机械原理-教学大纲.doc

《机械原理》教学大纲
Mechanism and Machine Theory

课程编码：04A02010 学分：3 课程类别：专业必修课
计划学时：48 其中讲课：42 实验或实践：6 上机：0
适用专业：机械工程、机械设计制造及其自动化、工业工程、车辆工程
推荐教材：郑文纬、吴克坚，《机械原理（第七版）》，高等教育出版社，2012年
参考书目：孙桓，《机械原理（第七版）》，高等教育出版社，2006年

课程的教学目的与任务
机械原理课程是高等学校机械工程类专业的一门重要技术基础课程，主要研究机械系统的运动学和动力学分析及机械方案设计基本理论，包括研究各种机构的结构分析、运动分析和受力分析问题，常用机构的设计问题，机器动力学和机构的选型及机械系统设计的问题。学好本课程，不仅为学习有关后读课程和掌握专业知识打好基础，也为日后从事机械工程领域的技术工作创造了条件。通过本课程的学习，使学生能认识机械、了解机械，并掌握分析机械的基本方法，掌握机构分析与设计的基本理论和基本方法，培养学生的创新精神和机械系统运动方案创新设计的能力。

课程的基本要求
分析和设计能力方面：1）对一般机械中的平面机构能绘出其机构运动简图，判断其运动确定性；2）具有对一般平面机构进行运动分析和力分析的基础知识和技能；3）具有按已知几何条件和运动条件对几种主要平面机构进行运动学设计的基本知识和能力，并初步掌握机构系统的设计能力；4）具有按已知动力学条件分析和设计机械的基本知识。
基本技能训练方面：1）具有与本课程有关的解题、运算、制图和使用技术资料的基本技能；2）具有与本课程有关的计算机编程和操作能力；3）了解一些有关的最基本机械实验方法。其它方面：对某些其它机构、有关的工程常识、机构的创新设计方法以及重要的最新技术成就和发展有一般了解。

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）

绪论 建议学时：1
[教学目的与要求] 明确本课程的研究对象、内容以及在培养高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用；对机械原理学科的发展趋势有所了解。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 课程的研究对象、内容以及在培养高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。
第一节 本课程研究的对象及内容
第二节 学习本课程的目的、如何进行本课程的学习
第三节 机械原理学科发展趋势
第四节 机器人控制综述

第一章：平面机构的结构分析 建议学时：3
[教学目的与要求] 了解机构结构分析的内容及目的，掌握机构的组成、机构运动简图及机构具有确定运动的条件，掌握平面机构的自由度计算及应注意的事项，理解平面机构的组成原理、结构分类及结构分析方法。
[教学重点与难点] 重点：有关机构组成中的构件、运动副、运动链及机构等概念，机械运动简图的绘制，机构自由度的计算和机构具有确定运动的条件。
难点：计算机构自由度时对机构中虚约束的正确判别。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 运动副的分类，机构运动简图的绘制，机构的自由度计算，机构组成原理。
第一节 研究机构结构的目的
第二节 运动副、运动链和机构
第三节 平面机构运动简图
第四节 自由度
第五节 平面机构的组成原理和结构分析

第二章：平面机构的运动分析 建议学时：4
[教学目的与要求] 了解机构运动分析的任务、目的和方法；掌握用速度瞬心法作机构的速度分析；掌握矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析；理解解析法（复数法或矩阵法）作机构的运动分析。
[教学重点与难点] 重点：平面机构运动分析的相对运动图解法。难点：相对运动方程及其图解法。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 瞬心法作平面机构的速度分析（瞬心、相对瞬心、绝对瞬心、三心定理），用杆组解析法作平面机构的运动分析。
第一节 研究机构运动分析的目的和方法
第二节 速度瞬心法及其在机构速度分析上的作用
第三节 用相对运动图解法求机构的速度
第四节 相对运动图解法求机构的加速度
第五节 解析法求机构的位置、速度和加速度
第六节 运动线图

第三章：平面连杆机构及其设计 建议学时：6
[教学目的与要求] 了解连杆机构及其传动特点；掌握平面四杆机构的基本型式及其演化和应用；掌握平面四杆机构有曲柄条件、急回运动、传动角及死点、连杆曲线和运动连续性等；了解连杆机构设计的基本问题；掌握用图解法设计四杆机构的方法；掌握用解析法设计四杆机构的方法。
[教学重点与难点] 重点：按已知几何条件和运动条件对几种主要平面机构进行运动学设计；
难点：反转法设计。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 四杆机构的类型及其演化，曲柄存在条件，压力角、传动角、行程速比系数和死点位置等概念，平面四杆机构设计。
第一节 平面连杆机构的特点、基本型式及其演化
第二节 平面连杆机构的主要工作特性
第三节 实现给定连杆位置的平面连杆机构运动设计
第四节 实现已知运动规律的平面连杆机构运动设计
第五节 实现已知运动规律的平面连杆机构运动设计
第六节 实现已知运动轨迹的平面连杆机构运动设计

