《机械原理》课程教学大纲

一、课程简介

（一）课程中文简介

《机械原理》课程是机械设计制造及其自动化本科专业的一门专业基础课程。本课程研究有关机械的基本理论问题，重点对各种机械中的一些共性问题和常用机构进行讲授，其主要内容包括：机构的结构分析、机构的运动分析、机器动力学研究、常用机构的分析与设计、机械系统的方案设计，使学生掌握有关机构的结构分析、运动分析和机器动力学的某些基本理论和基本知识，初步具有确定机械运动方案、分析和设计机构的能力，并得到必要的基本技能训练。

通过本课程的教学和实验训练，学生能综合运用《机械原理》课程及其先修课的知识进行机构分析和机械系统方案设计，培养一定的综合设计构思能力和创新设计意识，初步具备解决复杂工程问题的能力，为学习后续专业课和从事机械设计工作奠定基础。

（二）课程英文简介

“Principle of Mechanics”is a professional basicundergraduate course of mechanical design and manufacturing and automation. This course mainly studiesbasic theory of mechanical problems, focusing on some common problems andcommon mechanisms in all kinds of mechanics. The main content includes the structureanalysis, the kinematic analysis of mechanism, the machine dynamics, theanalysis and design of the common mechanisms and the design of mechanicalsystem. Students can master some basic theories and knowledge of structureanalysis, kinematic analysis and machine dynamics of relevant mechanisms,preliminarily having the ability to determine mechanical scheme, analyze anddesign mechanism, and get necessary basic skill training.

Through theteaching and experimental training of this course, students can comprehensively usethe knowledge of this course and its previous courses to analyze mechanisms and design mechanicalsystem. Students can be cultivated comprehensivedesign ability and innovation design consciousness, preliminary having theability to solve complex engineering problems, and laying a good foundation for the follow-upprofessional courses and mechanical design work in the future.

二、课程目标

三、课程教学内容

第一章  绪论 

教学目的与要求：

了解本课程的主要内容、性质及任务。

教学重点与难点：

重点：本课程的主要内容及任务

第一节 本书研究的对象及内容

第二节 学习机械原理课程的目的

第三节 如何进行机械原理课程的学习

第四节 机械原理学科发展现状简介

第二章    机构的结构分析

教学目的与要求：

理解运动副、运动链、约束和自由度等重要概念；能计算平面机构的自由度并判定其具有确定运动的条件；对于一般的由平面机构及简单空间机构所组成的机械系统，能正确地画出其机构运动简图并计算自由度；了解平面机构的基本组成原理。

教学重点与难点：

重点：机构运动简图的绘制；机构具有确定运动的条件；平面机构自由度的计算和机构的结构分析。

难点：机构运动简图的绘制；平面机构自由度的计算。

第一节 机构结构分析的内容及目的

第二节 机构的组成及分类

一、机构的组成

1．构件

2．运动副

3．运动链

4．机构

二、机构的分类

第三节 机构运动简图

第四节 机构具有确定运动的条件及最小阻力定律

第五节 机构自由度的计算

一、平面自由度的计算

二、空间机构自由度的计算。

第六节 计算平面机构自由度时应注意的事项

一、要正确计算运动副的数目

二、要除去局部自由度

三、要除去虚约束

第七节 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析

一、平面机构的组成原理

二、平面机构的结构分类

三、平面机构的结构分析

四、平面机构中的高副低代

第三章    平面机构的运动分析

教学目的与要求：

明确理解速度瞬心（绝对速度瞬心和相对速度瞬心）的概念，并能运用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置；熟练运用瞬心法对简单高、低副机构进行速度分析；能用图解法或解析法对II级机构进行运动分析。

教学重点与难点：

重点：用矢量方程图解法求机构的速度及加速度；用速度瞬心法求机构的速度。

难点：分析两重合点之间的加速度关系。因有科氏加速度，故求解过程较为复杂。

第一节 机构运动分析的任务、目的和方法

第二节 用图解法作机构的运动分析

一、机构速度及加速度分析的一般图解法

二、机构速度分析的便捷图解法

第四章    平面机构的力分析

教学目的与要求：

了解机构中作用的各种力的分类及机构分析的任务、目的和方法；了解构件惯性力确定的两种方法，即一般力学法和质量代换法；熟练分析运动副中的摩擦力，并了解考虑摩擦时机构的受力分析方法；了解构件组的静定条件，在不考虑机构摩擦时，熟练运用图解法作机构的动态静力分析。

