机械设计基础学习知识教案

机械设计基础学习知识教案一、课程概述与学习目标（一）课程性质与地位《机械设计基础》是工科类专业一门重要的技术基础课程，它融合了机械原理与机械零件的核心内容，旨在培养学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能，为后续专业课程学习及从事机械设计相关工作奠定坚实基础。本课程强调理论与实践相结合，注重培养学生分析和解决实际机械设计问题的能力。（二）学习目标1.知识目标：掌握机构的组成原理、运动特性分析方法；理解常用机械零件的工作原理、结构特点、失效形式及设计准则；熟悉机械设计的一般过程和基本方法。2.能力目标：能够运用所学知识对简单机械系统进行运动和受力分析；具备初步设计常用机械零件（如齿轮、轴、轴承、连接件等）的能力；能够查阅机械设计手册及相关标准，进行工程参数的选取与计算。3.素养目标：培养严谨的工程思维、创新意识和质量意识；树立标准化、系列化和通用化的设计理念；提升综合运用知识解决实际工程问题的素养。二、机械设计中的力学基础（一）静力学基本概念与公理静力学是研究物体在力作用下平衡规律的科学，是机械设计中进行受力分析的基础。1.力的概念：力是物体之间的相互机械作用，其效应是使物体的运动状态发生改变（外效应）或使物体产生变形（内效应）。力具有大小、方向和作用点三个要素，是矢量。2.静力学公理：包括二力平衡公理、加减平衡力系公理、力的平行四边形法则、作用与反作用定律以及刚化原理。这些公理是静力学理论体系的基石，用于推导力系的平衡条件。3.约束与约束力：限制物体某些可能运动的几何条件称为约束。约束对物体的作用力称为约束力，其方向与被限制的运动方向相反。4.物体的受力分析与受力图：在进行力学计算前，需明确研究对象，分析其受到的全部主动力和约束力，并画出受力图，这是解决静力学问题的关键步骤。（二）平面力系的平衡条件与应用1.力系的简化：通过力的平移定理等方法，将复杂力系简化为更简单的等效力系，以便于分析和计算。2.平面一般力系的平衡方程：平面一般力系平衡的充分必要条件是力系的主矢和对任一点的主矩均为零。其平衡方程有基本形式、二矩式和三矩式，可根据具体问题灵活选用。3.平衡方程的应用：求解单个物体或物体系统的平衡问题，计算未知约束力。在机械设计中，常用于机构构件的受力分析、零部件的强度校核等。（三）材料力学基本概念1.变形固体及其基本假设：工程上的构件均由变形固体材料制成。为便于分析，通常采用连续性、均匀性、各向同性及小变形假设。2.内力、应力与应变：构件在外力作用下，内部各部分之间会产生相互作用力，称为内力。应力是表征物体内部受力状态的物理量，分为正应力（σ）和切应力（τ）。应变是表征物体变形程度的物理量，分为线应变（ε）和切应变（γ）。3.材料的力学性能：通过材料试验获得，如弹性模量（E）、泊松比（μ）、屈服极限（σ_s）、强度极限（σ_b）等，是进行强度和刚度计算的重要依据。4.杆件的基本变形形式：包括轴向拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲以及组合变形。每种基本变形都有其内力、应力、变形的计算方法和强度条件。三、常用机构与机械传动（一）平面连杆机构1.机构的组成：机构由若干构件通过运动副连接而成，用于传递运动和力。构件分为机架、原动件和从动件。运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的连接，平面运动副分为低副（转动副、移动副）和高副。2.平面四杆机构的基本类型与应用：铰链四杆机构是平面连杆机构的基本形式，可演化出曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。分析其构成条件（如曲柄存在条件）、运动特性（如急回特性、行程速比系数）和传力特性（如压力角、传动角）。3.平面四杆机构的设计：根据给定的运动要求（如实现预定的连杆位置、急回特性或轨迹），确定机构各杆的长度尺寸。常用方法有图解法和解析法。（二）凸轮机构1.凸轮机构的组成与类型：由凸轮、从动件和机架组成。凸轮是具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过其连续转动或移动，使从动件获得预期的运动规律。