《机械设计基础》 (教案大纲)刘元春

备注：本教学大纲范例适用于工程教育认证专业的专业核心课程和专业特色课程（必修）《机械设计基础》教学大纲执笔人：许蔷审核人：张玉言负责人：许蔷一、课程基本信息课程代码开课学院机械电子工程学院课程名称（中文）机械设计基础课程名称（英文）FundamentalsofMechanicalDesign面向专业机械电子工程、智能制造专业等相关专业学分5总学时80理论学时74实验学时6线上学时20上机学时先修课程工程图学、理论力学、材料力学、工程材料、机械精度设计与检测技术二、课程简介（中英文，一般200-300字）1、中文简介《机械设计基础》是机械类本科专业培养学生机械设计能力和创新能力的一门专业基础核心课程，是学习专业课程及从事机械产品设计的必备基础，培养学生掌握有关机械设计的基础理论知识和基本设计方法、设计构思和设计实践的技能。通过对本课程的学习，使学生初步掌握常用机构的结构分析、运动分析、动力学分析及其设计方法；使学生掌握通用零、部件的工作原理、特点、选型及其计算方法，培养学生能运用所学基础理论知识，解决机械零、部件的设计问题；培养学生具有设计机械传动和机械结构的能力；使学生了解常用机构和零、部件的实验方法，初步具有某些零、部件的性能测试和结构分析能力；在综合运用所学的基础理论和技术知识的基础上，能够初步具备一般通用机械的设计能力，为专业课程的学习及机械产品的设计打下基础。2、英文简介FundamentalsofMechanicalDesignisacorecoursewhichformsaprofessionalbasisforamechanicalundergraduatestudenttoacquiremechanicaldesignabilityandinnovationability,itaimstolearnprofessionalcoursesandengagedintheessentialbasisofmechanicalproductdesign,whichcanmakethestudentsmasterknowledgeofbasictheoryofmechanicaldesignandbasicdesignmethods,cultivatethestudents'designideaandthepracticeofdesignskills.Throughthestudyofthiscourse,studentscanmasterthestructuralanalysis,motionanalysis,dynamicanalysisanddesignmethodsofcommoninstitutions.Studentsareenabledtomastertheworkingprinciple,characteristics,typeselectionandcalculationmethodofgeneralzeroandcomponents,andstudentsaretrainedtousethebasictheoreticalknowledgetosolvethedesignproblemsofmechanicalzeroandcomponents;Studentsaretrainedwiththeabilitytodesignmechanicaltransmissionandmechanicalstructure;Studentsareenabledtounderstandtheexperimentalmethodsofcommonmechanismsandcomponents,andhavetheabilityofperformancetestingandstructuralanalysisofsomecomponents.Onthebasisofthecomprehensiveapplicationofthebasictheoryandtechnicalknowledge,thestudentsareabletopreliminarilyhavethedesignabilityofgeneralmachinery,whichlaysafoundationforthestudyofprofessionalcoursesandthedesignofmechanicalproducts.