华科大机械原理教案

PAGEPAGE1绪论1.本章的教学目的及教学要求绪论课是一门课程的开场白，其教学目的在于使学生了解该课程研究的对象和内容，明确学习本课程的目的和重要性，又是任课教师给所带学生上的第一节课，所以，讲好绪论课对搞好该门课程的教学工作是至关重要的，必须予以高度重视，做好充分准备，保证把绪论讲好。切莫由于学时压缩，寥寥数语打发了事，这样起不到使学生明确学习目的，坚定学习信心和调动学习积极性的作用，必然会对整门课程的教学工作产生不利的影响。根据教育部《机械原理课程教学基本要求》和我校制定的《机械原理教学大纲》，本章的教学要求可概括为以下两点：1)使学生了解本课程研究的对象、内容及其在培养高级机械工程技术人才全局中的地位、作用和任务，从而明确学习本课程的目的。2)使学生对机械原理学科的发展前沿有所了解。2.本章教学内容的重点及难点本章的重点是介绍该课程研究的对象及内容。为了便于讲解，应先介绍机器、机械、机构、构件和零件的概念。在讲清对象及内容之后，本课程在培养高级机械工程技术人才全局中的地位、作用和任务就容易理解了。此外，为了指导学生学好本课程，对本课程的一些特点和学习中应注意的一些问题，也要给学生加以讲解和介绍。因此本章的主要内容可概括为学什么？为什么学？怎样学？三个问题。关于机械原理学科发展的前沿是比较难于处理的。因为学生还未接触到本课程的具体内容，所以过多的讲述恐怕难以接受。然而这部分的内容对调动学生学习本课程的兴趣和积极性又是很重要的，所以又需要适当的加以介绍。行之有效的方法是结合论述机械原理在培养机械工程技术人才全局中的作用，对机械原理学科的一些新的发展趋势加以介绍。可按照以下思路讲解：①首先应该指出随着科学技术的发展，为了更好地满足生产实际的需要和机械自动化的要求，就需要不断创新一些新型机构，因而以机构创新为主要内容的机构学得到了迅速发展。例如多杆多自由度的平面连杆机构、空间机构、各种组合机构(包括各种含有挠性构件的组合机构)、机、电、液一体化的机构都在研究之中，有些已得到应用。同时机器人、机械手等仿生机械得到较快的发展，包括高温、高压、有毒、有放射性等特殊条件下工作的机器人和机械手。例如宇宙飞船上用于收回卫星的机械臂；在核电站安装设备的机器人；在深海海底作业的机器人等。此外，微技术的发展，还创造了一些微型机械。如可在人的腹腔内进行外科手术的手术刀，甚至可在人的血管中爬行的微型机器人等都已经使用。②为了对这些新型机械的分析及设计，机械原理学科近年来也发展了许多新的理论和方法，并引入了一些不同的数学及力学工具，特别是计算机的推广应用，为机械原理学科的发展提供了极有利的条件。计算机辅助分析、计算机辅助设计、优化设计(包括多目标优化设计)都得到迅速发展，并且渐趋成熟。③由于机械向高速度、高精度、高负荷、高效率等方向发展，也给机械原理学科提出了一些新的课题，开辟了一些新的研究领域。例如，对于高速重载机械来说，不仅要研究其运动性能，还要研究其动力性能，有时还要考虑构件的弹性形变、质量分布、联接间隙及机械中摩擦等对机械工作的影响，考虑机械的振动、冲击和平衡问题。总之，生产的发展促进了机械原理学科的发展。而机械原理学科的发展又反过来为生产的发展提供了有利条件，促进了生产的发展。介绍这些内容的目的，一方面在于说明机械原理学科在发展国民经济方面的重要性，另一方面也为了使学生对机械原理学科的发展趋势有一个概括的了解。从而调动起学生学习本课程的兴趣和积极性。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章的教学内容安排1个学时。另外，在课外应再组织学生参观机构陈列室的活动模型及电教片等。通过现场教学使学生从感性上进一步了解本课程研究的对象和内容，体会学习本课程的目的，并进一步调动他们学习本课程的兴趣和积极性。

4.教学方法如前所述，绪论课的教学目的在于使学生了解本课程的研究对象和内容，明确本课程的目的及重要性。在开始讲授时可先提出:我们从今天起将学习一门新的课程，课程的名字叫“机械原理”。现在我们需要先对这门课加以简要介绍，主要说明三个问题，即:通过本课程的学习我们将要学到些什么?为什么要学习这门课程?以及如何学好本课程?即“学什么?”、“为什么学?”及“如何学?”三个问题。然后先介绍第一个问题，从而引出小标题“本课程研究的对象及内容”。在介绍本课程研究的对象和内容时，可先就本课程的名称“机械原理”指出:顾名思义本课程研究的对象自然是“机械”，而研究的内容则应是有关机械的一些基本理论问题。然而什么是“机械”呢?本课程研究的有关机械的基本理论问题又包括哪些具体内容呢？在提出这些问题之后，可先概括地介绍一下关于“机械”、“机器”、“机构”等概念，然后再利用学生比较熟悉的机械(如内燃机、牛头刨床、冲床等)的挂图或模型(最好是内燃机模型，因为该模型中包括了齿轮、凸轮和连杆三大基本机构)，经过演示和分析，说明各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以，这些机构就是本课程研究的主要对象。然后进而介绍本课程研究的内容，并最后概括为机构的分析和综合两个方面的问题。至于“为什么学”的问题，可就本课程在教学计划中的地位、作用和机械原理在国民经济的重要性两个方面加以说明。强调本课程是一门主干的技术基础课程，在培养计划中起“桥梁、过渡”作用。同时，结合介绍机械原理学科在发展国民经济方面的作用，可简单介绍一下机械原理学科的发展概况。最后介绍本课程的性质及特点，以及本课程的教学环节和在学习本课程时要注意的几个问题，从而说明“如何学好本课程”的问题。同时还可以提出一些具体的要求如多观察、多画图、多思考。若能结合以前学生学习本课程的体会来讲，效果会更好。

5.注意事项在讲授本节课时，要始终想着讲授的重点是向学生介绍本课程的研究对象和内容，并使学生明确学习的目的，坚定学习的信心，饶有兴趣地积极地进行本课程的学习，而不要把学生的注意力引向次要的方面。如死抠“机器”与“机构”、“机器”与“机械”的区别，或深究某些具体机械的工作情况等。在准备时，应寻找几个应用实例，活跃课堂气氛。

第二章机构的结构分析1.本章的教学目的及教学要求本课程研究的对象主要是各种机构，而研究的内容则主要集中在各种机构的分析和综合(设计)两个方面。为了对机构进行研究，首先要知道机构是如何形成的?其次在什么条件下机构才有确定的运动?最后在设计新的机构或对已有的机构进行分析时如何把要研究的机构用简单的图形表示出来?所以本章的教学目的在于使学生了解机构的组成及机构具有确定的运动的条件，了解能表征机构运动情况的简单图形(即机构运动简图)的画法，为已有机构进行分析或创造新的机构提供基本条件。根据《机械原理课程教学基本要求》和《机械原理教学大纲》，本章的教学要求有以下几点:1)了解机构的组成，搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念;2)能绘制常用机构的机构运动简图;3)能计算平面机构的自由度;4)对平面机构组成的基本原理有所了解。

2.本章教学内容的重点及难点本章教学内容的重点是运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。至于平面机构的组成原理、结构分析及结构分类，以及高副低代等内容，则是属于拓宽知识面性质的。本章教学内容的一个难点，是在机构自由度的计算中有关虚约束的识别及处理问题。但这个问题却不是本章教学的重点。所以，只要使学生对虚约束有一个明确的概念，并对机构中存在虚约束的一些比较常见的情况有所了解，在计算机构自由度时会处理虚约束就可以了，不宜花费过多的时间讲授。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学安排6个学时。用1学时讲授机构结构分析的内容及目的、机构的组成及机构运动简图的画法。2学时讲授机构具有确定运动的条件、平面机构自由度的计算及应注意的事项。2学时可用于讲授平面机构的组成原理，平面机构的结构及分析和分类，以及平面机构中的高副低代问题。除理论教学外，本章安排实验课2学时，给学生一些机器模型，要求画出其机构运动简图，使学生具体练习机构运动简图的画法。3.1第1讲(1学时)