按凸轮形状、从动件形式和运动形式可分为多种类型。2.从动件常用运动规律：如等速运动规律（有刚性冲击）、等加速等减速运动规律（有柔性冲击）、简谐运动规律（有柔性冲击或无冲击）和正弦加速度运动规律（无冲击）。需理解不同运动规律的位移、速度、加速度曲线特征及其适用场合。3.凸轮机构的设计要点：根据从动件的运动规律和结构要求，设计凸轮的轮廓曲线。需考虑压力角的校核与控制，以保证机构传力性能良好。（三）齿轮传动1.齿轮传动的特点与类型：齿轮传动是现代机械中应用最广泛的一种传动方式，具有传动比准确、效率高、传递功率大、速度范围广等优点。按轴的相对位置可分为平行轴齿轮传动（如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮）、相交轴齿轮传动（如直齿锥齿轮）和交错轴齿轮传动（如蜗杆蜗轮、螺旋齿轮）。2.渐开线齿廓：渐开线是齿轮最常用的齿廓曲线，具有定角速比传动、传动平稳、中心距可分性等优点。需理解渐开线的形成原理、性质及基本参数（如模数、压力角、齿数、齿顶高系数、顶隙系数）。3.直齿圆柱齿轮的啮合传动：掌握正确啮合条件、连续传动条件（重合度）、标准中心距和啮合角的概念。4.齿轮的加工与精度：了解齿轮的基本加工方法（如范成法、仿形法），认识齿轮常见的失效形式（如轮齿折断、齿面疲劳点蚀、胶合、磨损、塑性变形）及其对齿轮设计的影响。5.斜齿圆柱齿轮传动：了解其齿廓曲面的形成，掌握其螺旋角、法面参数与端面参数的关系，理解其传动平稳性好、承载能力高的特点。（四）带传动与链传动1.带传动的工作原理与类型：带传动依靠带与带轮之间的摩擦力或啮合来传递运动和动力。常用类型有平带传动、V带传动、同步带传动等。理解其弹性滑动和打滑现象。2.带传动的受力分析与设计准则：分析带传动的紧边拉力、松边拉力、有效圆周力和初拉力。根据传递功率、转速等条件，进行V带型号、带轮直径、中心距、带的根数等参数的选择与计算。3.链传动的工作原理与特点：链传动由主动链轮、从动链轮和闭合链条组成，通过链节与链轮齿的啮合传递运动和动力。与带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，传递功率较大，但传动平稳性较差，有冲击和噪声。4.链传动的主要参数与设计要点：如链条节距、链轮齿数、中心距等参数的选择，了解链传动的失效形式和布置要求。四、轴系零部件（一）轴的设计1.轴的功用与类型：轴是机械中的重要零件，用于支承回转零件（如齿轮、带轮、联轴器等）并传递运动和扭矩。按承受载荷的不同，可分为心轴（只受弯矩）、传动轴（只受扭矩）和转轴（既受弯矩又受扭矩）。2.轴的结构设计：轴的结构应满足装配、定位、加工和维修等要求。合理确定轴上零件的布置方式，设计轴的各段直径和长度，考虑轴肩、轴环、倒角、圆角、退刀槽、砂轮越程槽等结构要素。3.轴的强度计算：根据轴的受力情况，进行强度校核或设计计算。对于转轴，通常按弯扭组合变形进行强度计算；对于传动轴，主要按扭转强度计算。需考虑应力集中、材料疲劳性能等因素对轴强度的影响。（二）轴承1.滚动轴承：滚动轴承是标准件，由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。具有摩擦阻力小、启动灵活、效率高、更换方便等优点。*类型与代号：掌握滚动轴承的基本类型（如深沟球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承等）及其结构特点和应用场合。理解轴承代号的含义，能根据工作条件选择合适的滚动轴承。*失效形式与寿命计算：滚动轴承的主要失效形式是滚动体和套圈滚道表面的疲劳点蚀，此外还有磨损、胶合、塑性变形等。需了解基本额定动载荷、基本额定寿命的概念及寿命计算公式。*滚动轴承的组合设计：包括轴承的轴向固定（如两端固定、一端固定一端游动）、间隙调整、预紧、配合与装拆等问题。2.滑动轴承：滑动轴承工作时，轴颈与轴瓦之间形成滑动摩擦。适用于高速、重载、高精度或结构上要求剖分的场合。了解其结构类型（如整体式、剖分式）、常用轴瓦材料及润滑方式。（三）键连接与销连接1.键连接：用于轴与轴上零件（如齿轮、带轮）之间的周向固定，以传递扭矩。