课程目标通过本课程的学习，使学生掌握机械设计的基本知识，培养学生具备解决复杂机械工程领域问题的能力和素质。具体课程目标如下：课程目标1：掌握机械设计的基础知识，并将相关知识和数学模型方法用于推演、分析机械电子、智能制造等专业工程问题（支撑指标点1-3）课程目标2：掌握机械设计中常用的工作原理、运动特点、选型及相关设计和计算方法，能基于相关科学原理和数学建模方法正确表达机械工程专业的复杂工程问题（支撑指标点2-2）本课程目标对毕业要求指标点的支撑关系：表1课程目标对毕业要求指标点的支撑关系课程目标毕业要求指标点毕业要求课程目标1指标点1-3掌握机械电子、智能制造等专业基础知识，并将相关知识和数学模型方法用于推演、分析机械电子、智能制造等专业等工程问题；毕业要求1课程目标2指标点2-2能基于相关科学原理和数学建模方法正确表达机械工程领域的复杂工程问题；毕业要求2四、课程思政矩阵图表2课程思政矩阵图序号章节名称课程思政元素遵纪守法专业使命环保意识可持续发展国家意识理想信念制度自信爱国情怀社会使命职业操守人文精神高尚情操吃苦耐劳团结协作工匠精神全球视野文化自信协调沟通终身学习自主学习10绪论√√2第1章平面机构的结构及运动学分析√√√3第2章平面连杆机构及其设计√4第3章凸轮机构√√√5第4章齿轮机构及其设计√6第5章齿轮系及设计7第6章其他常用机构8第7章机械设计的基础知识√√√√9第8章齿轮传动10第9章蜗杆传动√√11第10章带传动√√12第11章链传动13第12章连接及连接件√√14第13章滑动轴承15第14章滚动轴承√√16第15章联轴器、离合器和制动器√√17第16章轴系的结构设计及强度计算√√18第17章机械的平衡与调速√√19实验一、二、三√√五、课程目标与教学内容及环节的支撑关系表3课程目标与教学内容及环节的支撑关系课程目标教学内容教学环节授课实验上机作业目标10绪论√√2平面连杆机构及其设计√√3凸轮机构√√4齿轮机构及其设计√√5齿轮系及设计√√6其他常用机构√√17机械的平衡与调速√√目标2实验一机构运动简图测绘√实验二齿轮范成加工原理√实验三带传动实验√1平面机构的结构及运动学分析√√7机械设计的基础知识√√8齿轮传动√√9蜗杆传动√√10带传动动√√11链传动√√12连接及连接件√√13滑动轴承√√14滚动轴承√√15联轴器、离合器和制动器√√16轴系的结构设计及强度计算√√17机械的平衡与调速√√六、教学内容及要求表4教学内容及要求章节分布教学内容与学时分配课程思政提要第0章标题绪论（1学时）基本要求了解本课程的内容、性质、任务及机械、机器、机构、构件和零件的概念。重点构件和零件的概念难点无第一节本课程研究的对象和内容结合学科或产业发展史，激发学习热情；弘扬机器人课程的专业精神和人文精神，强调创新意识和科学素养培养，突出生态文明与工匠精神。第二节本课程在教学中的地位第三节机械设计的基本要求和一般过程第1章标题平面机构的结构及运动学分析（6学时）基本要求了解运动副及其分类，熟悉平面机构运动简图的绘制方法；掌握平面机构自由度的计算方法，掌握用速度瞬心法进行机构速度分析的方法。重点自由度计算、速度瞬心法的应用难点自由度计算、应用速度瞬心法进行速度分析第一节平面机构的组成分析（0.5学时）强化工程问题研究的方法论，培养逻辑思辨能力，同时培养抗挫折能力和工匠精神；通过中国元素或专业特色案例分析，培养爱国情怀和环保意识，强调机器人机构学理论思维方法。第二节平面机构运动简图（0.5学时）第三节平面机构的自由度（3学时）1平面机构自由度计算公式2计算平面机构自由度的注意事项第四节速度瞬心及其在机构速度分析上的应用（2学时）1速度瞬心及其求法2瞬心在速度分析上的应用第2章标题平面连杆机构及其设计（4学时）基本要求了解平面四杆机构的基本型式、应用和演化，掌握行程速比系数、极位夹角、压力角、传动角、死点位置、平面铰链四杆机构整转副存在条件等基本概念；熟悉平面连杆机构的设计方法。