机械设计课程教学大纲（机械设计制造及其自动化专业适用）

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1. 课程性质、任务和作用

       机械设计课程是高等工科学校机械设计制造及其自动化本科专业中培养学生机械设计能力和创新能力的一门主干技术基础课，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。

本课程的主要任务是：1)树立正确的设计思想，培养基本设计能力，开发创造性思维和创新能力，了解现代机械设计技术，应对经济全球化和知识经济的挑战。2)掌握机械系统设计的基础知识，初步具备一般机械方案设计和分析的能力。3)掌握常用机构运动设计和工作能力设计的基本知识，掌握通用零部件设计计算和选用的基本知识，初步具备一般通用机械的设计能力，特别是常用执行机构和传动装置的设计能力。4)培养学生运用标准、规范、手册、图册及网络信息等技术资料的能力。5)初步掌握基本机械实验技术。

本课程在培养高级工程技术人才的全局中，具有增强学生对机械技术工作的适应能力和产品开发创新能力的作用。

    本课程教学环节包括：课堂教学(96学时，6学分)、实验课(1学分)和课程设计(4周，4学分)。

2. 课程内容

机械设计课程是一门研究机械基本理论和设计技术的课程。本课程研究的对象是机器和机构，课程的主要内容有以下几个方面。

(1) 设计的基本理论  主要介绍机械设计的要求和设计的一般过程；机构结构学、运动学和动力学的基础知识；机械零部件的工作能力和设计准则；机械零件的强度理论；摩檫、磨损和润滑理论；机械结构设计准则、方法以及零件材料选用等。另外，扼要地介绍现代机械设计思想和方法。

(2) 常用机构及其传动设计  常用机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动、间歇运动机构及其他常用机构等。这些机构是传动系统和执行系统的基本组成单元，用于实现运动和动力的传递及运动形式的改变。常用机构设计主要包括以下三个方面：①运动设计，包括机构的类型、工作原理、运动特点、运动参数及几何尺寸计算等内容；②工作能力设计，受力分析、失效分析、设计准则及承载能力设计计算；③零件结构设计、材料选择及润滑等。

(3) 通用零部件设计  通用零部件主要指用于连接和支承的常用零部件，介绍它们的类型、特点、工作原理、工作能力设计、结构设计、组合设计以及标准零部件的选用等。

(4) 机械系统设计  概述机械系统总体设计，重点介绍执行系统方案设计和传动系统设计、典型的传动装置以及机械系统的动力学问题。简略介绍动力机选择等其他系统的基础知识。

3. 课堂教学的内容、基本要求和学时安排

(1)
机械设计概论（2学时）

An Introduction to Machine Design (2h)


    掌握机器、机构及其组成，特别是机器及机构的特征；了解本课程的内容性质和任务；了解机械设计的基本要求、类型及一般过程；掌握机械零部件设计计算准则、标准化及材料选用；了解现代机器的特征及其设计思想和方法。

(2)
机械设计中的机构结构学问题（5学时）

Mechanism Structure in Machine Design (5h)


    掌握机构的组成及运动简图的绘制；掌握运动链成为机构的条件及机构自由度的计算；掌握平面机构的组成原理和结构分析。

(3)
机构运动分析和动力学问题（5学时）

Kinematic Analysis and Dynamics of Mechanisms (5h)


    了解平面机构运动分析的解析法（复数矢量法）；掌握平面机构速度分析的瞬心法；一般了解平面机构的动态静力分析方法；掌握运动副中的摩擦分析、考虑摩擦时机构静力分析；掌握机械效率与机械自锁。

(4)
机械零件的强度（2学时）

Strength of Machine Elements (2h)


    了解载荷和应力的类型；了解机械零件的静强度、疲劳强度和表面接触强度。

(5)
机械结构设计概述（1学时）

An Introduction to Design of Mechanical Structures (1h)


    了解机械结构设计的特点、创新方法和设计准则。

(6)
摩擦、磨损和润滑（1学时）

Friction, Wear and Lubrication (1h)