1)教学内容本节课要讲三部分内容，即机构结构分析的内容及目的、机构的组成及机构运动简图。2)教学方法在讲述内容及目的时可先提出:本课程研究的对象是各种机构，而研究的内容主要是各种机构的分析和综合两个问题。不论是分析还是综合首先要了解机构是如何组成的?其次机构的特征之一就是具有确定的相对运动，机构在什么条件下才具有确定的运动？为了便于对不同的机构进行分析和综合，需要研究机构的组成原理、结构分析和分类问题，并在最后提出机构运动简图的画法问题。在讲机构的组成问题时先介绍构件及运动副的概念，强调运动副的三要素。至于运动副的构成、分类和代表符号可用挂图介绍。运动副介绍完后再介绍运动链及机构，并随之介绍机架、原动件、从动件等概念。在介绍机构运动简图。只着重说明：什么是机构运动简图？机构各部分的相对运动只决定于各构件间组成的运动副的类型、各类运动副的数目、构件的数目和各构件的运动尺寸(构件的杆长尺寸、移动副导路的方向、高副的轮廓曲线)，而与构件的截面尺寸和形状、材料、运动副的具体形状和结构无关，故在绘制机构运动简图时，为了图形简单明了，需抛弃与运动无关的因素，以及绘制机构运动简图的步骤等概念。也可就一个简单机械的模型作为实例，介绍其运动简图的画法。而进一步介绍，可留待实验课上说明。但要向学生强调，绘制和阅读机构运动简图是一项基本的技能要求，机构运动简图是对实际机器的科学抽象和合理简化，因而这种能力的培养，不可能通过一二个实例的练习就能完成，而要随时随地的注意日常生活和生产中所遇到的各种机械，多做绘制其机构运动简图的练习，以求逐渐熟练和掌握。也可以要求每个学生就自己所见到的各种简单机械绘制1～2个机构运动简图。3.2第2讲(2学时)1)教学内容本节课也要讲三部分内容，即机构具有确定运动的条件、平面机构自由度计算，以及计算平面机构自由度时应注意的事项。第1、2两部分内容可用1个学时，第3部分内容用另1个学时。2)教学方法在讲授第1部分内容是可先提出：我们前面讲到，各种机构都是用来进行运动传递或改变运动形式的，显然，为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动件按给定的运动规律运动时，该机构中其余构件的运动也都应是完全确定的，或从位置的角度理解确定运动的概念。但是，由各构件任意组成的构件组合体是否在任何条件下都能满足这一要求呢？下面可举平面五杆机构的例子，说明当其一个构件(取连架杆)按给定的运动规律运动时，其余构件的运动并不确定。那么机构在什么条件下才能具有确定的运动呢？从而引出小标题“机构具有确定运动的条件”。然后分别就平面四杆机构和平面五杆机构进行分析，给出机构自由度的概念，以及机构具有确定运动的条件是“机构原动件的数目应等于机构自由度的数目”的结论。在讲授第二部分的内容时可先提出：既然机构具有确定运动的条件是原动件的数目等于其自由度数目，所以正确计算自由度数目就十分重要。那么机构自由度的数目又是如何确定呢？从而引出小标题“平面机构自由度的计算”。然后给出平面机构自由度的计算公式，并举几个简单的计算机构自由度的例子。在讲授第三部分的内容时可提出：上面我们给出了平面机构自由度的计算公式，在应用该公式计算机构自由度时，有些需要注意的事项必须正确地加以处理才能得到正确的计算结果，否则计算结果将会出现错误。下面我们介绍这些需要注意的事项。写出小标题“计算平面机构自由度时应注意的事项”。其一，要正确确定机构中构件的数目和运动副的数目。关于构件的数目，可指出，构件是机构运动中的运动单元体，所以，不论构件的结构如何复杂，只要是同一个运动单元体，它就是一个构件。这在绘制机构运动简图时已作过练习。关于各类运动副数目的确定，依次介绍以下三种情况:(a)复合铰链。要讲清什么是复合铰链、如何处理复合铰链，如转动副数为(m-1)个，m为构件数。(b)当两构件同时在几处接触而构成移动副，且各接触处两构件相对移动的方向是一致的，或两构件在几处配合，且各配合处两构件相对转动的的轴线重合时，只算一个低副。因各处引入的约束是相同的或重复的。(c)当两构件在几处接触而构成高副时，若各接触处高副两元素的公法线重合，则因各接触处提供同一个约束，故仍视为一个高副。如各接触处高副两元素的公法线不相重合，这时各接触处提供的约束已不再是同一约束，各提供了两个约束，即相当于两个平面高副。其二，将机构中某些构件产生的并不影响其它构件运动的局部运动的自由度去掉。可先以滚子推杆盘形凸轮机构为例介绍局部自由度的概念和计算自由度时的处理方法。说明虽然按自由度公式算得该机构的自由度为2，但滚子绕其自身轴线的转动并不影响其它构件的运动，所以在一个原动件凸轮的作用下，机构的运动就是确定的。这说明机构的实际自由度为1，而滚子绕其自身轴线转动的自由度乃是局部自由度。因此，在计算机构的自由度时，如果机构中存在局部自由度，应将局部自由度减去，才是机构实际的自由度。最后说明为什么要采用局部自由度。其三，应将各运动副提供的约束中，某些对机构的运动不起实际约束效果的“重复约束”去掉。可先以平行四边形机构为例，介绍“虚约束”的概念及其在计算自由度时的处理方法，然后介绍机构中存在虚约束的几种常见情况。最后提示一下:存在虚约束的机构，一般常具有相似或对称结构的特征。所以，如研究机构在结构上具有相似或对称部分时，就有可能存在虚约束，因而就要注意分析，以免发生错误。要注意，我们讲述的重点是机构自由度的概念、机构具有确定运动的条件，以及平面机构自由度的计算方法。另外，对“复合铰链”、“局部自由度”和“虚约束”应有明确的概念，且应讲清楚计算自由度时如何处理和为什么采用“复合铰链”、“局部自由度”和“虚约束”，其中“虚约束”是一个难点，但不宜作为重点而花费过多的课时。3.3第3讲(2学时)1)教学内容本章授课的最后2个学时要讲完平面机构的组成原理、平面机构的结构分析及分类、以及平面机构的高副低代等三部分内容。第一、三两部分内容可用2个学时，另1个学时讲授第二部分的内容。2)教学方法在讲授第一部分的内容时可先提出:我们知道机构是由若干构件通过运动副联接而成，其作用是进行运动的传递及变换，而且机构要具有确定的相对运动。那么当由构件组成机构时，有什么规律可循呢?这就是机构组成原理所要研究的内容。从而引出小标题“平面机构的组成原理”。然后先给出基本杆组的概念，通过对一个已知机构的分析，最后得出结论:“机构是由若干个基本杆组依次联于原动件和机架上而构成的”。并指出机构组成原理对机构分析和综合新机构的指导意义。在讲授第二部分的内容时可提出:既然机构是由若干个基本杆组依次联接在原动件和机架上而构成的，所以，当对现有机构进行分析时就可以把机构分解成原动件和机架及若干个基本杆组，从而对机构进行结构分类，然后，对同一类别的机构和同样的杆组，可以采用类似的方法进行运动分析和力分析。这就是机构分析要研究的内容和目的。引出小标题“平面机构的结构分析”，介绍各类杆组及机构的结构分类。举两个机构结构分析的例题，并通过例题说明同一机构若取不同的构件为原动件，则可能属于不同级别的机构。在讲授第三部分内容时可提出:我们在介绍以上两部分内容时都是以全低副机构为例进行的，如果机构中有高副将如何处理呢?从而引出高副低代问题，并说明其要满足的两个条件和具体的替代方法。

4.教学手段介绍构件、运动副、运动链及机构等概念及作为一个实例介绍机构运动简图的画法时，采用多媒体。也可带一个简单的机械模型如颚式破碎机、牛头刨床、内燃机。介绍运动副的构成、分类和代表符号时，采用多媒体。