重点自由度计算、速度瞬心法的应用难点自由度计算、应用速度瞬心法进行速度分析第一节平面四杆机构的类型及应用（1学时）将急回特性等工作效率内容纳入教学内容，引导学生积极了解提高工作效率的方法，促进学生理解可持续发展理念。1铰链四杆机构2含一个移动副的四杆机构3含两个移动副的四杆机构4具有偏心轮的四杆机构5四杆机构的扩展第二节平面四杆机构的基本特性（1学时）1铰链四杆机构有整转副的条件2急回特性3压力角和传动角4死点位置第三节平面四杆机构的设计（2学时）1按给定的行程速度变化系数设计四杆机构2按给定连杆位置设计四杆机构3按照给定两连架杆对应位置设计四杆机构第3章标题凸轮机构（4学时）基本要求了解凸轮机构的类型和应用，熟悉从动件常用运动规律及位移线图的绘制方法；掌握按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓的方法；熟悉滚子半径、压力角、基圆半径的确定方法。重点凸轮机构的设计方法难点凸轮压力角第一节凸轮机构的应用和类型（1学时）通过中国元素案例分析，培养学生爱国情怀、理想信念；通过讨论压力角与基圆半径之间的关联，提出“解决问题抓主要矛盾”的哲学观点，树立文化自信。第二节凸轮的运动和从动件的运动规律（1学时）第三节图解法设计凸轮轮廓（1学时）1直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制2摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制第四节凸轮机构基本尺寸的确定（1学时）1压力角与作用力的关系2压力角与凸轮机构尺寸的关系第4章标题齿轮机构及其设计（8学时）基本要求了解齿轮的分类和应用，理解渐开线直齿圆柱齿轮的啮合原理，掌握渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸计算，理解渐开线直齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件、连续传动条件；了解渐开线齿轮的切齿原理及根切现象，熟悉斜齿轮和圆锥齿轮机构。重点齿轮机构的运动特点及设计计算难点渐开线齿廓特性、变位齿轮第一节齿轮机构的特点和类型（0.5学时）通过提高齿轮工作效率的方法增加学生对成本的关注，培养学生职业操守，提高学生可持续发展意识。第二节齿齿轮机构及其设计（0.5学时）第三节渐开线齿廓曲线（1学时）1渐开线的形成和特性2渐开线齿廓满足啮合基本定律的证明第四节齿轮各部分名称及渐开线标准齿轮的基本尺寸（1学时）第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动（1.5学时）1正确啮合条件2标准安装及可分性3连续传动条件第六节渐开线齿廓的切制原理和根切现象（1.5学时）1齿廓切制的基本原理2渐开线齿廓的根切现象3变位齿轮4最小变位系数第七节平行轴斜齿轮机构（1学时）1斜齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸的计算2斜齿圆柱齿轮的当量齿数3一对斜齿轮的啮合4斜齿轮的主要特点第八节直齿锥齿轮机构（1学时）1直齿圆锥齿轮背锥和当量齿数2直齿圆锥齿轮传动几何参数和尺寸计算第5章

标题齿轮系及设计（5学时）基本要求了解轮系的分类和应用、掌握定轴轮系和周转轮系的传动比计算。重点定轴和周转轮系的传动比计算难点周转轮系的传动比计算第一节齿轮系的类型（0.5学时）第二节定轴轮系及其传动比（0.5学时）第三节周转轮系及其传动比（1.5学时）1周转轮系的组成2周转轮系传动比的计算第四节复合轮系及其传动比（2学时）第五节轮系的功用（0.5学时）第6章标题其他常用机构（3学时）基本要求了解棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构的工作原理、结构特点及应用。