《机械设计基础》课程学习指南

PAGEPAGE15《机械设计基础》课程学习指南为配合学生《机械设计基础》课程的学习，使学生积极主动、有的放矢地进行学习，在学习指南中对本课程基本情况、性质、任务、教材和多媒体课件的处理、学习参考书、考核要求及各章基本要求、重点、难点等均做了较详细地说明。课程基本情况、性质、研究对象和任务总学时：64学时，课堂教学56学时，实验8学时。先修课：高等数学、工程力学、公差与技术测量、机械制图等。《机械设计基础》是机械类专业必修的一门重要的专业基础课，作为一门主干基础课程，它在整个教学过程中起着承上启下、举足轻重的作用。本课程主要研究组成机械的一些常用机构、机械传动装置、通用零、部件等的工作原理，结构特点及基本的设计理论和方法。主要任务：1)通过本课程的学习，使学生能够认识机械、了解机械，并掌握分析机械、设计机械的基本方法。2)通过本课程的学习，使学生掌握机构分析与设计的基本理论和基本方法、并初步具有分析和设计零、部件的能力；强调能比较、能选择、能设计的基本能力的培养；也为学习后续的专业课程建立基础。教材及多媒体课件教材：选用本校自编的国家级精品课程系列教材：《机械设计基础》西安电子科技大学出版。本教材着眼于高等职业教育对人才培养目标的要求，体现高等职业教育的特色。因此，教材内容以应用为目的，以“必需，够用”为原则，简化繁琐的理论推导，突出实用性、知识的综合应用性和能力与素质的培养。同时也注意适当地扩大学生的知识面，为学生的继续教育和终身教育打下一定的基础。多媒体课件：根据本课程的特点，机械设计基础适合用多媒体教学。该课件综合了图、文、声、像、二维图形、三维动画等多种媒体手段，经科学、合理的重组、整合、加工，构筑了一种虚拟实际场景的教学氛围。对学生开阔视野、扩展思路、增强工程实践意识以及提高分析问题、解决问题的能力和创造能力都具有非常重要的作用。但是，应该提醒的是，学生在利用多媒体课件进行学习时，不能将注意力只集中在丰富多彩的课件画面上，而忽视对课程内容的关注和理解；课堂学习中，由于信息量较大，课堂进度较快，应注意对重要内容作记录，并在课下及时复习和总结。学习参考用书可选用高等学校机械设计系列教材：《机械设计基础》（杨可桢程光蕴主编）；《机械原理》（孙桓主编），《机械设计》（濮良贵主编），《机械设计基础学习指导书》（程光蕴主编）关于考试的说明《机械设计基础》课程的考核成绩由以下几部分构成：课外作业和平时表现(未完成作业者不得参加期末考试)5%实验(未完成规定实验者不得参加期末考试)10%期末考试85%各章基本要求、重点难点及自测练习题绪论（一）基本要求1．掌握有关机械、机器、机构、构件及零件等名词概念；2．了解机械设计基础研究的对象和内容及本课程的性质、任务及相应的学习特点。（二）重点与难点重点是掌握机器和机构的含义和特征、构件及零件等名词概念（三）自测练习题1．填空题1）零件是机器中的单元体；构件是机构中的单元体。2）内燃机中的连杆属于。A．零件B.机构C.构件3）机器与机构的主要区别是：。A.机器较机构运动复杂B.机器能完成有用的机械功或转换能量C.机器能变换运动形式。4）一种相同的机构机器。A．只能组成相同的B.可以组成不同的C.只能组成一种2．简答题1）《机械设计基础》课程研究的对象与内容是什么?2）什么是机械、机器、机构、构件、零件?各举一例说明。常用机构（一）基本要求1.掌握平面机构运动简图的绘制方法。搞清运动副、约束、自由度等基本概念，看懂并能绘制机构的运动简图；2．掌握平面机构自由度计算。能对复合铰链、局部自由度及虚约束进行正确识别及处理，对机构的运动是否确定会做出相应的判断；3.