    了解摩擦、磨损的机理与物理特征；了解润滑剂的分类及性能指标。

(7)
连杆机构设计（6学时）

Design of Linkage Mechanisms (6h)


    了解平面四杆机构的类型、运动特点及其应用；掌握平面四杆机构的主要工作特性（整转副存在条件、急回特性、压力角与传动角及死点位置）；掌握平面四杆机构运动设计的几何法和解析法（刚体导引、函数生成和轨迹生成）；了解连杆机构的承载能力计算和结构设计。

(8)
凸轮机构设计（6学时）

Design of Cam Mechanisms (6h)


    了解凸轮机构的组成、特点、类型和应用；掌握从动件基本运动规律的特点和选用；掌握凸轮轮廓曲线设计的几何法和解析法；掌握凸轮机构基本参数的确定原则与方法；了解凸轮机构的的承载能力计算和结构设计。

(9)
齿轮传动设计（14学时）

Design of Gear Drives (14h)


    了解齿轮传动机构的特点、应用及类型；理解齿廓啮合基本定律，掌握渐开线齿廓的形成及其性质；熟练掌握渐开线圆柱齿轮的基本参数、标准齿轮的几何尺寸计算；掌握范成法切齿原理、标准齿轮与变位齿轮的切制特点以及变位齿轮的尺寸变化；深入理解直齿轮传动运动设计应满足的条件；掌握圆柱齿轮传动的几何尺寸计算；了解标准齿轮传动及变位齿轮传动的特点。

  理解斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成、基本参数及当量齿轮的概念；理解平行轴斜齿轮传动运动设计的条件，并正确进行几何尺寸计算；初步了解交错轴斜齿轮传动的特点。

  了解齿轮精度选择的方法，五种失效形式的特点、生成机理及预防或减轻损伤的措施；掌握齿轮材料选择要求、常用钢铁材料选用及其热处理特点；熟练掌握齿轮传动的受力分析，特别是斜齿轮和锥齿轮轴向力的大小与方向的确定，理解载荷系数的意义及其影响因素；熟练掌握直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算的基本理论，公式中各参数和系数的意义及确定方法，掌握齿轮传动设计的步骤，正确进行直齿轮传动的强度设计计算；了解平行轴斜齿轮传动和直齿锥齿轮传动的当量齿轮的意义，了解平行轴斜齿轮传动和直齿锥齿轮传动强度计算特点。

     了解齿轮的四种结构形式及其特点，能进行齿轮零件工作图的设计；掌握齿轮传动润滑油种类、粘度及润滑方式的选择。

(10)
蜗杆传动设计（2学时）

Design of Worm Gears (2h)


    了解蜗杆传动的类型、特点；理解基本参数及几何尺寸关系；掌握蜗杆传动失效形式和计算准则；掌握蜗杆传动的受力分析、滑动速度和效率；掌握蜗杆传动的热平衡计算；了解蜗杆传动的强度计算特点；了解蜗杆和蜗轮的结构特点。

(11)
带传动设计（4学时）

Design of Belt Drives (4h)


    了解带传动的类型、特点及应用场合；熟悉普通V带的结构及其标准、V带传动的张紧方法和张紧装置；掌握带传动的工作原理、受力情况、弹性滑动及打滑等基本理论；掌握V带传动的失效形式及设计准则，V带传动参数正确选择方法，并熟练V带传动的设计方法和步骤。

(12)
链传动设计（3学时）

Design of Chain Drives (3h)


    了解链传动的工作原理、特点及应用；了解滚子链的标准、规格及链轮结构特点；理解链传动的运动特性；掌握滚子链传动的失效形式及设计准则；掌握滚子链传动主要参数的合理选择及设计计算方法；了解链传动的布置、张紧方法及润滑方法。

(13)
间歇运动机构（1学时）

Intermittent Motion Mechanisms (1h)


    了解棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等间歇运动机构的工作原理、基本类型、运动特点、适用场合和设计要点。

(14)
其他常用机构（1学时）

Other Mechanisms In Common Use (1h)


