

2.光滑面约束（表示符号：FN）提示做好

特点：笔记。

（1）只能限制物体在接触点沿接触面的公法线指向约束物体的运动。

（2）约束反力过接触点沿接触面法向并指向被约束体。

3.光滑较链约束表示符号：（FxvFy）

特点：

（1）反力的方向不定，随接触点而变化；

（2）反力的大小由两个通过较链中心的正交分力求得。

固定较链支座

滚动较链支座

＞任务2：物体的受力分析和受力图

A实施过程：

①小组以任务课堂自主学习归纳，教师巡回指导；

②小组分工展示学习成果，（讲课和板书）；

③教师点评小组学习成果，并作补充讲解。

＞任务知识点：

受力分析：

研究物体上所受的力，包括力的数量（所有的主动力、约束反力）、方

向、及力的作用点。

受力图：

在简图上除去约束，使研究对象成为自由体（分离体），在解除约束处

画上约束反力，在分离体上画出全部主动力和约束反力。

例题1：在图示的平面系统中，匀质球A重G1,借本身重量和摩擦不计的

理想滑轮C和柔绳维持在仰角是a的光滑斜面上，绳的一端挂着重G2的

物块及试分析物块B,球A和滑轮C的受力情况，并分别画出平衡时各物

引导学生

体的受力图。

正确的思

考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解：1.物块B的受力图

解题重点。

2.球A的受力图。

3.滑轮C的受力图。

例题2：等腰三角形构架ABC的顶点A,B,C都用较链连接，底边AC固

引导学生

定，而AB边的中点D作用有平行于固定边AC的力F,如图所示。不计各

正确的思

杆自重，试画出杆AB和BC的受力图。

考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解题重点。

解：1.杆BC的受力图。

2.杆AB的受力图。

例题3：用力F拉动碾子以轧平路面，重为G的碾子受到一石块的阻碍，如

图所示。试画出碾子的受力图。

解：碾子的受力图为：

例题4：如图所示，水平梁AB用斜杠支撑，A,C,D三处均为光滑较链

连接。匀质梁重G1,其上放一重为G2的电动机。如不计杆CD的自重,

试分别画出杆CD和梁AB（包括电机）的受力图。

引导学生

正确的思

考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解：1.斜杆CD的受力图。

解题重点。

2.梁AB（包括电动机）的受力图。

例题5：如图所示的三较拱桥，由左右两拱桥较接而成。设各拱桥的自重不

计，在拱上作用有载荷F,试分别画出左拱和右拱的受力图。

解：1.右拱BC的受力图。

2.左拱AC的受力图。

1.