重点间歇机构的结构特点难点棘爪工作条件第一节棘轮机构（1学时）第二节槽轮机构（1学时）第三节不完全齿轮机构（0.3学时）第四节凸轮间歇运动机构（0.2学时）第五节组合机构（0.5学时）第7章标题机械设计的基础知识（3学时）基本要求了解机械零件设计应满足的要求、掌握机械零件的工作能力计算准则、掌握静应力和变应力下材料的许用应力和安全系数的确定方法、了解机械制造中常用材料及选用、了解机械零件的工艺性及标准化。重点机械零件的工作能力计算准则、静变应力下材料的许用应力和安全系数的确定方法。难点静变应力下材料的许用应力和安全系数的确定方法第一节机械系统的组成及基本设计参数（0.5学时）强调机械工程问题研究的方法论，培养逻辑思辨能力；通过实际生产中的事故案例分析，增强环保意识，培养职业操守和工匠精神，强调机械设计标准化思想，培养遵纪守法习惯。第二节机械零件的设计计算（1.5学时）1机械零件的主要设计流程2机械零件的工作能力及设计计算准则第三节常用的机械材料及选用原则（0.5学时）第四节机械零件的结构工艺性（0.5学时）第8章标题齿轮传动（6学时）基本要求了解齿轮传动的失效形式、精度、齿轮的构造、材料和热处理、掌握直齿圆柱齿轮的强度计算方法、掌握齿轮的受力分析，在此基础上，对斜齿圆柱齿轮和直齿圆锥齿轮强度计算作一定了解。重点齿轮的强度计算、受力分析难点齿轮的强度计算、受力分析第一节轮齿的失效形式和设计计算准则（0.5学时）1轮齿的失效形式2齿轮设计计算准则第二节齿轮材料与精度的选择（0.5学时）第三节直齿圆柱齿轮传动的计算载荷及强度计算（2学时）1齿轮传动的计算载荷2直齿圆柱齿轮轮齿的作用力分析3齿根弯曲疲劳强度计算4齿根接触疲劳强度计算第四节斜齿圆柱齿轮传动的强度计算（1学时）1轮齿上的作用力2斜齿圆柱齿轮强度计算第五节直齿锥齿轮传动的强度计算（1学时）1轮齿上的作用力2直齿锥齿轮强度计算第六节齿轮的结构与润滑（1学时）1圆柱齿轮的结构2齿轮传动的润滑第9章标题蜗杆传动（3学时）基本要求了解蜗杆传动的特点、类型和失效形式，了解蜗杆和蜗轮的材料和结构、熟悉圆柱蜗杆传动的几何参数尺寸的计算、掌握圆柱蜗杆传动的受力分析、强度和热平衡的计算方法。重点蜗杆传动的几何尺寸计算、受力分析、强度和热平衡计算难点蜗杆传动的几何尺寸计算、受力分析、强度计算第一节蜗杆传动的特点和类型（0.5学时）通过介绍我国汽车制造中的高速智能冲压线，培养学生的环保意识，增强制度自信。第二节圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸（0.5学时）1圆柱蜗杆传动的主要参数2圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算第三节普通圆柱蜗杆传动的强度计算（1.5学时）1蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料2蜗杆传动的受力分析3蜗杆传动的强度计算第四节圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算（1学时）1蜗杆传动的效率2蜗杆传动的润滑3蜗杆传动的热平衡计算第10章标题带传动（3学时）基本要求了解带传动组成、构造、工作原理及适用场合、掌握带传动的弹性滑动、打滑和传动比计算、理解带传动的受力分析、应力分析及欧拉公式的意义。重点带传动的弹性滑动、打滑和传动比计算难点带传动的设计计算方法第一节带传动的类型、特点及几何关系（0.5学时）将大师（欧拉）成长道路纳入教学内容，激发学生学习热情，坚定理想信念，培养吃苦耐劳精神，树立学术榜样。第二节带传动的受力分析（0.5学时）第三节带的应力分析（0.3学时）第四节带传动的弹性滑动和打滑现象（0.5学时）1弹性滑动现象、滑动率与传动比2打滑现象第五节普通V带和V带轮（0.5学时）1V带的规格2V带轮的材料和结构第六节普通V带传动的设计计算（0.5学时）1失效形式与设计准则2单根普通V带的许用功率3带的型号和根数的确定4主要参数的选择第7节带传动的张紧、安装与维护（0.2学时）第11章标题链传动（3学时）基本要求了解链传动的运动分析、受力分析和参数选择、掌握带、链传动的设计计算方法。