第三章平面机构的运动分析1.本章的教学目的及教学要求1)明确机构运动分析的内容、目的及方法。2)深入理解速度瞬心(绝对瞬心和相对瞬心)的概念，并能运用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置。3)能用瞬心法对含高、低副的简单平面机构进行速度分析。4)能用图解法和解析法对平面Ⅱ级机构进行运动(速度和加速度)分析。2.本章教学内容的重点及难点本章讲述的重点是速度瞬心及“三心定理”的运用、平面Ⅱ级机构速度及加速度矢量方程的图解法。至于矢量方程的解析法，则着重介绍机构位移方程的建立问题。3.本章教学工作的组织及学时分配本章基本内容共讲授6学时。3.1第1讲(2学时)1)教学内容本讲的教学内容包括机构运动分析的的内容、目的和方法；速度瞬心的概念，瞬心的位置，“三心定理”及瞬心法在简单平面高、低副机构速度分析中的应用。第1学时讲完“三心定理”。第2学时则着重举例说明“三心定理”的运用，和应用瞬心法对简单平面高、低副机构进行速度分析。2)教学方法先讲机构运动分析的内容、目的和方法。为此提出：如果机构符合具有确定运动的条件，则当其原动件按已知运动规律运动时，其他构件的运动也应都是确定的。那么如何根据机构原动件的已知规律来确定其余构件的运动呢？这就是机构运动分析要解决的问题。具体的说，机构运动分析的内容就是根据机构中原动件已知的运动规律，分析确定该机构其他构件某些点的轨迹、位移、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。显然，机构运动分析，不论是对于了解现有机械的运动性能以便合理有效地运用这些机器，还是设计新的机械，都是十分必要的。机构运动分析方法有两大类，一是解析法，二是图解法。解析法是将机构中已知的运动参数与未知的运动参数和尺寸参数之间的关系用数学方程式表达出来，然后求解。其特点是可以得到很高的计算精度。这种方法，在数学和理论力学知识的基础上，掌握并不困难，而且运用算法语言和计算机的知识，可以利用计算机求解。而图解则是列出机构运动的矢量方程之后以作图法求解。由于其比较形象直观，而且对一般平面机构的运动分析来说使用也比较方便，所以在工程上得到广泛地应用。正因为因此，必须熟练地掌握。然后提出，当用图解法对一些简单的平面机构进行速度分析时，利用速度瞬心显得十分方便，引出小标题“速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用”。关于速度瞬心可按以下内容和顺序介绍：速度瞬心的概念；绝对速度瞬心和相对速度瞬心；机构中瞬心的数目；机构中各瞬心位置的确定：(a)通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置；(b)不直接相联的两构件的瞬心位置。提出问题，介绍“三心定理”。再具体举例说明应用三心定理确定有关瞬心的位置。并提示学生：在利用三心定理确定有关瞬心位置时，可用瞬心代号脚注标号消去的简便方法。例如，在确定瞬心P13的位置时，由于当瞬心代号P12和P23相同的脚注标号“2”去掉后，剩下的是“1”和“3”，所以P13必在P12和P23的连线上。同理，P13也一定在P14和P34的连线上，故P13的位置是P12，P23连线和P14，P34连线的交点。最后介绍瞬心法在平面机构速度分析中的应用。可分别举一个低副机构和一个高副机构的例子。在举例中，一定要强调“速度瞬心是互作平面相对运动的两构件上的瞬时等速重合点”这一基本概念。3)教学手段本节的教学手段主要是利用多媒体讲述，特别是讲授图解方法时，应边讲边画，到一定阶段时小结、提问并适当讨论，以加深学生的理解和印象。4)注意事项本章的重点有两个，一是要使学生掌握确定机构中各瞬心位置的方法。为此可以指导学生在确定机构中各瞬心的位置时，先列出所有的瞬心，然后确定出以运动副直接相联的两构件的瞬心位置；至于不直接相联的两构件瞬心位置的确定是本节的难点内容，可根据“三心定理”运用瞬心代号脚注标号消去法来确定。二是使学生明确“速度瞬心是互作平面相对运动的两构件上的等速重合点”，这一基本概念在讲解时一定要反复强调。因为瞬心法正是利用这一概念来进行速度分析的。3.2第2讲(2学时)1)教学内容用矢量方程图解法作平面机构的速度分析和加速度分析。矢量方程图解法的基本原理和方法讲1学时；另1学时讲授用矢量方程图解法作平面机构的的速度及加速度分析。2)教学方法开始可先提出:上讲说明，对简单的平面机构用瞬心法进行速度分析十分方便。但对于多杆机构，由于瞬心数目多，所以瞬心法就比较繁琐。加之有时瞬心往往落在了图纸的外面，给解题带来一定的困难。而且瞬心法只能用来进行机构的速度分析，如需要进行加速度分析，瞬心法就无能为力。还必须介绍另外一种方法—矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析。从而引出本讲的标题“用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析”。用矢量方程图解法对机构进行运动分析所依据的基本原理是我们在理论力学中已经很熟悉的“相对运动原理”。我们先介绍这种方法的基本原理和方法。引出小标题“矢量方程图解法的基本原理和方法”。下面分别就同一构件上两点之间的速度及加速度关系和组成移动副的两构件上重合点之间的速度及加速度关系两种情况加以介绍。先讲相对运动原理，再根据相对运动原理列出矢量方程式，然后逐项分析各矢量的大小及方向，并用有向线段表示各个矢量，即对各矢量的方程进行作图求解。在讲授过程中要介绍长度比例尺、速度比例尺及加速度比例尺的意义和运用。并要着重讲清楚法向加速度和哥氏加速度方向的确定问题。同时应注意归纳总结出影象原理。矢量方程图解法的基本原理和方法讲完后，再介绍本讲的第二部分内容：“用矢量方程图解法作机构的速度分析及加速度分析”。通过两个例子，一个无哥氏加速度，一个有哥氏加速度(如时间紧张，也可介绍一个有哥氏加速度的例子)，着重讲清解题的思路、步骤和方法。边讲边讨论。3)教学手段本节的教学手段主要是利用多媒体讲述，边讲，边提问，边讨论，边作图，要使学生至始至终参与矢量方程的图解过程。主要概念要以提问的方式启发学生思考，讨论清楚。在解题过程中重点使学生掌握基本原理和基本方法，至于具体数据和计算结果教师可直接给出。4)注意事项i)关于比例尺的问题。在用图解法解题时，要把一个实际量(如长度、速度、加速度、角度、角速度、角加速度等)用一线段在图面上表示出来，这就有个比例尺问题。本课程所用的比例尺的共同特点是实际量(按法定计量单位)在分子，表示该实际量的线段图示长度(以mm记)为分母。因此，如果用图中量出的代表某实际量的线段的长度(mm)，乘以相应的比例尺，即可得到该实际量。反之，如果已知的是某实际量，则除以相应的比例尺，即可求得在图中表示该实际量的线段的长度(mm)。关于这些特点要特别提醒学生注意。特别是本课程采用的长度比例尺μl与机械制图课程中图纸的比例尺M的区别，学生在思想上容易混淆，所以要着重强调。ii)关于法向加速度和哥氏加速度的方向的确定问题。学生在作机构的速度多边形时一般不会发生什么错误，但在做加速度多边形时却常常把法向加速度和哥氏加速度的方向搞错。例如法向加速度anBA的方向是沿机构图中的AB杆由B指向A，而不是在加速度多边形中由b＇点指向a＇点。哥氏加速度的方向是将相对速度沿牵连角速度转90°来确定的。显然，如果把相对速度或牵连角速度的方向搞错了，哥氏加速度的方向也就错了，这是学生常犯的一个错误。在讲授这些问题时都要反复的交待清楚。3.3第3讲(2学时)1)教学内容上节内容的应用实例和综合运用瞬心法和矢量方程图解法对复杂机构进行速度分析。2)教学方法同前节3)和教学手段本节的教学手段主要是利用多媒体讲述，边讲，边提问，边讨论，边作图，要使学生至始至终参与矢量方程的图解过程。主要概念要以提问的方式启发学生思考，讨论清楚。在解题过程中重点使学生掌握基本原理和基本方法，至于具体数据和计算结果教师可直接给出。4)注意事项同前节

第四章平面机构的力分析1.本章的教学目的及教学要求动态静力分析所介绍的主要问题，运用理论力学的知识应该是能够解决的，但由于机构力分析是机构分析与综合的重要问题之一，而且在本课程中关于机构力分析的内容及方法的介绍更体现了工程实际应用的特点，所以仍有进一步学习的必要。但鉴于课时压缩，用图解法作平面机构的动态静力分析放在课外由学生自学。本章学习的主要要求有以下几点：1)了解机构中作用的各种力及机构力分析的任务、目的和方法。2)能对一般简单平面机构进行动态静力分析。即确定各运到副中的反力及需加于机械上的平衡力或平衡力矩。3)能对移动副、转动副和螺旋副等运动副中的摩擦进行分析计算。