了解平面四杆机构的基本形式及演化方法。熟悉铰链四杆机构的三种基本形式及其演化中的曲柄滑块机构、摆动导杆机构的结构特点及运动特点；4.掌握平面四杆机构特性分析方法。对曲柄存在条件、急回特性、行程速比系数、传动角或压力角、死点有明确的概念；5.掌握设计平面四杆机构的基本方法。能够按照给定行程速比系数、两连架杆位置运用图解法完成四杆机构各构件基本尺寸的确定。（二）重点与难点重点是机构运动简图的绘制；平面机构自由度计算；铰链四杆机构基本形式的判断；四杆机构中急回特性分析及平面四杆机构的设计。其中机构运动简图的绘制即是重点又是难点；而机构自由度计算中虚约束的处理是难点但不是重点；平面四杆机构最小传动角的分析是难点。（三）自测练习题填空题1）两构件通过点或线接触而构成的运动副为；它引入个约束。两构件通过面接触而构成的运动副为，它引入个约束。2）机构中只有一个。A.原动件B.从动件C.机架1）当曲柄摇杆机构处于死点位置时，原动件应是，此时，机构的压力角为。2）在曲柄摇杆机构中，若把摇杆变换为机架，则机构演变成机构。3）一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成机构。4）在四杆机构中，能实现急回运动的机构有、、。5）摆动导杆机构，当以曲柄为原动件时，传动角总是。A．等于0ºB．等于90ºC．大于0º而小于90º6）曲柄滑块机构中，若增大曲柄长度，则滑块行程将。A．增大B．不变C．减小7）铰链四杆机构ABCD各杆长度分别为lAB=40mmlBc=90mm，lcD=55mm，取AB杆为机架，则该机构为。A．双摇杆机构B．双曲柄机构C．曲柄摇杆机构2．计算分析题2.1下面所示两图分别为一机构的初拟设计方案。试：计算图示各机构的自由度，如有复合铰链，局部自由度和虚约束需说明。分析其设计是否合理，如此初拟方案不合理，请用简图表示其修改方案，并对其合理性进行验证。(a)(a)(b)(b)2.2计算图示机构的自由度并判断机构是否具有确定的相对运动(机构中若存在复合铰链、局部自由度、虚约束应明确指出)2．3下图所示四杆机构是否均有急回特性？为什么？2.4图示一曲柄摇杆机构，已知机架长度ℓAD=70mm，摇杆长度ℓCD=55mm，摇杆左极限位置C1D与机架AD之间的夹角为45°，若行程速比系数K=1.4，试用图解法确定：（10分）摇杆的右极限位置C2D。2．曲柄长度ℓAB和连杆长度ℓBC3．最小传动角min3凸轮机构（一）基本要求1．了解凸轮机构的分类及应用；2．掌握推杆几种常用运动规律的特点和适用场合；3．掌握用反转原理设计凸轮廓曲线的方法。（二）重点与难点本章的重点是推杆几种常用运动规律的特点及适用场合；盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；凸轮机构压力角及运动失真的主要影响因素。本章的难点是在凸轮轮廓设计及分析中“反转法”原理的理解和运用。（三）自测练习题1．填空题1）在凸轮机构推杆常用的运动规律中，运动规律会使机构产生刚性冲击，而运动规律会使机构产生柔性冲击。2）右图所示几种凸轮机构中，的润滑条件和传力性能最好。A、a图B、b图C、c图3）尖顶从动件凸轮机构中，基圆的大小会影响。A．从动件位移B．从动件加速度C．机构的压力角4）与其它机构相比，凸轮机构的最大优点是。A．便于润滑B．制造方便C．可实现各种预期的运动规律5）为避免从动件运动失真，滚子从动件凸轮的理论轮廓不能。A．内凹B．有尖点C．变平6）若凸轮机构出现运动失真，可采取的措施。A．增大滚子半径B．增大基圆半径C、减小基圆半径7）设计滚子直动从动杆盘形凸轮机构时，若压力角超过许用值，则应。