第四章：凸轮机构及其设计 建议学时：6
[教学目的与要求] 了解凸轮机构的应用、分类和特点；了解推杆运动规律的名词术语、常用运动规律及选择的原则；掌握用图解法和解析法设计凸轮的轮廓曲线；掌握凸轮机构的受力分析、压力角的概念及意义；理解凸轮基圆半径、滚子半径和平底长度等基本尺寸的确定。
[教学重点与难点] 重点：从动件运动规律及其特性，平面凸轮轮廓曲线的设计方法和凸轮机构基本尺寸的确定。
难点：反转法。要正确确定从动件的反转方向、从动件在反转运动中占据的位置及从动件的位移量。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 凸轮机构的应用及分类，从动件运动规律，凸轮轮廓设计，凸轮机构基本尺寸的确定。
第一节 凸轮机构应用与分类
第二节 从动件的运动规律
第三节 按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线—作图法
第四节 按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线—解析法
第五节 凸轮机构基本尺寸的确定

第五章：齿轮机构及其设计 建议学时：10
[教学目的与要求] 理解齿廓啮合基本定律和渐开线齿廓及其啮合特点；掌握渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸计算；掌握渐开线标准直齿轮的正确啮合条件、中心距和连续传动条件；理解渐开线标准直齿轮切制与齿轮的变位修正的概念；掌握平行轴斜齿圆柱齿轮传动特点及其几何尺寸计算；了解蜗杆传动的特点和几何尺寸计算。
[教学重点与难点] 重点：渐开线标准直齿圆柱齿轮外啮合传动的基本理论及设计计算，其它齿轮传动副及其啮合传动和设计计算的特点。难点：一对齿轮传动的啮合过程，根切与变位，斜齿轮的当量齿数。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 齿轮机构类型及应用，齿廓曲线、渐开线，圆柱齿轮参数及其尺寸计算，齿廓加工原理，齿厚、公法线、变位等基本概念，渐开线齿轮啮合传动，变位齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，交错轴斜齿轮传动，蜗杆传动。
第一节 齿轮机构的应用和分类
第二节 齿廓啮合基本定律
第三节 渐开线及渐开线齿廓
第四节 渐开线齿轮各部分的名称、基本参数和尺寸
第五节 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动
第六节 渐开线齿廓的展成加工及根切现象
第七节 变位齿轮
第八节 平行轴斜齿圆柱齿轮机构
第九节 蜗杆机构

第六章：轮系及其设计 建议学时：6
[教学目的与要求] 了解齿轮系的分类及功用；掌握定轴轮系、周转轮系和复合轮系的传动比计算；了解行星轮系的效率和行星轮系选型即各轮齿数的确定。
[教学重点与难点] 重点：轮系传动比计算。难点：混合轮系传动比的计算，关键是正确划分轮系。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 齿轮系的分类（定轴轮系、周转轮系、行星轮系、差动轮系、复合轮系），各类轮系传动比的计算，轮系的功用。
第一节 定轴轮系的传动比及应用
第二节 周转轮系的传动比及应用
第三节 复合轮系的传动比及应用
第四节 行星轮系各轮齿数和行星轮数的选择

第七章：其它常用机构 建议学时：2
[教学目的与要求] 了解棘轮、槽轮、螺旋及万向铰链机构的工作原理、运动特点和设计要点；了解擒纵轮、凸轮式间歇运动机构和不完全齿轮机构的工作原理和运动特点。
[教学重点与难点] 重点：这些常用机构的组成、运动特点及其设计要点。难点：这些常用机构的设计要点，如棘轮齿形和棘爪数目n的选择，槽轮径向槽数Z和圆柱销数目K的选择等。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 棘轮机构、槽轮机构、擒纵机构、凸轮式间歇运动机构和不完全齿轮等其他常用机构。
第一节 万向连轴节
第二节 螺旋机构
第三节 棘轮机构
第四节 槽轮机构
第五节 不完全齿轮机构

第八章：机械传动系统的方案设计 建议学时：2
[教学目的与要求] 进一步区分理解传动机构、执行机构的作用，掌握机械传动方案的创新设计方法。
[教学重点与难点] 重点：机械运动方案设计和机构的创新设计；对原有机构的创新应用的构思和原动机的创新发展。
难点：机械运动方案的设计与评价，机构的创新设计。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 机构创新设计，典型机构，机械运动方案设计过程，实例分析。
第一节 机械运动方案拟订在机械设计中的地位和内容
第二节 机构的组合方式和有关设计方法
第三节 机构的选型；机器执行机构的协调和运动循环图
第四节 机构运动方案拟订示例