2.本章教学内容的重点及难点本章讲授的重点是作用在机械上的力；构件惯性力的确定(质量代换法)；考虑摩擦时运动副中的力分析、运动副中摩擦力的确定，特别是运动副中总反力作用线的确定。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章共讲授4学时。其中力分析的目的、方法，作用在机械上的力，惯性力的确定，不考虑摩擦时机构的受力分析2学时。各种运动副中的摩擦分析和考虑摩擦时机构的受力分析2学时。3.1第1讲（2学时）1)教学内容本讲的讲授内容包括:(1)作用在机械上的力;(2)机械力分析的任务、目的和方法;(3)构件惯性力的确定；(3)不考虑摩擦时机构的受力分析。2)教学方法先介绍作用在机械上的力，先提出:机构在运动过程中其各构件上要受到各种力的作用。而且机构的运动过程也是传力和作功的过程。然后列举各种力，并最后归结为驱动力和阻抗力。机构力分析的任务是:i)确定各运动副中的反力，即构成运动副的两构件间彼此作用的力;ii)确定为使机构的原动件按给定的运动规律运动需加于机构上的平衡力或平衡力矩。根据这两部分任务，说明机构力分析的目的。机构力分析的方法也有图解法和解析法两种。其各自的优缺点与机构运动分析相同，但由于机构力分析的精度一般可低于机构运动分析的精度，所以在一般情况下，用图解法进行机构的力分析已能满足要求了。另外，当不考虑构件的惯性力时机构的力分析称为静力分析;当计及构件的惯性力时的力分析称为动态静力分析。关于构件惯性力的确定，由于一般力学方法在理论力学课程中已经学过，此处可以总结性的讲解，不必过细的讨论。而应着重介绍质量代换法，随后可以曲柄滑块机构为例，分别以一般力学方法和质量代换法确定其连杆的总惯性力(为了节省时间，可只作定性的说明，而不必给出具体数字计算)。另外，在此处应该说明，由于各代换质量所产生的惯性力的合力应为构件的总惯性力，所以一般并不需要求出各代换质量及其所产生的惯性力的具体值，而只需求出两代换点的加速度矢量的交点，并过该点作出构件的总惯性力就行了。3)教学手段本讲主要是利用多媒体进行分析讲解。4)注意事项本讲介绍了一个新的概念是机构的平衡力，在讲授时要注意把平衡力的概念讲清楚，平衡力是指含有未知要素的外力，平衡力可以是驱动力(当已知机械的生产阻抗力时)，平衡力也可以是阻抗力(当已知机械原动机的功率时)。3.2第2讲（2学时）1)教学内容研究机械中摩擦的目的；移动副中的摩擦；螺旋副中的摩擦；转动副中的摩擦和考虑摩擦时机构的受力分析。重点是移动副和转动副中的摩擦分析。2)教学方法先介绍研究机械中摩擦的目的。应先说明摩擦力一般说来，是机械中的一种最主要的有害阻力。它会造成动力浪费，零件磨损。也应说明有些机械则是利用摩擦来工作的，如果没有摩擦或摩擦力不够大，它们便不能工作或不能很好地工作。由此说明研究机械中摩擦的目的是为了了解运动副中摩擦力的情况及分析计算的方法，以便尽可能减小其不利影响或在需要时充分发挥其有用的一面。本讲研究的主要内容是几种常见的运动副中的摩擦的分析。在机构中可能有低副也有高副。由于低副两元素间的相对运动只能是滑动，而高副两元素间可能产生滚动摩擦或滑动摩擦，或者既有滚动摩擦又有滑动摩擦；不过滚动摩擦一般较滑动摩擦为小，所以在对机械进行力分析时多略而不计，而只考虑其滑动摩擦；高副滑动摩擦的分析与移动副摩擦的分析方法是一样的。下面介绍移动副的摩擦，引出小标题“移动副中的摩擦”。在移动副摩擦这个小标题下，还可再列几个小标题：i)摩擦力及总反力摩擦力主要涉及两个方面的问题，一是摩擦力的大小，二是摩擦力的方向。先分析大小再分析方向，最后合成为总反力。根据库仑定律摩擦力F21＝fN21，要注意说明F21、N21的角注标号“21”的意义。为了力分析方便，将F21及N21以其合力表示，这就是总反力R21。总反力R21与N21的夹角为摩擦角；R21与相对运动速度V12之间的夹角为钝角。要注意指出V21是构件1相对构件2的相对速度。ii)正压力N21与外载荷Q的关系当两构件沿一水平置放的平面接触而构成移动副时，N21=Q，F21＝fN21=fQ。当两构件沿一水平置放的，两侧对称，槽形角为2θ的槽面接触而构成移动副时，N21=Q/sinθ，故F21=fN21=(f/sinθ)Q=fvQ。又如两构件沿一水平放置的圆柱面接触而构成移动副，则N21=kQ，故F21=fN21=kfQ=fvQ。此处引出当量摩擦系数fv，与之对应的当量摩擦角为Фv，说明引入当量摩擦的目的。并指出，虽然从形式上看，引入不同的当量摩擦系数求得的摩擦力也不同，但这并不是因为摩擦系数的改变所致，而是由于运动副两元素间的正压力不同的缘故。例如，在同样摩擦系数f和同样外载荷Q的情况下，由于槽面摩擦的正压力大于平面摩擦的正压力，所以前者的摩擦力也大于后者的摩擦力。说明三角螺纹联接和V带传动就是利用这个道理来增大摩擦力。在研究轴颈的摩擦时，轴线与轴承接触面间的相对运动为沿圆周方向。而在前面，当我们介绍两构件沿圆柱面接触而构成移动副时，两构件接触面之间的相对运动是沿其轴线方向的。但我们知道，在其他条件都相同的情况下，这两种情况下的摩擦力应是相同的。正如当两构件构成移动副时，不论两构件的相对运动是左右运动还是前后运动，都不会影响两构件间产生的摩擦力的大小。所以轴颈与轴承间产生的摩擦力F21=fN21=kfQ=fVQ。而该摩擦力对轴颈形成的摩擦力矩为MF=F21×r=fvrQ。当引入总反力R21后，由于R21对轴颈轴心之矩就等于摩擦力F21对轴颈的摩擦力矩，而根据力平衡条件又得R21=-Q，故最后得MT=fvrQ=R21ρ，而ρ=fvr。此时引入摩擦圆的概念，并指出总反力R21总切于摩擦圆上。然后指出，在对机构进行力分析时，为了简便起见，和对移动副进行力分析时一样，也不一定要求出转动副中的摩擦力，而是要直接作出转动副中的总反力。为了使学生能正确地确定出转动副中总反力R21的作用线，一定要把以下三个条件讲清楚：①总反力R21与外载荷Q大小相等方向相反。②总反力R21必切于摩擦圆。③R21对轴心之矩(即摩擦力矩)必定与轴颈1相对于轴承2转动的相对角速度ω12的方向相反。在这里必须使学生搞清楚R21是哪个构件作用于哪个构件上的力；ω12是哪个构件相对于哪个构件的转动角速度。至于止推轴端的摩擦，则要讲清分析计算的思路，并给出摩擦力矩的计算公式MT=2πf∫RrPρ2dρ。然后提出积分的求解分两种情况，一是对于未经跑合的新轴端来说，由于其与止推轴承的接触面各处的紧密程度差不多，故可取P=常数，由此求出此时摩擦力矩的计算公式。二是根据轴端和止推轴承跑合的过程，说明跑合的结果可大致使得Pρ=常数，并据以求出跑合轴端摩擦力矩的计算公式。此处还要附带说明一下为什么轴端一般都作成空心的。3)教学手段采用多媒体讲述。

4）注意事项①要提醒学生注意，运动副中的摩擦力是成对产生的。例如F21是构件1所受的构件2作用于构件1的摩擦力，它与构件1相对于构件2的相对移动速度ν12的方向相反。若就构件2而言，构件2所受的构件1作用于构件2的摩擦力为F12，它与构件2相对于构件1的相对移动速度ν21方向相反。显然，此处ν21与ν12大小相等方向相反；F21与F12大小相等方向相反。②关于当量摩擦系数的概念一定要讲清楚。当构成移动副的两构件互相接触的运动副两元素的几何形状不同时产生的摩擦力也不同，但这是因为正压力不同的缘故，而并不是因为摩擦系数发生了变化。

第五章机械的效率和自锁1.本章的教学目的及教学要求能确定简单机械的效率和自锁条件。

2.本章教学内容的重点机械的机械效率和自锁现象及自锁条件。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学时数为2学时。3.1第1讲（1学时）1)教学内容介绍机械效率的概念及其计算方法。2)教学方法首先介绍机械效率的基本概念及其一般的计算公式η=[(有益功Wr)/(驱动功Wd-损耗功WT)/Wd]=1-Wf/Wd。说明由于Wf>0，所以η<1。然后可以斜面机构正行程为例，利用此公式计算其机械效率。提出在应用上述基本公式计算机械效率时，有时需计算驱动力和有益阻抗力的位移，比较麻烦，下面介绍一种比较简单的力比形式的机械效率计算公式。引出公式η=P0/P或η=M0/M，并强调说明此公式是在有益阻抗不变，驱动力(或驱动力矩)作用方向也不变的条件下推出的，而且式中的P0及P都是驱动力，M0及M都是驱动力矩。仍以斜面机构的正行程为例以此公式计算其效率，得出与以机械效率基本公式所求得的完全相同的结果。再以斜面机构的反行程为例计算其机械效率，这里主要说明此时的驱动力为Q，故其机械效率应为η‘＝Q0/Q。同时也说明，同一机构正、反行程的机械效率可以是不相同的。为了节约学时，关于机组的效率可只介绍串联机组的效率求法，而将并联机组和混联机组的效率计算问题留给学生自己去推导。机组效率计算的例题也可以留给学生自学。提出根据以上的分析可知，为了提高机械的效率，应设法减小损耗功，为此，一是要设法减小运动副中的摩擦；二是在能够满足运动及工作要求的前提下应尽可能减短机械的传动系统，使机械的功率传递通过的运动副数目尽可能少。3)教学手段本讲主要是利用多媒体进行分析讲解。边讲、边画、边讨论。4)注意事项在利用力比公式计算机械效率时，一定要使学生记住P0及P都是驱动力，M0及M都是驱动力矩，要注意力或力矩的性质，而不要被其代表符号所迷惑。要使学生十分明确机械效率的基本概念。根据机械效率的基本概念，学生应能自己推出并联机组和混联机组效率的计算公式。