A、增大滚子半径B、增大基圆半径C、减小基圆半径8）用反转法设计凸轮廓线时,相对静止不动。A.机架B.从动杆C.凸轮2．作图分析题2.1右图所示一对心直动滚子从动杆盘形凸轮机构，已知凸轮转向为逆时针方向，凸轮工作轮廓由两段圆弧和两段直线光滑连接而成，要求：画出凸轮的理论轮廓；②画出凸轮的基圆；③标出从动杆的行程h；④标出凸轮的推程角δ0、远休止角δ01、回程角δ0′、近休止角δ02；O⑤标出凸轮由图示位置按逆时针方向转过45°时机构的压力角α。O2.2图示为一偏心圆盘构成的凸轮机构，已知O为偏心圆的中心，偏心距e=15mm,圆盘直径d=60mm①用作图法标出从动件2的行程h和推程运动角d0。②用作图法标出凸轮转过90°时从动件2的位移S90、压力角a90。③若改为偏置式凸轮机构，从减小推程压力角的角度考虑，从动件应偏向哪一侧？用作图法标出凸轮机构从图示位置转过45°时的压力角及从动件的位移。2.3图所示的凸轮机构中，从动件的起始上升点为C点。试在图上标注出从C点接触到D点接触时，凸轮转过的角度δ及从动件上升的位移S；试在图上标出从动件上升的最大升程h；标出在D点接触时凸轮机构的压力角α。2.4有一尖端对心直动从动件盘形凸轮机构，凸轮按逆时针转动，从动件的运动规律为：凸轮转过180°时，从动件等速升高25mm；凸轮再转过60°时，从动件无位移；凸轮又转过90°时，从动件等速下降25mm；然后凸轮在转过最终30°，从动件停止不动。若基园半径rb=30mm,请做出凸轮的轮廓曲线；标出推程为12.5mm时的压力角的。SSδδ4间歇运动机构（一）基本要求了解棘轮机构、槽轮机构的工作原理、运动特点、应用场合及设计要点；（二）重点与难点本章重点是掌握棘轮机构、槽轮机构的组成、运动特点及应用。（三）自测练习题1．填空题1）单销外槽轮机构中，槽轮的运动时间总是静止时间。A．大于；B．等于；C．小于。2）若要实现周期性间歇转动，且希望转角大小可调，可选取机构。A、槽轮；B、不完全齿轮；C、棘轮。3）在单向间歇运动机构中，棘轮机构常用于场合。A．低速轻载；B．高速重载；C．低速重载。4）当输入运动为连续匀速转动时，要求输出运动为单向间歇转动，可选用机构、机构和机构。5）棘轮机构中止动爪的作用是。2．简答题1）实现间歇转动的机构有哪几种？哪一种间歇回转角可调？那一种较适用于高速情况？为什么？常用机械传动带传动（一）基本要求1．了解带传动的类型、特点和应用；2．熟悉V带的构造和标准；3．掌握V带传动的受力分析、应力分析。熟悉带传动的主要失效形式，会区分打滑和弹性滑动这二个概念；4．掌握V带传动的参数选择和设计计算。（二）重点与难点本章的重点是V带传动的参数选择和设计计算；难点是弹性滑动的分析。（三）自测练习题填空题1)带传动工作时产生弹性滑动是因为。A．带的预紧力不够B.带的紧边和松边拉力不等C.带和带轮间摩擦力不够2）带轮的轮槽尺寸由确定。A带的型号B带轮直径C带的长度3）带传动主要依靠来传递运动和动力的。A带与带轮接触面间的正压力B带与带轮接触面间的摩擦力C带的紧边拉力4）设计V带传动时，如小带轮包角a1过小（a1<120°），最有效的解决方法是。A、增大中心距B、减小中心距C、减小带轮直径5）带传动不能保证精确传动比的原因是。A.带的磨损B.带的打滑C.带的弹性滑动6）带的楔角q与带轮轮槽角j之间的关系为。abcA.q=jB.q＜jC.q＞abc讨论题图示三个带传动方案，其中心距、带轮直径满足下列关系式：aa=ab,D1a<D1b,D2a=D2b;ab<ac,,D1b=D1c,D2b=D2c,试分析哪个方案传动能力最强？