第十章：平面机构的平衡 建议学时：2
[教学目的与要求] 了解机械平衡的目的；掌握刚性转子的静平衡计算和动平衡计算；了解刚性转子的静平衡和动平衡实验；了解转子的许用不平衡量概念；理解平面四杆机构平衡的基本概念。
[教学重点与难点] 重点：刚性转子静平衡、动平衡的原理及计算方法。难点：刚性转子动平衡的计算与实验。
[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授 课 内 容] 刚性转子的静平衡和动平衡，挠性转子动平衡与平面机构动平衡简介。
第一节 平衡的目的和分类
第二节 刚性回转件的平衡
第三节 刚性回转件的平衡试验法
第四节 机架上的平衡

实验教学内容（6学时）
实验一 观看《机构及通用机械零件陈列柜》 建议学时：1
[教学目的与要求] 机械设计陈列柜是根据机械设计课程的教学基本要求精心设计的，由二十四个模型陈列柜组成，主要展示常用机构的类型、演化形式，机械中有关联接、传动、轴承及其它通用零件的基本类型、结构形式和设计知识。学生通过认真观看和录音播放的解说，可直观认识到机械通用零件基本类型、结构形式。
[教学重点与难点] 联接、传动、轴承及其它通用零件的基本类型、结构形式；机械通用零件基本类型、结构形式。
[授 课 方 法] 机械通用零件的陈列柜，录音播讲解。
[授 课 内 容] 学生事先预习实验指导书，明确本实验的目的，带着问题在录音播放讲解顺序的引导下，顺序观看十八个各类机械通用零件的陈列柜，并认真做好笔记。

实验二 机构运动简图的测绘 建议学时：2
[教学目的与要求] 熟悉机构运动简图的画法，掌握从实际机构中测绘其运动简图的技能；巩固机械结构的分析原理及自由度计算方法；加深理解四杆机构的演化过程及验证曲柄存在的条件。
[教学重点与难点] 测绘运动简图，四杆机构的演化过程及验证曲柄存在的条件。
[授 课 方 法] 以实验演示、测绘为主，讲授为辅。
[授 课 内 容] 分析缝纫机，补鞋机等机构的运动与机构中构件数目、种类、相对位置有关；撇开其组成零件的实际结构形状，用简单的线条和规定符号来代替构件和运动副的相对位置，分析实际机构的组成特点及运动特性。

实验三 平面机构创新设计 建议学时：2
[教学目的与要求] 培养学生对机械系统运动方案的整体认识，加强学生的工程实践背景的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力；通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，可以发现一些基本机构及机械设计中的典型问题，通过解决问题，可以对运动方案设计中的一些基本知识点融会贯通，对机构系统的运动特性有一个更全面更深入的理解；加深学生对机构组成原理的认识，进一步掌握机构运动方案构型的各种创新设计方法。
[教学重点与难点] 机械系统运动方案的整体认识；机构运动方案构型的各种创新设计。
[授 课 方 法] 以实验演示、测绘为主，讲授为辅。
[授 课 内 容] 构件包括机架、连杆、圆柱齿轮、齿条、圆锥齿轮、蜗轮蜗杆、凸轮及从动件、槽轮及拨盘和皮带轮等，运动副包括转动副、移动副、齿轮副、槽轮副等的认识和运动演示；根据平面机构的组成原理，分析平面机构是由各个杆组的联结方式，机构自由度的计算和机构运动的具有确定运动的条件。

实验四 渐开线齿轮范成原理 建议学时：1
[教学目的与要求] 掌握范成法切制渐开线齿轮的原理；了解齿轮根切现象及如何用变位修正法来避免根切现象的发生；比较渐开线标准齿轮及变位齿轮的差别。
[教学重点与难点] 范成法切制渐开线齿轮的原理，渐开线标准齿轮及变位齿轮的差别。
[授 课 方 法] 以实验演示为主，讲授为辅。
[授 课 内 容] 范成法是利用一对齿轮相互啮合时，齿轮齿廓互为包络线的原理来加工轮齿的；一轮为刀具，另一轮为轮坯，他们仍能保持固定的角速比转动，完全和一对真正的齿轮互相啮合传动一样，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动；切制得到的齿轮齿廓就是刀具刀刃在各位置的包络线；由于实际加工时，看不到刀刃在各个位置形成包络线的过程，所以在实验中用齿轮范成仪来实现轮坯与刀具间的传动过程并用铅笔将其记录在纸上，清楚地观察到齿轮范成的过程。

撰稿人：王砚军 审核人：王玉增