3.2第2讲(1学时)1)教学内容本讲的教学内容是机械的自锁现象及自锁条件。2)教学方法本讲的讲授可以先提两个问题：即什么是机械的自锁现象？及机械发生自锁现象的条件是什么？或者说机械在何条件下才会发生自锁？下面先介绍第1个问题：何谓机械的自锁？所谓机械自锁，是指有些机械，就其结构情况分析自由度大于零，因此只要加上足够大的驱动力，按理就应该能够沿着有效驱动力作用的方向运动，而实际上由于摩擦的存在，却会出现无论这个驱动力如何增大即使增大到无穷大，也无法使它运动的现象，就叫做机械的自锁。这里有三点必须讲清楚：第一，就机构的结构而言它本应是能够运动的(即其自由度F>0)；第二，在驱动力任意增加的情况下都不能使其产生运动。所以不能误认为机构运动不起来就是自锁了。第三，自锁的实质是驱动力的有效分力小于由驱动力本身所产生的摩擦阻力。在讲清了“自锁”的概念后，可举几个在机械工程中应用“自锁”的例子，如千斤顶、螺旋传动、蜗杆传动等。而且最好利用模型或实物进行演示。通过举例演示后，尚需指出，所谓机构具有自锁性，只是指该机构在某个方向的驱动力作用下，或在某一构件为主动件的情况下是自锁的，而并非在任何情况下都不能运动，否则就不成其为机构了。至于是否需要使机构具有自锁性，要视工作需要而定，例如上面所举的例子便都需要具有自锁性；而在一般情况下，如无自锁性要求，应避免机构具有自锁性，因为具有自锁性的机构其机械效率一般都比较低，这就是研究自锁的必要性。下面再介绍第2个问题：机械的自锁条件，这里又可分为两点来研究：i)分析运动副发生自锁的条件。因为机构的运动是通过运动副进行传递的，所以如果构成运动副的两构件间发生了自锁，显然机构也就不能运动了，即机构也就自锁了。然后分别就移动副和转动副分析其自锁条件并得出结论：对移动副来说，如果驱动力作用于摩擦锥之内将自锁；对转动副来说，如果驱动力为一单一外力而且作用于摩擦圆之内也将自锁。ii)就整个机构讨论其自锁条件。如果机构中有一个运动副自锁了。整个机构也就自锁了(对单自由度机构而言)。所以要知道机构是否会自锁，应对该机构中的所有运动副逐个进行分析，这显然有时是很麻烦的，有时甚至是难于做到的。下面引出由其机械效率η小于等于零来判定机构的自锁条件，并说明具体的作法。同时还应说明此时η已无一般机械效率的意义，而只表明机械自锁的程度。机械自锁的确定也可以令生产阻力小于零来确定。下面举例机械自锁条件的确定。①螺旋千斤顶(即斜面机构反行程)。根据η’小于等于零得出其自锁条件为螺旋升角小于等于当量摩擦角。并说明此时驱动力(Q)是作用在摩擦锥内的，所以也符合移动副自锁的条件。②斜面压力机。此题在正确确定各移动副中总反力作用线的基础上，用图解法进行力分析，求得驱动力P与载荷Q的关系，并进而求得其机械效率和反行程的自锁条件。3)教学手段在介绍自锁现象在机械工程中的应用时使用合适的模型或实物进行演示。而本讲的主要内容是利用黑板进行作图、分析和讲解，特别是总反力的方向的确定，应边讲边画图。4)注意事项①本讲要着重讲清机械自锁的概念，讲明自锁的实质和自锁的方向性问题及自锁条件的确定，并说明自锁现象在机械工程中的重要。②在进行摩擦分析时，要强调分析的是哪个行程。因为正反两个行程的摩擦力方向正好相反。

第六章机械的平衡1.本章的教学目的及教学要求掌握刚性转子静平衡、动平衡及平面机构惯性力的平衡原理和方法。

2.本章教学内容的重点及难点刚性转子的静平衡、动平衡计算，平衡方法及转子的许用不平衡量。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学时数为2学时，安排实验课2学时(选做)，使学生对机构动平衡的方法有一个深刻的认识。1)教学内容机械平衡的目的及内容；刚性转子的平衡计算；刚性转子的平衡实验；转子的许用不平衡量；平面机构的平衡。2)教学方法举例定量说明高速转子产生不平衡惯性力的大小，指出该力带来的危害性，说明平衡的必要性。并说明也有利用不平衡在运转时引起的振动来工作的机械。刚性转子的静平衡计算较简单，而动平衡的计算，只需讲清把一个力分解成两个与之平行的分力的原理。平衡实验讲清其必要性，使学生认识到即使经过平衡计算的转子，也必须进行平衡实验，至于其具体内容，可留在实验课上详细介绍。许用不平衡量是一个重要的工程概念，应该重点介绍。在平面机构中，虽有作平面复合运动的连杆和往复移动的滑块，但可以使各构件产生的惯性力及惯性力偶矢量合为零，从而不再传到地基上去。由于在机座上承受着三个外力矩(惯性力偶矩、驱动力矩、阻抗力矩)，单独消除惯性力偶矩意义不大，不一定能收到好的效果，兼之其计算工作量大，所以一般只考虑机构惯性力的平衡问题。而机构惯性力的平衡又分为两类，即完全平衡和部分平衡。完全平衡分为利用对称机构平衡与利用平衡质量平衡两种；部分平衡分为利用平衡机构平衡和利用平衡质量平衡两种。利用对称机构的完全平衡，将使机构的轮廓尺寸过于庞大;而利用平衡质量的完全平衡，则需加十分笨重的配重，都不理想，故工程上一般采用部分平衡法。3)教学手段为了进一步提高教学效率，采用多媒体教学。4)注意事项重点介绍刚性转子的两类平衡计算，至于平衡实验与机构的平衡讲清基本概念的和思路就行了，不必花费过多时间。

第七章机械的运转及其速度波动的调节1.本章的教学目的及教学要求对单自由度机械传动系统的等效动力学模型有明确概念，掌握建立机械运动方程式的方法；了解周期性和非周期性速度波动的调节原理；掌握飞轮转动惯量的近似计算方法。

2.本章教学内容的重点及难点单自由度机械系统等效动力学模型的建立及有关的基本概念；飞轮转动惯量的近似计算方法。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学时数为4学时。

3.1第1讲(2学时)1)教学内容本章研究的内容及目的、机械运转的三个阶段及作用在机械上的力；单自由度机械系统的等效动力学模型及运动方程式的建立。2)教学方法机械中原动件运动的速度并非绝对均匀。自然就会联想到两方面的问题，即如何确定机构原动件的真实运动规律；如何控制机械速度波动的程度。接着就阐述机械运转的三个阶段及作用在机械上的力类型。为了解决确定机械的真实运动规律的问题，需利用动能定理来建立运动方程式，为此，需把动能定理复述一遍。在建立运动方程式时，直接给出如下的一般表达式：d=