重点链传动的多边形效应难点链传动的设计计算方法第一节链传动的类型及特点（0.5学时）第二节滚子链和链轮（0.5学时）1滚子链的结构和规格2滚子链链轮第三节链传动的运动特性分析（1学时）1平均链速和平均传动比2瞬时链速和瞬时传动比3链传动的受力分析第四节滚子链传动的设计计算（0.5学时）1失效形式2设计准则3设计步骤和方法第五节链传动的布置、张紧和防护（0.5学时）第12章标题连接及连接件（7学时）基本要求了解螺纹联接的作用和分类、熟悉螺旋副的受力分析、当量摩擦系数、效率及自锁条件、了解机械制造中常用螺纹的类型及螺纹紧固件、熟悉螺纹联接的防松方法、掌握松螺栓和紧螺栓联接的强度计算方法、了解提高螺栓联接强度的措施、了解螺旋传动的强度计算方法、了解键联接和销联接的类型和应用。重点螺纹联接的防松方法，松、紧螺栓联接的强度计算方法难点紧螺栓联接的强度计算方法第一节螺纹连接的基本知识（0.5学时）引导学生认识创新和拥有自主核心技术的重要性，增强学生的专业使命和国家意识第二节螺纹副的摩擦、效率和自锁（1学时）1螺旋副的受力分析2螺旋副的效率第三节螺纹连接件（1学时）1螺纹连接的基本类型2标准螺纹连接件3螺纹连接的预紧第四节螺栓连接的设计计算（2学时）1松螺栓连接强度计算2紧螺栓连接的强度计算3螺栓连接件的材料和许用应力4提高螺栓连接强度的措施第五节螺栓组连接的结构设计（1.5学时）第六节键连接和花键连接（0.5学时）第七节销连接（0.5学时）第13章标题滑动轴承（2学时）基本要求了解滑动轴承的类型，熟悉滑动轴承的特性及应用，了解动压油膜的形成原理。重点滑动轴承的特性及应用难点滑动轴承的特性及应用第一节摩擦状态（0.2学时）第二节滑动轴承的结构形式（0.3学时）第三节轴瓦的结构及材料（0.5学时）第四节润滑剂和润滑装置（0.5学时）第五节非液体摩擦滑动轴承的计算（0.5学时）第14章标题滚动轴承（6学时）基本要求熟悉滚动轴承的类型、代号、结构及特点、掌握滚动轴承的失效形式、选择和计算、掌握滚动轴承的组合设计。重点滚动轴承的计算及组合设计难点滚动轴承的计算及组合设计第一节滚动轴承的特点、类型及代号（1学时）将日本ADB无滑动摩擦轴承纳入教学内容，培养学生的全球视野，鼓励创新，养成终身学习的习惯。第二节滚动轴承的失效形式及选型计算（2学时）1失效形式2计算准则3滚动轴承疲劳寿命计算4滚动轴承的静载荷计算第三节滚动轴承的组合设计（2学时）1滚动轴承支承部分的刚性和同轴度2轴承的轴向定位和固定3轴承组合的调整第四节滚动轴承的配合与装拆（0.5学时）第四节滚动轴承的润滑和密封（0.5学时）1滚动轴承的润滑2滚动轴承的密封第15章标题联轴器、离合器和制动器（2学时）基本要求了解联轴器和离合器的功用、类型、结构及特点、熟悉联轴器和离合器的选择和计算。重点联轴器和离合器的选择计算难点联轴器和离合器的选择计算第一节概述（0.5学时）通过介绍我国大型客机C919的研制，培养学生的爱国情操，提高学生的文化自信第二节联轴器（0.5学时）第三节离合器（0.5学时）第四节制动器（0.5学时）第16章标题轴系的结构设计及强度计算（5学时）基本要求了解轴的类型及材料，掌握轴的结构设计方法，掌握轴的强度计算、了解轴的刚度计算。重点轴的结构设计方法难点轴的结构设计方法第一节轴的分类和材料（0.5学时）引导学生对新型加工制造方法的关注，培养学生职业操守，提高学生可持续发展意识。第二节轴系的结构设计（2学时）第三节轴的强度计算（2学时）第四节轴的刚度计算（0.5学时）第17章标题机械的平衡与调速（3学时）基本要求理解机械运转的平均速度和不均匀系数的概念，掌握飞轮设计的近似方法；了解回转件平衡的目的和意义、掌握静、动平衡原理和方法。重点静、动平衡的方法、飞轮设计难点静、动平衡的方法、飞轮设计第一节刚性转子的平衡（2学时）通过中国元素案例分析，培养学生专业使命、社会使命。