X

2.解决方法一：

^Ay

解决方法二：

。八、

1\

!F\C

r

例题6：如图所示，梯子的两部分AB和AC在A点较接，又在D,E两点用

水平绳连接。梯子放在光滑水平面上，若其自重不计，但在AB的中点处作

用一铅直载荷F。试分别画出梯子的AB,AC部分以及整个系统的受力图。

2.光滑较链约束的不同类型所具有的特点和区别是本节课的难点。

3.应通过扎实的练习，熟练掌握工程中常见的各种约束及约束反力的

正确画法。

4.要熟练掌握常见约束的构造及约束反力的确定方法。

5.掌握画受力图的步骤，明确画受力图的重要性。

思考与练习

确定约束反力方向的基本原则是什么？

教学反思

序号N03

课题平面汇交力系合成与平衡的几何法与解析法

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：掌握平面汇交力系合成与平衡的几何法、解析法

教学目标

能力目标：正确理解力系主矢的概念

重点：平面汇交力系的合成与平衡的求解方法

重点难点

难点：平面汇交力系的合成与平衡的求解方法

采用教法讲授、多媒体、实例教学

学法建议讨论、互助

教学过程设计

一、课题引入备注

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。

二、主要知识/技能点及实施步骤

A任务1;平面汇交力系合成与平衡的几何法

出示课件，

＞实施过程：

调动学生

①教师讲解内容并用实例加以引导；

的学习兴

②学生注意听讲：

趣。

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

＞任务知识点：

1.平面汇交力系合成的几何法

(1)两个共点力合成的几何法

可以由力的平行四边形法则作，也可用力的三角形来作。

由余弦定理求合力的大小；由正弦定理确定合力方向

(2)任意个共点力合成的几何法

结论：平面汇交力系的合力等于名「分力的矢量和，合力的作用线通过

各力的汇交点。

2.平面汇交力系平衡的几何条件

平面汇交力系平衡的充要条件是：力系的合力等于零。

特点：最后一个力矢的终点与第一一个力矢的起点相重合，即封闭边为

零。合力为零意味着力多边形自行封闭o

例：

二

p1

解：

MV/2h

sina=---=一

MK1

—四或2重点内容，

(72

N详细讲授，

1~2h提示做好

＞任务2：平面汇交力系合成与平衡的解析法笔记。

＞实施过程：

①教师讲解内容并用实例加以引导；

②学生注意听讲：

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

＞任务知识点：

1.力在坐标轴上的投影

X1

2.合力投影定理

1）平面汇交力系的合力

FR=F1+F2+-+Fn=£F

2）合力在坐标轴的投影等于各分力在同轴上投影的代数和

%=Kx+Ux+..・+几

%=%+/+•••+Fny=E%

合力投影定理:力系的合力在某轴上的投影，等于力系中各力在同一轴

上投影的代数和。

区二位不瓯7

YF

tana=——-y

3.平面汇交力系的平衡方程

平面汇交力系的平衡条件

一:位少+（"¥=（）

平衡方程：

z%=。

例题1:求如图所示平面共点力系的合力。其中：F1=200N,F2=300N,引导学生

F3=100N,F4=250N。正确的思

考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解题重点。

司

解：根据合力投影定理，得合力在轴x,y上的投影分别为:

F^x=Ficos3(F-Kcos6(F-骂cos4?+F4cos4?

=1283N

>

/二月cos60°+gcos31-5cos4S-F4cos4?

=1113N

合力的大小：17L3N

合力与轴x的夹角的正切为：8.343

所以，合力与轴x的夹角为41°

例题2：如图所示是汽车制动机构的一部分。司机踩到制动蹬上的力1212

N,方向与水平面成a=45。角。当平衡时，DA铅直，BC水平，试求拉杆

BC所受的力。己知EA=24cm,DE=6cm（点E在铅直线DA上），又B,C,

引导学生

D都是光滑较链，机构的自重不计。

正确的思

考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解题重点。

例题3：利用校车绕过定滑轮B的绳子吊起一货物重G=20kN,滑轮由两

端较接的水平刚杆AB和斜刚杆BC支持于点Bo不计校车的自重，试求杆

AB和BC所受的力。

/

解析法的符号法则：兰§由平衡方程求得某一未知力的值为负时，表示

原先假定的该力指向和实际指向相反。

三、小结

解题技巧及说明：

1、一般地，对于只受三个力作用的物体，且角度特殊时用几何法（解

力三角形）比较简便。

2、一般对于受多个力作用的物体，且角度不特殊或特殊，都用解析法。

3、投影轴常选择与未知力垂直，最好使每个方程中只有一个未知数。

4、对力的方向判定不准的，一般用解析法。

5、解析法解题时，力的方向可以任意设，如果求出负值，说明力方

向与假设相反。对于二力构件，一般先设为拉力，如果求出负值，说明物

体受压力。

思考与练习

平面汇交力系合成的几何法、解析法有何不同？

教学反思

序号N04

课题力偶及其性质

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：理解力矩、力偶、力偶矩的概念

教学目标

能力目标：明确平面力偶的性质和平面力偶的等效条件

重点：力矩、力偶的概念及性质；三要素

重点难点

难点：力偶的等效条件及力偶的性质

采用教法讲授、多媒体、实例教学

学法建议讨论、互助

教学过程设计

一、课题引入备注

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。

二、主要知识/技能点及实施步骤

A任务1：力对点之矩与合力矩定理

出示课件，

＞实施过程，

调动学生

①教师讲解内容并用实例加以引导；

的学习兴

②学生注意听讲；

趣。

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

＞任务知识点：

1.力对点之矩

力F对某点0的矩等于力的大小与点0到力的作用线的距离h的乘积。

Mo(F)=±Fh

使物体逆时针方向转动的力矩为正,反之为负。

力F的作用点沿其作用线移动，不改变这力对。点的矩。

力矩为零的条件：

(1)力为零：

(2)力臂为零，即力的作用线过矩心。

2.合力矩定理重点内容，

平面汇交力系的合力对平面上任一点之矩，等于所有各分力对同一点详细讲授，

力矩的代数和。提示做好

Mo(FR)=±EMo(F)笔记。

例题1：如图所示圆柱直齿轮的齿面受一啮合角a二20。的法向压力Fn=lkN

的作用，齿面分度圆直径d=60min。试计算力对轴心0的力矩。

引导学生

正确的思

考，分析计

算要有耐

解：心。

1----------%

强度注意

解题重点。

例题2：一轮在轮轴B处受一切向力F的作用，如图2T0a所示。已知F、

R、r和a,试求此力对轮与地面接触点A的力矩。

解：

,蛆⑺=.，磔(&)+，施(Fy)

.磔(Fx)=-FxCA=-Fx(OA-M=-Fcosa〈R-zrosa)

.磔(Fy)-Fy_rsina=^rsinasina=/*rsin2a

.磔(Z7)=-Fcosa(k-zcosa)+Frsin2a=f;'(r-Abosa)a

＞任务2：力偶及其性质

》实施过程：

①教师讲解内容并用实例加以引导；

②学生注意听讲;

