机工版（2020）教学设计中职中职专业课机械-设计制造66 装备制造大类

PAGE1PAGE2机工版（2020）教学设计中职中职专业课机械——设计制造66装备制造大类课题机工版（2020）教学设计中职中职专业课机械——设计制造66装备制造大类教材分析一、教材分析本章节为机工版（2020）《机械设计基础》核心内容，涵盖平面机构、凸轮机构、齿轮机构等常用机构的工作原理、设计方法及标准件选用，是装备制造大类学生掌握机械系统运动与动力分析的基础。内容衔接《机械制图》《金属材料》前序课程，为后续《机械制造技术》等课程奠定实践基础，注重培养学生工程应用能力与规范意识，符合中职技能型人才培养目标。核心素养目标二、核心素养目标通过平面机构、凸轮机构、齿轮机构等常用机构的学习，形成机械系统运动与动力分析的工程思维；在机构设计与选型过程中，培养创新设计意识与优化能力；遵循机械设计标准与规范，强化工程实践规范意识；结合实际工程案例，提升机械系统故障分析与问题解决能力。教学难点与重点1.教学重点，①平面机构运动简图的绘制与自由度计算，②常用机构（凸轮、齿轮）的工作原理与应用特点，③标准件（螺栓、键等）的选用与校核方法。