1转子的静平衡2转子的动平衡第二节机械的速度波动及其调节（1学时）1周期性速度波动的调节2非周期性速度波动的调节实验一标题机构运动简图测绘（2学时）基本要求掌握实际机器或模型测绘机构运动简图的原理和方法通过实验操作，训练学生动手能力和观察分析能力，培养他们的工匠精神和沟通协调能力。重点机构自由度分计算，理解机构具有确定运动的条件难点机构自由度的计算实验类型□设计□验证R综合□演示实验性质R必做□选做实验二标题齿轮范成加工原理（2学时）基本要求掌握范成法加工渐开线齿轮的基本原理，了解齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法，分析比较标准齿轮与变位齿轮的异同点。通过实验操作，训练学生动手能力和观察分析能力，培养他们的工匠精神和沟通协调能力。重点根切现象的原因和避免根切的方法难点标准齿轮与变位齿轮的异同点实验类型□设计□验证R综合□演示实验性质R必做□选做实验三标题带传动实验（2学时）基本要求了解带传动的基本原理，观察、分析带的弹性滑动和打滑等现象；分析验证预紧力对带工作能力的影响；了解转速、扭矩的测量方法，绘制带的滑动曲线及传动效率曲线图。通过实验操作，训练学生动手能力和观察分析能力，培养他们的工匠精神和沟通协调能力。重点带的弹性滑动和打滑，绘制带的滑动曲线及传动效率曲线图。难点绘制带的滑动曲线及传动效率曲线图实验类型□设计R验证£综合□演示实验性质R必做□选做七、课程教学目标达成方法表5课程教学目标达成方法课程教学目标教学目标达成方法目标1：掌握机械设计的基础知识，并将相关知识和数学模型方法用于推演、分析智能制造专业工程问题习和掌握机械设计的基础知识。目标2：掌握机械设计中常用的工作原理、运动特点、选型及相关设计和计算方法，能基于相关科学原理和数学建模方法正确表达智能制造领域的复杂工程问题通过实验，学习和掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练。，掌握机械设计中常用的工作原理、运动特点、选型及相关设计和计算方法。八、课程考核与评价1.课程的考核环节考核方式分值评分标准过程性考核习题作业20作业15次课程目标1：考核知识点1（第2章-平面连杆机构及其设计）：1分考核知识点2（第3章-凸轮机构）：1.5分考核知识点3（第4章-齿轮机构及其设计）：1.5分考核知识点4（第5章-齿轮系及设计）：1.5分考核知识点5（第6章-其他常用机构）：1分考核知识点6（第17章-机械的平衡与调速）：1分课程目标2：考核知识点7（第1章-平面机构的自由度和速度分析）：1.5分考核知识点8（第7章-机械设计的基础知识）：1分考核知识点9（第8章-齿轮传动）：1.5分考核知识点10（第9章-蜗杆传动）：1分考核知识点11（第10章-带传动）：1分考核知识点12（第11章-链传动）：1分考核知识点13（第12章-连接及连接件）：1分考核知识点14（第13章-滑动轴承）：1分考核知识点15（第14章-滚动轴承）：1.5分考核知识点16（第15章-联轴器、离合器和制动器）：1分考核知识点17（第16章-轴系的结构设计及强度计算）：1分实验10机构运动简图测绘20%、齿轮范成加工原理40%、带传动实验40%期中考试（A类课程需要）20闭卷考核，包括：选择题/填空题：15%简答题：25%分析计算题：60%（内容为第0章-第8章）期终考试50闭卷考核，包括：选择题/填空：20%简答题：20%齿轮受力分析题：8%轴系结构改错题：10%计算题：42%2.课程目标达成度评价方式课程目标考核环节合计平时作业20%实验10%期中考试20%期末考试50%目标1：50%作业1-6100%40%50目标2：50%作业7-17100%60%50合计100%100%100%100%1003.考核评价标准1）作业评分标准表表6作业评分标准表题型及考核内容/得分A（90-100）%B（80-89）%C（70-79）%D（60-69）E（<60）%概念题类：知识及概念掌握程度知识及概念掌握全面，运用得当知识及概念掌握较全面，能正确运用知识及概念掌握较全面，能够运用，但没有考虑约束条件知识及