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

＞任务知识点：

1.力偶的概念

一对等值、反向、不共线的平行力组成的力系称为力偶。

力偶矩

力偶在其作用面内对物体转动效应的物理量，记作M(F,F')

M=±2^OAB

2.力偶的三要素

(1)力偶矩的大小；

(2)力偶的转向；

(3)力偶作用面的方位。

3.力偶的等效条件

凡是三要素相同的力偶则彼此等效。重点内容,

4.力偶的性质做好笔记。

性质1：力偶对其作用面内任意点的力矩恒等于此力偶的力偶矩，而与

矩心的位置无关。

性质2：力偶在任意坐标轴上的投影之和为零，故力偶无合力，力偶不

能与一个力等效，也不能用一个力来平衡。

结论1：力与力偶是力系的两个基本元素。

结论2：力偶在它的作用面内，可以任意移动和转动。引导学生

力偶在不改变力偶矩大小和转向的条件下，可同时改变两平行力的大正确的思

小、方向、及力偶臂的大小。考，分析计

算要有耐

心。

强度注意

解题重点。

三、小结

1、力对点之距与力对轴之距

2、力系的主距

3、合力距定理的应用

思考与练习

力偶的等效条件?

力偶系的性质？

教学反思

序号N05

课题平面力偶系的合成与平衡方程

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：掌握平面力偶系的合成

教学目标

能力目标：掌握平面力偶系的平衡方程

重点：平面力偶系的合成

重点难点

难点：平面力偶系的平衡条件

采用教法讲授、多媒体、实例教学

学法建议讨论、互助

教学过程设计

一、课题引入备注

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。出示课件，

二、主要知识/技能点及实施步骤

调动学生

＞任务：平面力偶系的合成与平衡方程

的学习兴

＞实施过程：

趣。

①教师讲解内容并用实例加以引导；

②学生注意听讲；

重点内容，

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。

详细讲授，

＞任务知识点：

提示做好

1.力对点之矩

笔记。

平面力偶系的合成

平面力偶系合成的结果为一合力偶，合力偶矩为各分力偶矩的代数和

引导学生

M=MHM2+•••+Mn=UM

2.平衡条件：正确的思

EM=0考，分析计

例题1：如图所示的较接四连杆机构OABD,在杆OA和BD上分别作用着矩算要有耐

为Ml和M2的力偶，而使机构在图示位置处］二平衡。已知OA=r,DB=2r,a心。

=30°,不计杆重,试求Ml和M2间的关系。

/B强度注意

解题重点。

/、M>

、重点内容，

cIrD

做好笔记。

例题2：横梁AB长1,A端用钱链杆支撑，B端为较支座。梁上受到一力偶

的作用，其力偶矩为M,AD与水平夹角为45度，如图所示。不计梁和支杆

引导学生

的自重，求A和B端的约束力。

正确的思

4^―।&考，分析计

}&_______川算要有耐

1R1—种叭》

心。

强度注意

三、小结

解题重点。

1、平面力偶系的合成

2、平面力偶系的平衡

思考与练习

平面力偶系的平衡条件是什么？

教学反思

序号NO6

课题平面一般力系的简化与平衡方程

教学时数2学时

课型理论课

知识目标：掌握平面一般力系的简化方法和平衡条件

教学目标

能力目标：会解决实际中简单的平面一般力系的力学问题

重点：平面一般力系的简化及平衡条件

重点难点

难点：平面一般力系的简化及平衡

采用教法讲授、多媒体、实例教学

学法建议讨论、互助

教学过程设计

备注

一、课题引入

1.复习上节内容。

2.本节任务导向。

二、主要知识/技能点及实施步骤

>任务1:平面一般力系的简化与平衡方程

>实施过程：

①教师讲解内容并用实例加以引导；出示课件，

②学生注意听讲；调动学生

③教师提问启发，学生回答，巧妙的增加学生的自信心。的学习兴

A任务知识点：趣。

1.力的平移定理

作用在刚体上A点处的力F,可以平移到刚体内任意点0,但必须同时

附加一个力偶，其力偶矩等于原来的力F对新作用点0矩。

F'=F"=FM=Fd

重点内容,

详细讲授，

提示做好

2.平面一般力系的简化

笔记。

/以=居、+入x+…+%=£乃

尸'电=/+/+…+/=ZG

FR=J/+琮.=J(ZF)、(Z")

F

6=arctanK,=arctan

F'R=£F'=LF

MO=Ml+M2+…Mn=ZM0（F）

结论：平面一般力系向平面内任一点简化可以得到一个力和一个力偶,

这个力等于力系中各力的矢量和，作用于简化中心，称为原力系的主矢：

这个力偶的矩等于原力系中各力对简化中心之矩的代数和，称为原力系的

主矩。

原力系—主矢、主他