常用类型有平键连接（普通平键、导向平键、滑键）、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。理解其结构特点、工作原理、选用方法及强度校核。2.销连接：主要用于零件之间的定位，也可用于连接或安全装置中。按用途分为定位销、连接销和安全销。了解其类型、特点和应用。（四）联轴器与离合器1.联轴器：用于连接两轴，使它们一起回转并传递扭矩。联轴器分为刚性联轴器（如凸缘联轴器、套筒联轴器）和挠性联轴器（如十字滑块联轴器、万向联轴器、弹性套柱销联轴器）。挠性联轴器可补偿两轴之间的相对位移。选择联轴器时需考虑传递的扭矩、转速、轴的相对位移、工作环境等因素。2.离合器：用于在机器运转过程中，随时将两轴连接或分离。按工作原理可分为啮合式离合器（如牙嵌离合器）和摩擦式离合器（如圆盘摩擦离合器）。了解其工作原理和应用特点。五、机械零件的强度与刚度设计（一）载荷与应力的分类1.载荷：按载荷的性质可分为静载荷（大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷）和变载荷（大小和/或方向随时间变化的载荷）。按载荷的计算方法可分为名义载荷和计算载荷（考虑载荷系数后的载荷）。2.应力：对应于载荷分类，应力可分为静应力和变应力。变应力是导致零件疲劳破坏的主要原因。需了解变应力的基本参数（如最大应力、最小应力、平均应力、应力幅、循环特性）。（二）机械零件的材料选择1.材料选择的基本原则：满足使用要求（如强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性等）、工艺要求（如铸造、锻造、焊接、切削加工、热处理等）和经济性要求（如材料成本、加工成本、使用寿命等）。2.常用机械工程材料：如碳素结构钢、合金结构钢、铸铁、有色金属（如铜合金、铝合金）及工程塑料等。了解其基本性能特点和应用范围。（三）机械零件的强度计算准则1.静强度计算：针对承受静载荷作用下的零件，以材料的屈服极限或强度极限为基准，考虑安全系数，建立强度条件。2.疲劳强度计算：针对承受变载荷作用下的零件，需考虑材料的疲劳极限。了解疲劳曲线（S-N曲线）、极限应力图的概念，掌握在对称循环、脉动循环及非对称循环变应力下的疲劳强度计算方法和安全系数校核。3.接触强度计算：对于齿轮、滚动轴承等通过点接触或线接触传递载荷的零件，需进行接触强度计算，以防止表面发生疲劳点蚀等失效。（四）机械零件的刚度设计刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于某些零件（如机床主轴、导轨），刚度不足会影响机器的工作精度和性能。刚度设计的任务是使零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过允许值。六、机械设计的一般过程与方法（一）机械设计的基本步骤机械设计是一个复杂的创造性过程，通常包括以下主要阶段：1.明确设计任务：了解设计要求（功能、性能指标、工作条件、可靠性、经济性、寿命、标准化等），进行可行性分析和调研。2.总体方案设计：根据设计任务，提出若干种可能的总体方案，进行分析、比较和评价，选定最优方案。方案设计包括机构选型、传动系统设计、执行系统设计等。3.技术设计：对总体方案中的各个部件和零件进行详细设计。确定零件的结构形状和尺寸，进行强度、刚度、寿命等计算和校核，选择材料和热处理方法。4.工作图设计：绘制零件工作图和部件装配图，制定技术要求和标准。5.设计定型：进行样机试制、试验、鉴定，根据反馈意见修改设计，最终完成设计定型。（二）设计方法与创新1.常规设计方法：如理论设计、经验设计和模型实验设计。理论设计基于力学、数学等理论进行计算；经验设计基于长期积累的经验数据和图表；模型实验设计用于复杂或重要的零件，通过模型实验验证设计。2.现代设计方法简介：如计算机辅助设计（CAD）、优化设计、可靠性设计、有限元分析（FEA）等，这些方法能提高设计效率和质量，缩短设计周期。七、结语与学习建议《机械设计基础》是一门理论性和实践性都很强的课程。学习者在掌握基本概念、原理和方法的同时，更应注重培养分析和解决实际问题的能力。建议多观察身边的机械装置，思考其工作原理和结构特点；积极参与课程设计、实验和