2.教学难点，①机构虚约束的识别与自由度修正，②凸轮轮廓曲线的设计与运动规律分析，③齿轮参数计算（模数、压力角等）及啮合条件验证。教学资源准备四、教学资源准备1.教材：确保每位学生配备机工版（2020）《机械设计基础》教材，重点标注平面机构、凸轮机构、齿轮机构等章节内容。2.辅助材料：准备机构运动简图、凸轮轮廓曲线图、齿轮啮合示意图等图片，以及机构动画演示、齿轮加工工艺视频等多媒体资源。3.实验器材：配置平面四杆机构、凸轮机构、齿轮传动模型教具，游标卡尺、量规等测量工具，确保器材完好且安全防护到位。4.教室布置：划分6个小组讨论区，设置4个实验操作台，配备工具存放架和安全操作提示牌。教学过程五、教学过程1.导入（约5分钟）：激发兴趣：展示缝纫机踏板机构运动视频，提问“踏板往复运动如何转化为飞轮连续转动？”，引导学生思考机构功能。回顾旧知：提问平面运动副类型（转动副、移动副），复习机构具有确定运动的条件，为自由度计算铺垫。2.新课呈现（约35分钟）：讲解新知：①平面机构运动简图绘制：结合教材图例，讲解比例尺选择、构件与运动副符号表示，强调简化原则；②自由度计算：推导公式F=3n-2PL-PH，解释n、PL、PH含义，举例说明复合铰链、局部自由度、虚约束的识别方法；③凸轮机构：分类（尖顶、滚子、平底从动件），讲解从动件运动规律（等速、等加速等减速），强调基圆半径对压力角的影响；④齿轮机构：渐开线性质，标准齿轮参数（模数、压力角、齿顶高系数），正确啮合条件（m1=m2、α1=α2）。举例说明：①以牛头刨床导杆机构为例，演示运动简图绘制步骤，计算自由度F=3×3-2×4-0=1，验证确定运动；②展示内燃机配气凸轮机构视频，分析凸轮轮廓曲线变化对气门启闭规律的影响；③用齿轮减速器模型，讲解模数m=3、齿数z1=20、z2=60的中心距计算公式a=m(z1+z2)/2=120mm。互动探究：①分组发放平面机构模型（如曲柄摇杆机构、双滑块机构），小组讨论绘制简图并计算自由度，教师巡视指导；②发放凸轮轮廓图样，学生用描图纸描摹不同从动件接触点的轨迹，分析运动规律差异；③用齿轮测量仪测量给定齿轮的模数、压力角，小组比对测量值与标准值，讨论误差原因。3.巩固练习（约20分钟）：学生活动：①任务1：根据教材图2-15缝纫机踏板机构，独立绘制运动简图并计算自由度，标注各构件名称；②任务2：设计一对标准直齿圆柱齿轮，已知传动比i=3，中心距a=120mm，计算齿轮模数、齿数，并绘制齿轮啮合示意图；③任务3：使用平面机构组合教具，搭建具有急回特性的曲柄摇杆机构，调整连杆长度验证急回特性。教师指导：①巡回检查学生简图绘制，重点纠正复合铰链漏算、局部自由度未去除问题；②针对齿轮参数计算错误的学生，引导重新核对公式a=m(z1+z2)/2和i=z2/z1的关系；③在机构搭建中提醒学生曲柄存在条件（最短杆与最长杆长度之和≤其余两杆之和），确保机构能正常运动。4.课堂小结（约5分钟）：引导学生梳理本节课核心知识点：机构运动简图绘制步骤、自由度计算及修正方法、凸轮机构类型与运动规律选择、齿轮参数计算与啮合条件，强调工程应用中规范操作的重要性。5.作业布置：①教材P45习题2-3（计算机构自由度并判断运动确定性）；②设计一偏置尖顶从动件盘形凸轮机构，已知基圆半径r0=30mm，推程运动角δ0=120°，从动件行程h=20mm，绘制凸轮轮廓曲线；③测量生活中一种齿轮传动装置（如自行车、减速器）的齿轮参数，验证正确啮合条件。知识点梳理六、知识点梳理1.平面机构概述①机构的组成：由构件和运动副组成，构件是机构中的运动单元，分为机架、原动件和从动件；运动副是两构件直接接触的可动连接，按接触形式分为低副（面接触，如转动副、移动副）和高副（点或线接触，如凸轮与从动件接触、齿轮啮合）。②平面机构的分类：平面连杆机构（如四杆机构）、凸轮机构、齿轮机构等，其中平面连杆机构通过低副连接，承载能力强，常用于实现运动转换和轨迹生成。2.平面机构运动简图绘制①绘制步骤：确定机构的组成构件及相对运动关系；选择适当的投影面，一般选择与多数构件运动平面平行的平面；用规定的符号表示构件和运动副（转动副用小圆圈表示，移动副用滑块导轨表示，高副画出轮廓曲线）；按比例尺绘制，标注构件编号和运动副代号。②比例尺计算：μl=实际长度/图示长度，单位为mm/mm，确保图形准确反映机构尺寸。3.平面机构自由度计算①自由度公式：F=3n-2PL-PH，其中n为活动构件数（不包括机架），PL为低副数，PH为高副数。②特殊情况处理：复合铰链（k个构件在同一处用转动副连接，铰链数=k-1）；局部自由度（机构中不影响其他构件运动的自由度，如滚子从动件的滚子转动，计算时可假想滚子与从动件固联，即PH减1）；虚约束（对机构运动不起限制作用的重复约束，计算时需去除相关约束，如平行四边形机构中的重复杆件，需去除一个构件和三个低副）。③机构具有确定运动的条件：自由度F>0且等于原动件数，若F≠原动件数，机构要么卡死，要么运动不确定。4.凸轮机构设计①凸轮机构的组成：凸轮（具有曲线轮廓的主动件）、从动件（按预定规律运动）、机架（固定件）。②分类：按从动件形状分尖顶从动件（结构简单，易磨损，用于低速轻载）、滚子从动件（摩擦小，承载能力强，应用广泛）、平底从动件（受力好，高速平稳，但不能与内凹轮廓凸轮配合）；按凸轮形状分盘形凸轮（结构简单，应用最多）、移动凸轮（凸轮作往复移动）、圆柱凸轮（空间凸轮，可实现从动件任意平面运动）。③从动件运动规律：等速运动规律（位移线图为直线，速度恒定，但起点和终点有刚性冲击，适用于低速）；等加速等减速运动规律（位移线图为抛物线，加速度有突变，存在柔性冲击，适用于中速）；简谐运动规律（位移线图为余弦曲线，速度和加速度连续，无冲击，适用于中高速）。④凸轮轮廓曲线设计：采用反转法原理，给整个机构加与凸轮角速度大小相等、方向相反的转动，此时凸轮静止，从动件作复合运动（随导路反转+沿导路移动），从动件尖顶的轨迹即为凸轮轮廓曲线。⑤压力角与基圆半径：压力角是凸轮轮廓上某点法线方向与从动件速度方向间的夹角，压力角越大，传力性能越差，易自锁；基圆半径是凸轮理论轮廓的最小向径，基圆半径增大，压力角减小，但机构尺寸增大，需综合考虑传力性能和结构紧凑性。5.齿轮机构设计①齿轮传动特点：传动比恒定、工作可靠、寿命长、效率高，但制造精度要求高、成本较高。②渐开线齿廓：形成过程（一直线在基圆上纯滚动时，直线上一点的轨迹）；性质（渐开线上任一点的法线切于基圆；渐开线上各点压力角不等，向径越大压力角越大；基圆相同，渐开线形状相同；基圆内无渐开线）。③标准直齿圆柱齿轮基本参数：模数m（人为规定的参数，m=p/π，p为齿距，标准模数系列见教材表3-1，模数越大，齿轮尺寸越大）；齿数z（影响传动比和齿轮大小）；压力角α（分度圆上的压力角标准值为20°）；齿顶高系数ha*=1（正常齿）；顶隙系数c*=0.25（正常齿）。④几何尺寸计算：分度圆直径d=mz（齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆，是齿轮尺寸计算的基准）；齿顶圆直径da=d+2ha*m=m(z+2)；齿根圆直径df=d-2(ha*+c*)m=m(z-2.5)；中心距a=m(z1+z2)/2（标准安装时两齿轮分度圆相切）。⑤正确啮合条件：两齿轮的模数相等（m1=m2）、压力角相等（α1=α2），保证传动比恒定且齿廓能正确啮合。⑥连续传动条件：重合度ε>1，ε表示同时啮合的轮齿对数，ε越大，传动越平稳，承载能力越强，标准齿轮传动ε≥1.3。⑦根切与最少齿数：用范成法加工齿轮时，刀具齿顶线超过极限点N会发生根切，使轮齿强度降低；标准齿轮不发生根切的最少齿数zmin=17（α=20°，ha*=1）。6.机械连接件选用①螺栓连接：类型（普通螺栓连接——螺栓杆与孔壁有间隙，靠预紧力产生的摩擦力传力；铰制孔用螺栓连接——螺栓杆与孔壁配合，靠杆壁剪切和挤压传力，用于受横向载荷）；预紧目的（增强连接刚性、提高防松能力）；防松方法（摩擦防松——弹簧垫圈、双螺母；机械防松——开口销与槽型螺母、止动垫圈；永久防松——点焊、铆接）。②键连接：类型（平键——键的侧面为工作面，对中性好，用于轴毂连接，分普通平键（A型圆头、B型方头、C型单头）、导向平键；半圆键——键呈半圆形，用于锥形轴端连接；楔键——键的上下面为工作面，有1:100斜度，能轴向固定，但对中性差，用于低速重载）；选择依据（轴径、毂长、载荷类型、对中性要求）。③销连接：类型（圆柱销——靠过盈固定，多次拆卸会降低定位精度；圆锥销——1:50锥度，可多次拆卸，定位精度高）；用途（定位、连接、安全保护）。7.机构设计与选型原则①根据工作要求选择机构类型：如需要实现往复摆动选曲柄摇杆机构，需要实现较大行程选曲柄滑块机构，需要精确传动选齿轮机构，需要间歇运动选槽轮机构或棘轮机构。②考虑运动性能：满足传动比、速度、加速度要求，如高速机构应选择运动平稳、冲击小的机构（如凸轮机构采用简谐运动规律）。③考虑动力性能：压力角、传动效率等，如凸轮机构压力角应小于许用值，齿轮传动应保证重合度ε>1。④考虑结构紧凑性：在满足功能前提下，尽量减小机构尺寸，如采用行星齿轮传动实现大传动比且结构紧凑。⑤经济性与标准化：优先选用标准件（如螺栓、键、齿轮），降低制造成本，提高互换性。课后作业1.计算图示牛头刨床导杆机构的自由度，指出机构中的复合铰链、局部自由度或虚约束，并判断机构是否具有确定运动。