因上式中包含的运动变量较多，故其求解是非常困难的。但对于单自由度的机械系统，这些运动变量并非彼此孤立的，只要其中任一个确定后，其余各运动变量都可相应的确定。为了便于对运动方程式进行求解，将上述运动方程式推演成只有一个运动变量的运动方程式。这就需要引入等效构件、等效质量(转动惯量)、等效力(力矩)及等效动力学模型等重要概念。i)当以回转构件为等效构件时，其运动方程式为：dJeωe2/2=Meωedtii)当以移动构件为等效构件时，其运动方程式为：dMeve2/2=Fevedt等效构件是随原机构运动的假想构件，虽其可任选，但为了研究的简化，一般常以作回转运动或移动的原动件为等效构件。当等效构件具有等效质量(转动惯量)，其上作用有等效力(力矩)时，这就构成了等效动力学模型，从而可使问题大为简化。等效质量(转动惯量)的等效条件是等效构件所具有的动能与整个机械系统各构件所具有的动能和时时相等，它是原动件(即等效构件)位置的函数，即me=me(s)，Je=Je(φ1)。等效力(力矩)的等效条件是作用在等效构件上的等效力(力矩)的瞬时功率与作用在整个机械系统各构件上的所有外力的瞬时功率和时时相等，它在最一般的情况下是原动件(等效构件)位置、速度和时间的函数，即Fe=Fe(s、v、t)，Me=Me(φ、ω、t)。在按等效动力学模型求解时，需先求出等效质量(转动惯量)和等效力(力矩)，故等效质量(转动惯量)和等效力(力矩)的计算是十分重要的，为加深同学的理解，以曲柄滑块机构为例讲解。为便于对各种问题的求解，还常需推导出其他形式的运动方程式。除上述的微分形式的运动方程式外，还有力(力矩)形式的运动方程式和动能形式的运动方程式。3)教学手段这部分内容主要是理论的阐述和方程的推演，用到的图和公式及在举等效转动惯量、等效力矩计算例时，用多媒体，以提高讲授效率。4)注意事项本讲理论性系统性较强，在推导运动方程式，以曲柄滑块机构为例着手，再推广到一般情况；等效动力学模型的建立是本讲的重点，涉及基本概念一定要讲清楚；应强调，由于速比(ωi/ωe)、(vsi/we)仅是机构位置的函数，与原动件运动速度的大小无关，所以当机构中各构件的质量与转动惯量为常数时，其等效转动惯量Je就只是机构位置的函数。3.2第2讲(2学时)1)教学内容稳定运转状态下机械的周期性速度波动产生的原因、调节;飞轮的简易设计方法;机械的非周期性速度波动及其调节。2)教学方法因为作用在机械上的等效驱动力矩和等效阻抗力矩均作周期性变化，所以机械运转速度将称周期性变化。机械运转速度不均匀的程度用什么来衡量呢?由此引出平均速度与运转不均匀系数的概念，接着由运转不均匀带来的危害性，进而引出调速要求。运转不均匀系数应满足：δ=△wmax/ωm2(Je+JF)≤[δ]。由此可得，只要在机器中增加一个转动惯量足够大的飞轮，就可使δ≤[δ]的要求得以满足，而确定飞轮的转动惯量的关键，在于求出最大盈亏功△wmax。应进一步强调最大盈亏功的含义是一个机械在转动周期中所出现的最大盈功或亏功的绝对值。关于△wmax的确定利用利用能量指示图重点讲授。对上式的几点讨论：i)当△wmax、ωm一定时，JF与[δ]成反比，若要[δ]很小，JF就要很大，故过分追求机械运转的均匀性是不恰当的。ii)由于JF≠∞，故δ≠0，说明在装上飞轮后，机械的运转也不是绝对均匀的，只不过速度的波动有所减小而已。iii)当△wmax、[δ]一定时，若ωm大，则JF可减小，则将飞轮安装在速度较高的轴上是有利的。但这时除要注意安装外，还要注意安装轴和飞轮的强度，飞轮的线速度不要超过许用值。至于飞轮尺寸的确定，由学生自学。关于机械的非周期性波动，可以推土机，拖拉机等的工作情况为例来说明。它们工作阻力的变化往往是非周期性的。如推土机在推土时，工作阻力迅速增大，且越来越大，这时若驱动力不能相应随之增大，使之与阻抗力的变化相适应，就会长时间地处于Mer>Med的状态，机械运转的速度就会越来越慢，最后以致“熄火”；相反，在推土过程完成后，工作阻抗力突然减小，这时若驱动力不能随之减小，就会长时间处于Med>Mer的状态，机械的运转速度就会越来越高，甚至可能出现飞车，使机械遭到破坏。为避免上述两种情况的发生，就需要一种调速器的装置对机械的非周期性速度波动进行调节，已使驱动力矩与阻抗力矩达到彼此相适应。接着介绍燃气涡轮发动机中的离心式调速器的工作原理。提问学生，为什么许多机器上没有调速器？这是由于电动机有自调性的缘故。简单解释一下什么叫做自调性，以说明用电动机为原动机的机械不再需要安装调速器。而内燃机、蒸汽机、汽轮机等因其无自调性，故以其为原动机的机械一般选装调速器。例如拖拉机，工程机械、火车、中型卡车等上就都装有调速器。3)教学手段讲调速器时用多媒体，以节省画图时间。4)注意事项为加深学生的理解，需讲清以下问题：周期性速度波动和非周期性速度波动各用什么方法调节？彼此能否取代？为什么许多机械上见不到专用的飞轮？

第八章平面连杆机构及其设计1.本章的教学目的及教学要求了解平面连杆机构的基本型式及其演化；对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的概念；能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构。

2.本章教学内容的重点及难点平面四杆机构的一些基本知识；按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学时数为6学时。

3.1第1讲(2学时)1)教学内容平面连杆机构的应用、特点及平面四杆机构的基本型式与演化方法。2)教学方法介绍连杆机构的特点时，着重指出该机构属于低副机构，具有承载能力大、结构简单、制造容易、工作可靠等优点，但也存在传动精度低、惯性力难以平衡等缺点，从而指出，连杆机构一般适用于在中低速的场合。在讲授平面四杆机构的基本型式时，应先在黑板上画一个与所带教学模型完全相同的铰链四杆机构的运动简图，讲清机架、连架杆和连杆等概念后说明铰链四杆机构的三种基本型式。在几种演化规律中，重点讲清选择不同构件为机架的演化方法，反复说明这种演化方法的实质是依据理论力学中相对运动原理，当给整个机构加一相同的运动时，各构件之间的相对运动关系不发生改变，而各构件的绝对运动却改变了，这就形成了与原机构不同的机构。讲清这个原理，可为本课程后面讲清连杆机构及凸轮机构的“反转法”设计，和齿轮轮系一章中的“转化机构法”打下基础。3)教学手段在介绍平面连杆机构的应用和特点时，可采用多媒体实现动画的CAI课件并用，能增强学生的感性认识和激发学生的学习兴趣。在介绍铰链四杆机构的基本型式时，带上教学模型，注意用多媒体运动简图，便于讲述。讲完演化方法后，归纳总结出平面四杆机构的演化规律。4)注意事项由于这部分的教学内容很丰富，例子也很多，但学时有限，故要结合运用现代教学手段。

3.2第2讲(2学时)1)教学内容平面四杆机构的一些基本知识，包括曲柄存在条件，急回运动与行程速比系数，传动角与死点，运动的连续性等内容。2)教学方法i)在分析曲柄存在以前，可先提出上一讲在介绍平面四杆机构的基本型式时我们看到，同是铰链四杆机构，有的存在曲柄，有的机构却无曲柄。而且在介绍机构的倒置时还发现，即使是同一个运动链，若选用不同构件为机架，则有的机构有曲柄，有的却没有。从而提出平面四杆机构在什么条件下才存在曲柄呢?并引出小标题“平面四杆机构有曲柄的条件”。条件为:最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；组成该转动副的两杆中必有一杆为最短杆。这两个条件须同时满足，缺一不可。ii)在讲述急回运动与行程速比系数时，以曲柄摇杆机构为例，先介绍摇杆的极位与机构极位夹角的概念，然后提出当曲柄等速回转时，摇杆是否也等速摆动的问题，从而引出急回运动及急回运动特性，并推导出行程速比系数K与极位夹角θ之间的数学关系式:K=(1800+θ)/(1800-θ)或θ=1800×(K-1)/(K＋1)。上式的几点讨论：只要极位夹角不等于零，机构就必然存在急回运动；θ角越大，K值就越大，机构急回运动愈显著。iii)传动角γ与压力角α是衡量机构传力性能的好坏指标，关于机构的压力角，不仅在平面连杆机构中，而且在后面的凸轮机构和齿轮机构中都要用到这个概念。指出传动角是压力角的余角，即α+γ=900。引入传动角的原因是在连杆机构中分析传动角比压力角更为方便一些。介绍了压力角与传动角的概念之后，指出从传力的角度看，有效驱动力越小，传动角越小，机构传力性能越差，故应限制αmax≤［α］和γmax≥[γ]。强调说明α、γ随机构所处位置不同而变化，至于机构出现最小传动角的位置，可以用解析法，也可用教具定性的说明，使学生有一个深刻的印象。vi)在讲清传动角的概念后，可以提出一个问题，若传动角γ=00，机构将会发生什么变化?显然当机构处于这位置时，无论驱动力有多大，作用在从动件上的有效驱动力都等于零，机构将不能运动。这个位置就是机构的死点位置，既然在死点时，无论驱动力多大，机构都不能运动，所以就要使机构在正常工作时越过这个位置。接着可介绍利用机构的惯性及机构错位排列等方法使机构越过死点位置。最后指出死点并不都是有害的，在工程实践中，有些机构恰恰是利用死点位置来实现一定的工作要求，并举几个实例予以说明(如飞机起落架机构、轮椅的制动装置、拉铆机等)。v)关于铰链四杆机构的运动连续性问题，以曲柄摇杆机构为例，提出当曲柄连续转动时，摇杆是否能在任意角度范围内往复摆动呢?以引起学生的兴趣。接着分析该机构的可行域和非可行域，并指出机构在两个不连通的可行域之间的运动是不能连续的。3)教学手段在讲述本讲时，需要板书进行简要的推导，并利用多媒体教学系统和教具进行现场演示。4)注意事项要向学生强调平面四杆机构中曲柄存在的两个条件必须同时满足，缺一不可。注意机构死点位置与自锁现象的区别，指出机构之所以发生自锁，是由于机构中存在摩擦的缘故;而机构处于死点位置时，即使不存在摩擦，机构也不能运动，这就是它们之间的本质区别。