齿轮传动（一）基本要求了解齿轮机构的类型和应用；理解齿廓啮合基本定律。掌握关于节点、节圆的概念；了解渐开线的形成及性质，掌握渐开线齿廓的啮合特性；明确啮合线、啮合角等概念；掌握渐开线齿轮传动的正确啮合条件、正确安装条件及连续传动条件；熟悉渐开线齿轮各部分的名称、基本参数及几何尺寸计算，熟练掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算方法；了解渐开线齿廓的切齿原理、根切现象、变位修正原理及变位齿轮的概念；掌握齿轮的失效形式，直齿、斜齿轮的受力分析及强度计算。（二）重点与难点本章的内容较多。重点内容主要是：渐开线齿廓的啮合特性；外啮合渐开线直齿圆柱齿轮传动的啮合原理和几何尺寸计算；齿轮的受力分析及强度计算公式的理解与应用。本章的难点是：重合度的意义；斜齿轮的当量齿轮。齿轮。（三）自测练习题1．填空题1）渐开线在基圆上的压力角为。A、0°B、20°C、90°2）渐开线齿轮传动,由于安装误差中心距变大,这时传动比。A、不变B、增大C、减小3）的圆称为分度圆。A.齿厚等于齿槽宽处B.齿顶高等于齿根高处C.具有标准模数和标准压力角4）渐开线齿轮传动的可分性是指不受中心距变化的影响。A.节圆半径B.传动比C.啮合角6）范成法加工齿数少于17的渐开线时，一定会产生根切。A.标准直齿圆柱齿轮B.标准斜齿圆柱齿轮C.变位直齿圆柱齿轮7）正变位齿轮与标准齿轮相比其分度圆，齿顶高，齿根高。A.变大B.变小C.不变8）一般参数的开式齿轮传动的主要失效是。A齿面点蚀B齿面磨损C齿面胶合9）一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知z1=20z2=50，它们的齿形系数是。ABC10）设计渐开线圆柱齿轮传动时，小齿轮1和大齿轮2的齿宽应。A.b1=b2B.b1<b2C.b11）一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知z1＜z2,则两轮接触应力的关系为。A.H1=H2B.H1＜H2C.H1＞H212）软齿面闭式齿轮传动的主要失效形式为。A.齿面点蚀B.轮齿折断C.齿面磨损。13）对于齿面硬度≤350HBS的齿轮传动，当大、小齿轮均采用45号钢时，一般采取的热处理方式为。A．小齿轮淬火，大齿轮调质B.小齿轮淬火，大齿正火C.小齿轮调质，大齿轮正火D.小齿轮正火，大齿轮调质2．计算题2．1一对正常齿制的外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮机构，已知：标准中心距a=100㎜、压力角α=20°、主动轮齿数Z1＝20、从动轮齿数Z2＝30，求：1）分别求出两轮的分度圆直径d、齿顶圆直径da、齿根圆直径df及基圆直径db。2）试画图表示理论啮合线段N1N2、实际啮合线段B1B2，并判断传动是否连续。3）若实际安装中心距a’>a，则此时分度圆与节圆，分度圆压力角与啮合角的关系又将如何变化？4）两个齿轮的接触应力、齿根弯曲应力是否分别相等？如不相等，哪一个齿轮的应力大？2．2有一对正常齿外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，已知两轮的齿数分别为z1=30，z2=40，模数m=20mm，压力角α=20°，h﹡=1.0，c﹡试求：齿轮1的分度圆直径d、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、基圆直径db、齿距p、齿厚s、和齿槽宽e、传动比i、标准中心距a；（2）当实际中心距a’=702.5mm时，此时，啮合角α’为多少？