答案：活动构件数n=5，低副数PL=7，高副数PH=0，自由度F=3×5-2×7=1。无复合铰链、局部自由度或虚约束。因F=1且原动件数为1，机构具有确定运动。

2.设计一对标准直齿圆柱齿轮，要求传动比i=4，中心距a=150mm，模数m=3mm。计算两齿轮的齿数、分度圆直径及齿顶圆直径，并验证正确啮合条件。

答案：由i=z₂/z₁=4，a=m(z₁+z₂)/2=150，得z₁=20，z₂=80。d₁=60mm，d₂=240mm；da₁=66mm，da₂=246mm。m₁=m₂=3mm，α₁=α₂=20°，满足正确啮合条件。

3.用反转法绘制偏置尖顶从动件盘形凸轮的轮廓曲线。已知基圆半径r₀=30mm，偏距e=10mm，推程运动角δ₀=120°，回程运动角δₛ=60°，从动件行程h=20mm，推程等速运动。

答案：步骤：①以凸轮轴心O为圆心，基圆半径r₀和偏距e作圆；②将推程角等分12份，反转时从动件导路始终偏置e；③按等速位移规律计算各分点位移，尖顶轨迹点连成轮廓曲线。

4.分析曲柄滑块机构的急回特性。已知曲柄长度r=100mm，连杆长度l=300mm，偏距e=50mm。计算极位夹角θ，并判断是否有急回特性。

答案：极位夹角θ=arcsin[(l+e)/l]-arcsin[(l-e)/l]=arcsin(350/300)-arcsin(250/300)≈49.1°-33.6°=15.5°。因θ>0，机构具有急回特性。

5.选择某减速器输入轴与齿轮的键连接类型。已知轴径d=40mm，轮毂长度L=60mm，转矩T=500N·m，轻微冲击载荷。说明选用依据及键的尺寸参数。

答案：选用A型普通平键。依据：轴径d=40mm，查标准得键宽b=12mm，键高h=8mm；轮毂长L=60mm，键长l=50mm（L-10）。校核挤压强度：σₚ=2T/(dkl)=2×500/(40×50×8)=0.0625MPa<[σₚ]，安全。板书设计①平面机构

-构件：机架、原动件、从动件

-运动副：低副（转动副、移动副）、高副（凸轮、齿轮）

-运动简图：比例尺μl、构件符号、运动副标注

-自由度：F=3n-2PL-PH；复合铰链（k-1）、局部自由度（PH-1）、虚约束（去除重复约束）

-确定运动条件：F>0且等于原动件数

②凸轮机构

-组成：凸轮、从动件、机架

-分类：从动件（尖顶、滚子、平底）；凸轮