3.3第3讲(2学时)1)教学内容平面四杆机构的设计。2)教学方法首先介绍连杆机构的设计的基本问题，其任务是根据设计要求(如预定位置，运动规律或运动轨迹等)来确定机构各构件的尺度参数。由于平面四杆机构可供选择的尺度参数的数目是有限的，所以用平面四杆机构来满足各种设计要求，大多只能近似的实现。其次说明连杆机构的设计方法有解析法、作图法和实验法三种。对于作图法，学生常认为只是简单的几何作图而不予重视，因此需针对典型的设计命题，重点讲授，使学生必须掌握。按连杆的预定位置用作图法设计四杆机构，学生比较容易理解和接受，而机构的“倒置”，则把按两连架杆对应位置设计问题转化为按连杆预定位置设计的问题，这类问题的关键是如何反转？只要告诉学生把所求连架杆反转，难点就克服了。讲述实验法时，由于这种方法没有严密的理论分析，又带有试凑的性质，学生可能不太习惯。在讲述前应先把运动要求比较复杂，特别是对于按照给定轨迹要求设计四杆机构的问题提出来，并指出这类问题不论用解析法，还是用作图法都是难以精确解决，若采用实验法，只要有足够的耐心，是可以近似地求解，使学生产生对于实验法的浓厚兴趣。3)教学手段讲授用作图法设计四杆机构时，教师用多媒体一笔一笔地把线条画出，进行分析讲解。4)注意事项作图法中的转化机构法是一个难点，结合实例讲解基本原理，详细说明作图法设计的基本方法及步骤。按连杆的预定位置及按给定的行程速比系数设计四杆机构，虽然比较容易理解，但要学生注意紧密结合四杆机构的基本知识进行深入的思考，使所设计的四杆机构能满足运动要求，而且有良好的传力性能。

第九章凸轮机构及其设计1.本章的教学目的及教学要求了解凸轮机构的应用及分类方法；对推杆常用运动规律及其选择原则、机构压力角等有明确的概念；掌握盘形凸轮廓线的设计方法和确定基本尺寸的主要原则。

2.本章教学内容的重点及难点推杆的常用运动规律;盘形凸轮轮廓曲线的设计;凸轮的基圆半径与压力角及自锁问题。

3.本章教学工作的组织及学时分配本章理论教学时数为6学时。

3.1第1讲(4学时)1)教学内容凸轮机构的应用和分类；推杆的常用运动规律及其选择原则;用作图法设计平面凸轮的轮廓曲线。2)教学方法结合模型介绍凸轮机构的组成，指出什么是凸轮，并说明为什么凸轮机构在各种机械，特别是自动机械中得到广泛的应用。说明凸轮机构属于高副机构，它虽然可以实现各种复杂的运动要求，但不宜承受大的载荷。介绍分类时，指出各种凸轮机构的优缺点及其适用的场合。讲述推杆常用的运动规律时，可简要说明运动规律方程式的建立过程，重点分析归纳各种运动规律的优缺点及其适用场合，并简要介绍运动规律的选择原则。为了实现推杆预期的运动规律，就需设计出凸轮的廓线，即凸轮的轮廓曲线决定了推杆的运动规律。设计凸轮廓线的方法有作图法和解析法两种。这两种方法所依据的基本原理和方法相同，作图法具有形象直观的特点。讲述作图法时，以对心直动尖端推杆盘形凸轮机构为例，在选定推杆的运动规律和凸轮的基圆半径的前提下，重点介绍“反转法”原理。指出“反转法”就是根据相对运动原理，给整个机构加上一个与凸轮转速相等转向相反的绕凸轮轴的反转运动，前后各构件之间的相对运动关系并未发生变化。在此过程中凸轮将“静止不动”，而推杆则一方面以反转角速度绕凸轮轴反转，另一方面又仍按其预期的运动规律运动，即推杆的运动是其反转运动和预期运动合成的复合运动。推杆在这种复合运动中，其尖端的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。再适当介绍其他类型凸轮机构的设计步骤。使学生懂得凸轮的实际轮廓曲线是推杆在复合运动中其高副元素所形成的曲线族的包络线。3)教学手段用凸轮机构模型进行演示并采用多媒体动化，讲述“反转法”原理。对于凸轮廓线的设计，以对心直动尖端推杆盘形凸轮机构为例，认真仔细地讲述凸轮廓线地绘制过程，线条力求正确，美观，给学生起示范作用。为了使学生对于凸轮廓线的设计步骤进一步明晰，适当进行小结，找出规律。4)注意事项讲述凸轮机构类型时，先介绍凸轮机构的命名规律。关于推杆的运动规律，为了提高课堂讲授效率，数学方程不必详细推导，也不要求学生死记硬背，只要能正确理解运动方程中各个参数的含义，并能在设计时正确使用即可。

“反转法”原理学生虽已熟悉，但以下几点需注意：i)推杆在反转运动中转向与凸轮的转向相反。ii)在滚子推杆和平底推杆中，要注意理论廓线与实际廓线的区别与联系。iii)在介绍偏置直动推杆盘形凸轮机构时，要着重说明偏距圆的概念，指出推杆在反转运动中依次占据的位置都与偏距圆相切。iv)由于现在凸轮轮廓曲线的设计是以解析法为主，故作图法不宜讲的过多过细。3.2第2讲(2学时)1)教学内容平面凸轮机构的压力角、自锁及其基本尺寸的合理选择。2)教学方法在讲述凸轮廓线的设计时，都假设凸轮基圆半径、推杆滚子的半径等尺寸是已知的，而且对于平底推杆底部的尺寸、直动推杆导轨的长度等尺寸也未给出，但在具体凸轮机构设计时，这些尺寸都必须已知。那么这些尺寸是根据什么条件，考虑哪些因素，采用什么方法来确定的呢?首先探讨凸轮基圆半径的确定问题。为此需对凸轮机构中的作用力进行分析，用一个直动推杆盘形凸轮机构来进行分析，写出压力角与作用力和有关尺度参数及运动参数之间的数学关系式。然后对该数学表达式进行分析讨论，得出压力角与凸轮基圆半径等的关系式，并指明在其它条件相同时，基圆半径愈小会使压力角变大。这样就出现了为了减小机构中的作用力希望压力角小和为了减小凸轮基圆半径会使压力角变大的矛盾。自然就找到了解决此矛盾的办法，即限制αmax≤[α]。至于如何根据αmax≤[α]来确定凸轮的基圆半径有不少方法，不必深究。强调说明按理论方法确定的凸轮最小基圆半径一般都较小不实用，而在工程中，凸轮的基圆半径通常是先根据具体的结构条件(例如凸轮机构所在的空间及凸轮轴的直径等)来初步确定，然后再检查其是否满足αmax≤[α]的条件。其次，再来讨论尺寸的确定问题，从上述的数学关系式可以看出，增大导轨长度l和减小推杆的悬臂尺寸b，对于改善机构的受力情况是有利的，所以在结构许可的条件下应选用较大的l较小的b。最后，在讲授滚子半径的确定问题时，先提出为了提高滚子的寿命及增大滚子轴的强度和刚度等，需选用半径较大的滚子。但滚子半径过大时，对于外凸的凸轮廓线，当滚子半径rr等于凸轮理论廓线的曲率半径ρ时，凸轮的实际廓线将“变尖”;而当rr＜ρ时，凸轮的实际廓线将会产生“失真”现象。平底推杆凸轮机构也有”失真”现象，通过幻灯片可以发现，平底推杆产生“失真”的原因是凸轮的基圆半径过小。最后归纳出确定凸轮机构基本尺寸的结论：凸轮基圆半径不但与结构尺寸有关，不仅影响到机构传力性能好坏，而且会引起“变尖”与“失真”问题。所以设计时在结构尺寸许可的条件下，应尽可能取得较大的基圆半径。3)教学手段讲授本讲时，用到的图较多，利用多媒体省绘图时间，提高讲授效率。4)注意事项将凸轮的基圆半径与压力角作为重点，把基圆半径对机构尺寸、传力性能、自锁现象与失真问题的影响，自始至终贯穿起来。