两轮节圆直径d1’、d2’2．3在图示的斜齿圆柱齿轮传动中，已知动力从齿轮1输入，齿轮3输出，齿轮1为右旋齿轮，其转向如图所示。试解答：标出齿轮2和齿轮3的转向及轮齿的旋向。标出齿轮2在啮合点处所受圆周力Ft、径向力Fr及轴向力Fa的方向。（3）说明中间轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的变化特性蜗杆传动基本要求了解蜗杆传动的特点、类型；掌握蜗杆传动主要参数、失效形式及材料选择；掌握蜗杆传动的受力分析。（二）重点与难点本章的重点是蜗杆传动的基本参数及受力分析（三）自测练习题1．填空题1）蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相类似，其中________最易发生。A.轮齿折断 B.塑性变形C.胶合与磨损 2）蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相类似，其中________最易发生。A.轮齿折断 B.塑性变形C.胶合与磨损3）为使蜗杆传动具有良好的减摩性，常采用制造蜗杆，采用制造蜗轮。A．钢B．青铜C．塑料D.有色金属4）对于传递动力的蜗杆传动，为了提高传动效率，在一定限速内可采用＿＿。A．较大的蜗杆直径系数B．较大的蜗杆分度圆导程角C．较小的模数D．较少的蜗杆头数5）蜗杆传动中，是以蜗杆的参数、蜗轮的参数为标准值。A、端面B、轴面C、法面6）在下列蜗杆传动参数中，________为导出值，不是基本的标准化的参数。A、蜗杆头数Z1 B、蜗杆轴向模数m C、蜗杆直径系数q 2．分析题在图示电动绞车系统中，件1和2均为斜齿圆柱齿轮，件3为蜗杆，件4为蜗轮。已知蜗轮蜗杆均为右旋，并且设计时Ⅱ轴上的齿轮2与蜗杆3的轴向力能够相互抵消一部分，试回答下列问题：①齿轮1的轮齿螺旋线方向是旋。②在图中用箭头表示出重物上升时齿轮1和齿轮2的转动方向以及齿轮2在节点A所受的轴向力的方向。③重物上升时，在节点B处画出蜗杆3所受的轴向力、圆周力和径向力的方向，在节点B处画出蜗轮4所受的圆周力的方向。轮系（一）基本要求1．了解轮系的分类和主要功用；2．熟练掌握定轴轮系、周转轮系、复合轮系传动比的计算方法，会确定主、从动轮的转向关系。（二）重点与难点本章重点是各种轮系传动比的计算。本章难点是周转轮系传动比计算及复合轮系中基本轮系的划分。（三）自测练习题1．填空题1）在轮系传动比计算中，iABH表示A、B两轮的传动比。A．在转化轮系中；B．在实际轮系中；C．在周转轮系中。2）惰轮对轮系传动比。A．大小方向均无影响B．仅影响大小，不影响方向；C．仅影响方向，不影响大小。3）下图所示轮系，三个传动比计算式中，式是正确的。2．计算题在右图所示轮系中，已知各轮的齿数z1=z3′=80,z3=z5=20,齿数l的转速n1=70r/min,方向如图所示。试求齿轮5的转速的大小及方向。通用机械零部件联接螺纹联接（一）基本要求1.了解螺纹及螺纹联接件的类型、特性、标准；明确螺纹效率和自锁条件；2.熟练掌握螺纹联接的基本类型、结构特点及应用场合；熟悉螺纹联接的予紧和防松方法；3.掌握螺栓组联接设计时应注意的问题。（二）重点与难点本章重点是螺纹联接的基本类型、结构特点，螺栓组联接设计时应注意的问题。（三）自测练习题1．填空题1）一箱体与箱盖用螺纹联接，箱体被联接处厚度较大，现要求联接结构紧凑，且需要经常装拆箱盖进行修理，宜采用联接。A.双头螺柱联接B.普通螺栓联接C.螺钉联接2）当螺栓联接的被联接件是锻件或铸件时，应将安装螺栓处加工成小凸台或沉孔，其目的是______。