    了解万向联轴器、螺旋传动、非圆齿轮机构、摩擦传动的工作原理、运动特点、适用场合和设计要点。

(15)
连接设计（4学时）

Design of Connections (4h)


     了解螺纹连接的主要类型、拧紧与防松的原理及方法；掌握螺纹连接的受力分析、失效形式，强度计算的理论与方法和提高连接强度的措施。

     了解键连接的主要类型、应用特点及失效形式；掌握键尺寸的选择方法，并能对键连接进行强度校核计算；了解销连接、过盈连接和成形连接的特点及应用；了解焊接和胶接接头的基本类型、结构、应用场合、受力状况、破坏形式以及焊缝强度计算。

(16)
滑动轴承设计（5学时）

Design of Journal Bearings (5h)


     了解滑动轴承的类型和结构特点；掌握轴瓦材料和轴瓦结构的选择原则与设计要点；了解润滑油和润滑脂的性能与选择原则；熟练掌握非液体摩擦滑动轴承的条件性计算；掌握液体动压润滑的基本方程和油楔承载的机理；掌握液体摩擦动压向心滑动轴承的基本原理和设计方法。

(17)
滚动轴承（5学时）

Rolling Bearings (5h)


  了解滚动轴承类型、结构、特点、精度、代号和选用原则；掌握滚动轴承的失效形式、计算准则；掌握滚动轴承寿命计算的基本理论和计算方法；能进行滚动轴承组合结构设计。

(18)
联轴器、离合器和制动器（1学时）

Couplings, Clutches and Brakes (1h)


     了解联轴器、离合器、制动器的工作原理、主要类型及其结构特点；掌握选择应用的原则。

(19)
轴设计（4学时）

Design of Shafts (4h)


     掌握轴的类型、失效形式及设计要求；了解轴的常用材料、结构设计应考虑的问题和提高轴强度的措施；掌握轴的受力分析和强度设计方法。

(20)
弹簧设计（3学时）

Design of Springs (3h)


     了解弹簧的类型、结构特点及适用场合；了解弹簧的加工方法及材料选择的基本原则；掌握弹簧参数对弹簧性能的影响及其合理选择；熟练掌握圆柱螺旋弹簧设计的基本理论与方法。

(21)
箱体、机座和导轨的结构设计(1学时)

Structural Design of Box-bodies, Machine Frames and Guides (1h)


     了解机座、箱体、导轨的分类、功能及设计要点。

(22)
机械系统总体设计（2学时）

General Design of Mechanical Systems (2h)


     了解机械系统设计的整个过程及各环节的设计要点；掌握基于功能原理的总体方案设计的基本方法；了解机械系统总体布置及主要参数确定的基本思路；了解机械系统方案评价的基本思路和常用评价方法。

(23)
执行系统的方案设计（3学时）

Scheme Design of Executive Systems (3h)


     了解执行系统方案设计的过程和设计内容；学会运用选型和构型的方法进行执行机构的设计；了解执行系统协调设计的原则，掌握机械运动循环图的设计方法；了解执行机构方案评价的基本思路。

(24)
传动系统设计（7学时）

Design of Driving Systems (7h)


     一般了解传动系统的功能、类型和组成；了解传动系统设计的一般程序、基本原则及评价方法。

     掌握轮系的类型、传动比计算及轮系设计的基本问题；熟练掌握定轴轮系、周转轮系和复合轮系传动比计算及主、从动轮转向关系的确定；掌握行星轮系各轮齿数和行星轮数的确定方法；了解各类轮系的组成、运动特点和应用。

     了解减速器、变速器的主要类型与特性及设计的基本问题。

     了解传动系统方案设计以及传动系统的方案分析与选择等。

(25)
机械系统动力学设计（7学时）

Dynamic Design of Mechanical Systems (7h)


  熟练掌握质量平衡与功率平衡等基本概念；熟练掌握质量平衡的方法，重点是刚性转子的平衡设计；一般了解平面机构的平衡设计；熟练掌握机械系统等效动力学模型的建立与求解，周期性与非周期性速度波动的原因及调节方法，重点是飞轮的设计；理解机械运转的平均速度和不均匀系数的概念。