第十章齿轮机构及其设计1.本章的教学目的及教学要求了解齿轮机构的类型和应用;了解齿廓啮合基本定律及有关共轭齿廓的基本知识;了解渐开线性质，掌握渐开线直齿圆柱齿轮的啮合特点及渐开线齿轮传动的正确啮合条件、连续传动条件等;熟记渐开线齿轮各部分的名称、基本参数及各部分几何尺寸的计算；了解渐开线齿廓的范成法切削原理及根切成因;渐开线标准齿轮的最少齿数;了解渐开线齿轮的变位修正和变位齿轮传动的概念；熟悉斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成，啮合特点，并能计算标准斜齿圆柱齿轮的几何尺寸；了解直齿圆锥齿轮的传动特点及其基本尺寸的计算；对蜗杆蜗轮的传动特点有所了解。2.本章教学内容的重点及难点渐开线直齿圆柱齿轮外啮合传动的基本理论和几何设计计算；对于其它类型的齿轮机构，着重介绍它们的特殊点。3.本章教学工作的组织及学时分配本章的理论教学时数为12学时，实验2学时。3.1第1讲(2学时)1)教学内容齿轮机构的类型和应用；齿轮的齿廓曲线；渐开线的形成及特性。2)教学方法首先介绍齿轮机构的类型和应用。这部分的内容可以利用各种类型齿轮机构的模型、CAI课件或现场教学等联系实际进行介绍，强调齿轮机构的类型虽然很多，但直齿圆柱齿轮机构是最简单，最基本，也是应用最广泛的一种。为什么齿轮机构的应用会如此广泛，而类型又如此之多呢?主要由于齿轮机构有许多独特的优点，如结构紧凑，传动平稳可靠，传递功率大，机械效率高等。最好联系当代工程成就，介绍齿轮机构所达到的新水准，这样更能激发学生对本部分内容的极大兴趣。讲授齿轮的齿廓曲线时，应指出，齿轮传动中最重要的部位是轮齿廓线.因为一对齿轮是依靠主动轮的齿廓推动从动轮的齿廓来实现传动的。共轭齿廓就是能实现预定传动比的一对齿廓。这里可以提出一个问题，即齿轮的齿廓曲线与一对齿轮的传动比有什么关系?通过一对齿轮的运动分析，我们可以证明:互相啮合传动的一对齿轮，在任一位置时的传动比，都与其连心线被其啮合齿廓在接触点处的公法线所分成的两段线段的长度成反比，这一规律即齿廓啮合基本定律。根据该定律，可以得出结论：要使两齿轮作定传动比传动，首先其齿廓曲线必须满足下述条件：即不论两齿廓在何位置接触，过接触点所作的齿廓公法线必须与两齿轮的连心线相交于一固定点。该结论十分重要，因为工程中使用的齿轮传动，绝大多数是定传动比传动；而且，实现定传动比的一对共轭齿廓就是根据这个结论作出来的。根据齿廓啮合基本定理，只要给出一条齿廓曲线，就可以求出与之共轭的另一条齿廓曲线。因此，理论上讲，可以作为共轭曲线的齿廓是很多的。但在生产实践中，考虑设计、制造、安装和使用等方面的局限，对于定传动比齿轮，其齿廓曲线目前只采用渐开线、摆线、变态曲线、圆弧线和抛物线等几种。就动力传动齿轮而言，目前绝大部分的齿轮仍然采用渐开线作为齿廓曲线。这是由于渐开线齿廓具有许多独特的优点，而这些优点与渐开线的特性密切相关。本讲就是从渐开线的形成入手，分析渐开线的特性，为后面分析渐开线齿廓的传动特点打下基础。讲述渐开线的形成时，最好利用模型、CAI课件演示或在黑板上作图的方法解决。根据渐开线的形成过程，可以很自然地讲清渐开线的特点。这些特点学生必须透彻理解并牢记，对学习后面的内容是很有用处。在介绍渐开线特点时，渐开线在任意点K的压力角αi的表达式为：cosαi=rb/ri式中Υb为基圆半径，Υi为渐开线上任一点K的向径。在渐开线的形成过程中，能很方便地推导出压力角与展角的关系为：θi=tgαi-αi由于这个关系式是渐开线所特有的，故称展角θi为压力角αi的渐开线函数，用invαi表示。由上所述，可以写出渐开线的极坐标方程为ri=rb/cosαiinvαi=θi=tgαi-αi3)教学手段采用多媒体及CAI课件或模型4)注意事项①介绍齿轮机构的类型与应用时，紧密联系在机械工程中的实际应用，避免单纯罗列，尽可能使教学内容充实生动。②推导齿廓啮合基本定理时，可利用瞬心的概念或通过一对齿廓的相对运动关系这两种方法来解决。前者虽然能节省时间，但后者对于了解一对齿廓的相对运动关系很有帮助，建议采用后者。3.2第2讲(4学时)1)教学内容渐开线齿廓的传动特点和渐开线齿轮各部分的名称及几何尺寸计算;渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动，包括一对渐开线齿轮的正确啮合条件，中心距和连续传动条件等。2)教学方法前面提到，在动力传动中，绝大部分齿轮的齿廓曲线采用渐开线。这是什么缘故呢?渐开线作为齿廓有什么突出的优点呢?本节我们来分析这些问题。根据渐开线的特点，我们既可以证明渐开线齿廓能保证定传动比传动，也可以证明在传动过程中，齿廓之间的正压力方向始终不变，这对于齿轮传动的平稳性是很有利的。我们还可以证明一对渐开线齿轮的传动比等于两齿轮基圆半径的反比。两轮加工完成之后其基圆大小已完全确定，只要两轮的渐开线齿廓能正确啮合，其传动比就为常数。也就是说，即使两轮的实际中心距与设计中心距有偏差，也不会影响两轮的传动比。该特性称为渐开线齿轮传动的可分性，迄今为止只有渐开线齿廓具有该特性，该特性使得渐开线齿轮的加工，安装和使用维护都十分方便。渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分的名称和几何尺寸计算，是本章最基本的内容，要求学生必须熟记和掌握。讲述这部分的内容时，可以先用一张渐开线标准直齿圆柱外齿轮的挂图或实物，介绍渐开线齿轮各部分的名称。然后指出：齿轮各部分的几何尺寸中，以那一个为基准，有哪些是基本参数，基本参数与各部分的几何尺寸之间关系如何。讲述过程中要特别注意讲清“分度圆”的概念。强调分度圆是计算齿轮各部分尺寸的标准，每个齿轮都有一个大小完全确定的分度圆，而且也仅有一个分度圆。在分度圆上，模数m与压力角α都为标准值。对于齿数z一定的齿轮，其各部分的尺寸将因模数的不同而不同，其齿廓曲线的形状将因压力角的不同而各异。所以z，m，α是齿轮的三个基本参数。此外，还要介绍齿顶高系数，顶隙系数及所谓标准齿轮等概念。齿轮各部分几何尺寸计算公式很多，学生可能感到很难记忆。这部分内容，重点介绍外齿轮的几何尺寸。齿条与内齿轮的几何尺寸，只介绍其几个主要特点即可。其实公式并不多，只要能够记住基本公式(如分度圆，齿顶高，齿根高的计算公式)，其他部分的几何尺寸根据齿轮的图形可以很容易地推导出来的，不必死记。前面介绍了单个渐开线齿轮的内容，现在介绍一对渐开线齿轮啮合传动的内容。关于一对齿轮的啮合传动，首先一个问题是怎样的一对渐开线才能正确的啮合传动，其次是一对齿轮的中心距应该多大，最后是一对齿轮什么条件下才能满足连续传动。下面分析这些问题。一对渐开线齿轮的正确啮合条件可以这样提出：虽然渐开线齿廓能够满足定传动比传动的要求，但这不是说任意两个渐开线齿轮都可以正确啮合传动。譬如一个齿轮的模数很大，而另一个齿轮的模数很小，显然大模数齿轮的轮齿就无法插入小模数齿轮的齿槽进行啮合。那么怎样的两个渐开线齿轮才能进行正确啮合呢？为此，我们可以从一张齿轮啮合传动图上进行分析。分析表明，一对齿轮要能正确啮合，两齿轮的法向齿距(即法节)必须相等。根据渐开线特性，渐开线齿轮的法向齿距等于基圆齿距(即基节)。故两齿轮正确啮合条件为基节相等即：

m1cosα1=m2cosα2。由于压力角和模数都已标准化了，故一对渐开线齿轮正确啮合的条件是：两轮的模数与压力角应分别相等。对于一对齿轮的中心距问题，主要讨论外啮合齿轮传动。研究两轮的中心距问题要从两个基本要求出发，一是保证两轮的齿侧间隙为零；二是保证两轮的顶隙为标准值。根据这两个基本要求，在一对齿轮的啮合传动图上，由分析得知两轮的标准中心距等于两轮分度圆半径之和。对于连