机械设计基础电子教案 项目一认识机器-任务二-平面机构运动简图的绘制及自由度分析

课题授课时数4学时周次教学目标知识目标：（1）理解运动副的概念与平面机构的组成。（2）掌握平面机构自由度的计算公式。（3）掌握自由度计算中应注意的复合铰链、局部自由度、虚约束等问题。（4）掌握平面机构具有确定运动的条件。能力目标：（1）能分辨运动副的种类及特点。（2）能分析自由度计算过程中的虚约束、复合铰链等特殊情况。（3）能正确计算平面机构自由度并判断机构是否具有确定运动。（4）能绘制简单机械的机构运动简图。素质目标：（1）通过平面机构自由度的计算，判断机构是否具有确定运动，提高知识运用能力，培养分析论证的科学思维。（2）通过虚约束等特殊情况的学习，理解虚约束并非无用，它可以优化机构受力情况——看似没有用的努力往往会在潜移默化中为自己加持。思政目标通过学习虚约束的概念和作用，引导学生认识到“看似无用的努力往往有其深远价值”，培养正确的价值观和人生态度。在机构运动简图的绘制过程中，培养严谨细致、一丝不苟的工程素养，树立按标准、按规范做事的职业习惯。通过分析机构确定运动的条件，理解“自由与约束”的辩证关系，增强规则意识和团队协作精神。教学重点（1）平面机构自由度的计算公式。（2）自由度计算中的特殊情况。（3）机构具有确定运动的条件。教学难点（1）虚约束的识别与处理。（2）复合铰链转动副数目的确定。（3）机构运动简图的正确绘制。投影仪、计算机、PPT课件、黑板、缝纫机踏板机构模型、颚式破碎机模型等作业（1）计算给定冲压机床机构的自由度，指出复合铰链、局部自由度和虚约束。（2）绘制给定机器的机构运动简图并计算自由度，判断是否具有确定运动。教学小结教学过程设计教学组织方法操作缝纫机踏板机构或简易冲床，观察各运动部位的连接方式及运动过程。思考：各运动部位以什么形式接触？用什么符号表示？如何计算平面机构自由度？如何判定机构具有确定的相对运动？以颚式破碎机为例：实物图虽直观，但无法进行运动分析，需要一种能说明机构运动原理的简单图形——机构运动简图。使两构件直接接触并能产生一定形式相对运动的联接称为运动副。所有构件都在同一平面或平行平面内运动的机构称为平面机构。1.低副：两构件以面接触组成的运动副。（1）转动副：两构件只能相对转动（如铰链连接）。（2）移动副：两构件只能相对移动（如活塞与气缸）。任务驱动法模型操作与观讲授法PPT演示教学过程设计教学组织方法2.高副：两构件以点或线接触组成的运动副。常见有凸轮副、齿轮副、轮轨高副等。3.其他运动副：球面副（三个独立相对转动）、螺旋副（螺纹运动）。4.机构的组成：主动件（输入运动的构件）、从动件（除主动件外的可动构件）、机架（固定不动的构件，一个机构只有一个机架）。用简单线条和规定符号表示构件和运动副，按一定比例绘出表达各构件间相对运动关系的图形，称为机构运动简图。不严格按比例绘制的称为机构示意图。绘制步骤：（1）分析机构组成和运动，确定机架、主动件和从动件；（2）从主动件沿运动传递路线，确定运动副的类型和数目；（3）选择合适的视图平面及机构运动瞬时位置；案例教学法板书法演示绘教学过程设计教学组织方法（4）测量运动副间相对位置；（5）选择适当比例，用规定符号和线条绘制。绘图口诀：先两头后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。典型实例：内燃机曲柄滑块机构运动简图、颚式破碎机运动简图、抽水机机构运动简图。1.构件的自由度：一个自由构件在平面中有三个独立运动（沿x轴移动、沿y轴移动、在xy平面内转动）。2.运动副的约束：每个低副引入2个约束，每个高副引入1个约束。3.自由度计算公式：F=3n-2PL-PH其中：n为活动构件数（不含机架），PL为低副数，PH为高副数。举例：曲柄滑块机构n=3,PL=4,PH=0,F=3×3-2×4=1；对心直动尖顶凸轮机构n=3,PL=2,PH=1,F=3×3-2×2-1=1。1.复合铰链：m个构件在同一处构成转动副，应有m-1个转动副。2.局部自由度：不影响机构输出与输入运动关系的自由度（如凸轮机构中滚子的自转），计算时将滚子与从动件视为一体。讲授与练习结综合例题讲解教学过程设计教学组织方法3.虚约束：对运动不起独立限制作用的约束，计算时应除去。常见情况：（1）两点间距离始终保持不变（如平行四边形机构中的附加杆）；（2）多个导路平行的移动副，只有一个起作用；（3）多个轴线重合的转动副，只有一个起作用；（4）对运动不起独立作用的对称部分（如差动轮系中的多余齿轮）。虚约束虽不影响运动，但能增加机构刚性、改善受力状况，对加工和装配精度要求较高。机构自由度必须等于主动件数目，即F=主动件数>0。F≤0：构件间不能产生相对运动，不能构成机构；主动件数<F：运动不确定；主动件数>F：机构可能损坏。综合实例：大筛机构自由度计算——滚子F有局部自由度，E和E'中有一个虚约束，C处为复合铰链。消除后n=7,PL=9,PH=1,F=3×7-2×9-1=2，主动件数为2，机构具有确定运动。运动副分为低副（转动副、移动副，面接触，2个约束）和高副（点/线接触，1个约束）。平面机构自由度公式F=3n-2PL-