A．易拧紧；B．避免偏心载荷；C．增大接触面，提高承载能力。3）用于连接的螺纹牙型为三角形，这是因为三角型螺纹。A..牙根强度高，自锁性能好B.传动效率高C.防振性能好D.自锁性能差4）用于薄壁零件连接的螺纹，应采用。A.三角形细牙螺纹B.梯形螺纹C.锯齿形螺纹D.多线的三角形粗牙螺纹5）在螺栓联接中，当螺栓轴线与被联接件支承面不垂直时，螺拴将产生附加应力。6）螺纹连接防松，按其防松原理可分为防松、防松和防松。2．问答题1）联接螺纹都具有良好的自锁性，为什么有时还需要防松装置?各举出两个机械防松和摩擦防松的例子。2）如何防止螺栓承受偏载？轴系零部件（一）基本要求1．掌握轴的类型。搞清转轴、心轴和传动轴的载荷特点；2．了解轴的设计特点，学会轴的结构设计的方法；3．熟练掌握轴的结构设计。熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法及特点，明确轴的结构设计中应注意的问题及提高轴的承载能力的措施；4．掌握轴的强度计算。5．了解键联接的主要类型及应用特点；6．掌握平键联接的强度计算方法。熟悉键的类型及尺寸的选择方法，并能正确选用。（二）重点与难点本章重点是轴的结构设计与强度计算；平键联接的选择及强度计算方法。本章难点是轴的结构设计。（三）自测练习题1．填空题1)某45钢轴的刚度不足，可采取措施来提高其刚度。A．改用40Cr钢B.淬火处理C.增大轴径2)增大轴在截面变化处的过渡圆角半径，可以_______________。A.使零件的轴向定位比较可靠B.降低应力集中，提高轴的疲劳强度C.使轴的加工方便3)若把轴的材料由碳钢改为合金钢，而轴的结构和尺寸仍保持不变，则轴的将会提高。A强度B刚度C强度和刚度4)对轴进行表面强化处理，可以提高轴的。A刚度B疲劳强度C耐冲击性能5)自行车的前轮轴为。A.转轴B.传动轴C.心轴126）图示零件1和2采用了联接。12A.平键B.楔键C.切向键7）哪种键联接可传递轴向力？班级姓名学号A.普通平键B.班级姓名学号8）楔键联接能够实现轴上零件的。A.轴向固定B.周向固定C.A与B均可9）标准平键的承载能力通常取决于。A．键的抗剪强度；B．键的弯曲强度；C．键联接工作表面挤压强度。10）已知普通平键的键宽为b，键长为L，其强度校核公式为，对于A型平键式中为。A、LB、L－bC、L－b／211)选择平键的剖面尺寸（bh）是根据______从标准中选出的。A.传递转矩的大小B.轴径大小C.轮毂长度2．计算题凸缘联轴器用一圆头普通平键与轴相联接。已知键的尺寸为b×h×L=10×8×50（单位均为mm），轴的直径d=35mm，键联接的许用挤压应力[σp]=100MPa，试求该联接所允许传递的转矩。3.结构改错题指出下列齿轮轴系图中的错误结构，说明错误原因及改正方法（对尺寸比例无严格要求，只要求零件固定可靠、装拆方便、调整容易、润滑及加工工艺性合理）。滚动轴承（一）基本要求1．熟悉轴承的主要类型、特点和代号。熟练掌握“6”、“N”、“7”、“3”、“5”2．掌握滚动轴承的选择计算及滚动轴承的组合设计。（二）重点与难点本章重点是滚动轴承的寿命计算方法及轴承的选择计算。本章难点是角接触轴承轴向载荷计算。（三）自测练习题1．填空题1）代号为的滚动轴承能很好的承受径向载荷及轴向载荷的综合作用。A.7310AC B.N210 2）是只能承受径向载荷的轴承。A.深沟球轴承B.调心球轴承C.调心滚子轴承D.圆柱滚子轴承3）动轴承的额定寿命是指同一批轴承中的轴承所能达到的寿命。A．99%B.90%C.95%D.50%4）具有良好的调心作用。A.深沟球轴承B.调心滚子轴承C.推力球轴承