(26)
其他系统设计概述（1学时）

An Introduction to Other Systems (1h)


     掌握机械系统的载荷特性及动力机选择的基本原则；了解控制系统、操作系统、人机工程学及基础设计的基本理论和方法；了解机械系统密封方式选择的基本原则。

4. 实验教学的内容和基本要求

     以课程体系与教学内容为背景，强化设计型、综合型、自主设计型实验和加强学生动手能力培养为目标，本课程相应的实验课共设置了不同类型、不同难度等级的20个实验项目（如下表），其中：创新设计型实验3个，自主设计型实验3个，综合型实验11个，验证型实验3个；高难度实验6个，中等难度实验6个，低难度实验8个。要求每位学生至少完成12个实验项目，其中包括8个指定必做项目（1、4、5、8、9、11、12、13）和4个限定选做项目（2、3、6、7中选做1项；10、15、19中选1项；14、20中选1项；16、17、18中选1项）。学生实验时间自定（可在相关教学内容讲授之前或之后，但必须在课程结束之前完成所有规定实验项目）并提前预约。具体实验内容、要求和安排如下表

序号
实 验 项 目 名 称
实验类型
难度等级
学时安排

(课外/课内)
要求
所属知识体系

1
典型机械运动方案展示与分析及机构运动简图测绘
综合型
低
0.5/2
必做
机械设计总论
2
机构运动参数测定与分析
综合型
低
0.5/2
选做

3
齿轮传动效率测定与分析
验证型
低
0.5/2
选做

4
典型机械结构展示及拆装与测绘
综合型
低
0.5/2
必做

5
凸轮机构凸轮轮廓检测与从动件运动规律分析
综合型
中
0.5/2
必做
执行机构和传动机构设计
6
平面凸轮机构计算机辅助设计与分析
综合型
中
0.5/2
选做

7
渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测定与分析 验证型
低
0.5/2
选做

8
渐开线直齿圆柱齿轮范成
验证型
低
0.5/2
必做

9
带传动特性
综合型
中
0.5/2
必做

10
链传动特性
自主设计型
高
2/2
选做

11
螺栓组的静、动态特性
综合型
低
0.5/2
必做
通用零部件设计
12
液体动压轴承特性
综合型
低
0.5/2
必做

13
回转件动平衡 综合型
中
0.5/2
必做
机械系统总体方案设计
14
平面机构惯性力平衡 综合型
中
0.5/2
选做

15
机器周期性速度波动的调节 自主设计型
高
2/2
选做

16
平面连杆机构的创新设计 创新设计型
高
8/0
选做

17
轮系的创新设计 创新设计型
高
8/0
选做

18
机械传动方案创意组合 创新设计型
高
2/2
选做

19
机构与机械传动方案创新设计 自主设计型
高
16/0
选做

20
机器人认识与操作 综合型
中
0.5/2
选做


5. 课程设计的基本要求

     课程设计以具有一定工程与应用背景的机械装置为设计任务，要求学生综合运用先修课程知识、现代设计理论与方法和计算机辅助设计技术，完成系统总体方案设计、机构及其传动设计、机械零部件设计与结构设计以及设计技术资料撰写等工作。课程设计的命题应注重工程设计过程各个环节的训练，并有发挥学生创造性的较大空间。在结构设计方面，应建立由三维到二维的设计模式，学生能基于Solidworks等软件实现创新设计与装配，并为后续先进制造技术综合实验对所设计装置进行数控加工和装配作准备。

     本课程设计是一个重要的实践性教学环节。其目的在于通过工程设计过程各主要环节的的训练，了解机械设计知识在实际工程中的应用，掌握相关的基本知识、基本理论和基本方法，培养综合运用先修课程和计算机辅助设计的能力，现代设计理论与方法和网络、信息技术的运用能力，观察、提问、分析和解决问题的独立设计工作能力，运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力，设计构思和创新能力。