教学重点与难点：

重点：转动副、移动副中摩擦的概念；摩擦力或摩擦力矩的计算；运动副中总反力作用线的确定。

难点：平面机构中总反力作用线的确定；考虑摩擦时机构的受力分析。

第一节 机构力分析的任务、目的和方法

一、作用在机构上的力

二、机构力分析的任务和目的

1．确定运动副中的反力

2．确定机械上的平衡力

三、机构力分析的方法

第二节 构件惯性力的确定

一、一般力学方法

1．作平面复合运动的构件

2．作平面移动的构件

3．绕定轴转动的构件

二、质量代换法

第三节 运动副中摩擦力的确定

一、移动副中摩擦力的确定

二、转动副中摩擦力的确定

1．轴颈的摩擦

2．轴端的摩擦

3．平面高副的摩擦

第四节 考虑摩擦时机构的受力分析

第五节 不考虑摩擦时机构的动态静力分析

一、构件组的静定条件

二、用图解法作机构的动态静力分析

第五章    机械的效率和自锁

教学目的与要求：

掌握运动副中摩擦力的分析和计算方法；能确定简单机械的机械效率及自锁条件。

教学重点与难点：

重点：机械效率的计算；机械自锁条件的确定。

难点：机械效率的计算；机械自锁条件的确定。

第一节 机械的效率

第二节 机械的自锁

第六章    机械的平衡

教学目的与要求：

掌握刚性转子静、动平衡的原理和方法；了解平面四杆机构的平衡原理。

教学重点与难点：

重点：掌握刚性转子的静平衡、动平衡的原理及计算方法，理解动、静平衡的区别及联系。

难点：动平衡的原理及计算方法。

第一节 机械平衡的目的及内容

一、机械平衡的目的

二、机械平衡的内容

1．绕固定轴回转的构件的惯性力平衡

2．机构的平衡

第二节 刚性转子的平衡计算

一、刚性转子的静平衡计算

二、刚性转子的动平衡计算

第三节 刚性转子的平衡实验

一、静平衡实验

二、动平衡实验

三、现场平衡

第四节 转子的许用不平衡量和许用不平衡度

第五节 平面机构的平衡

一、完全平衡

1．利用平衡机构平衡

2．利用平衡质量平衡

二、部分平衡

1．利用平衡机构平衡

2．利用平衡质量平衡

3．利用弹簧平衡

第七章    机械的运转及其速度波动的调节

教学目的与要求：

了解建立单自由度机械系统等效动力学模型及运动方程式的方法；能求解运动方程式；了解飞轮调速原理，掌握飞轮转动惯量的简易计算方法；了解机械非周期速度波动调节的基本概念和方法。

教学重点与难点：

重点：机械系统等效力学模型的概念；等效转动惯量、等效力矩、等效质量、等效力的概念及其计算方法；机械运转速度波动及其调节方法，飞轮的工作原理及其设计计算。

难点：等效转动惯量（等效质量）、等效力矩（等效力）的计算；最大盈亏功△W_max的计算；飞轮转动惯量的确定。

第一节 概述

一、本章研究的内容和目的

二、机械运转的三个阶段

1．起动阶段

2．稳定运转阶段

3.  停车阶段

三、作用在机械上的驱动力和生产阻力

第二节 机械的运动方程式

一、机械运动方程的一般表达式

二、机械系统的等效动力学模型

三、运动方程式的推演

四、等效转动惯量及其导数的计算方法

第三节 机械运动方程式的求解

一、等效转动惯量和等效力矩均为位置的函数

二、等效转动惯量是常数，等效力矩是速度的函数

三、等效转动惯量是位置的函数，等效力矩是位置和速度的函数

第四节 稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节

一、产生周期性速度波动的原因

二、周期性速度波动的调节

1．平均速度ω_m和速度不均匀系数δ

2．飞轮的简易设计方法

（1）飞轮调速的基本原理

（2）飞轮转动惯量的近似计算

（3）飞轮尺寸的确定

第五节 机械的非周期性速度波动及其调节

第八章    连杆机构及其设计

教学目的与要求：

了解连杆机构传动的特点及其主要优缺点；了解平面四杆机构的基本形式、演化形式及平面四杆机构的一些应用实例；了解有关四杆机构的一些基本知识；能按连杆的三个位置、两连架杆的三对对应位置及行程速比系数等条件，设计平面四杆机构；了解实现给定连杆曲线的平面四杆机构设计的实验法或图谱法；了解简单的空间连杆机构和平面多杆机构。

教学重点与难点：

重点：平面四杆机构的基本形式及其演变；铰链四杆机构有曲柄的条件；急回运动、行程速比系数、传动角、死点以及平面四杆机构的基本设计方法。

难点：用图解法设计四杆机构，主要包括反转法和半角转动法。

第一节 连杆机构及其传动特点

第二节 平面四杆机构的类型及应用

一、四杆机构的基本形式

1．曲柄摇杆机构

2．双曲柄机构

3．双摇杆机构

二、平面四杆机构的演化形式

1．起动阶段

2．稳定运转阶段

第三节 平面四杆机构的基本知识

一、铰链四杆机构有曲柄的条件

二、铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数

三、铰链四杆机构的传动角和死点

1．压力角和传动角

2．死点

四、铰链四杆机构的连杆曲线

五、铰链四杆机构的运动连续性

第四节 平面四杆机构的设计

一、连杆四杆机构的基本问题

二、用作图法设计四杆机构

1．按连杆预定的位置设计四杆机构

2．按两连架杆预定的对应角位移设计四杆机构

第六节 空间连杆机构简介

一、万向铰链机构

1．万向铰链机构

2．双万向铰链机构

第九章    凸轮机构及其设计

教学目的与要求：

了解凸轮机构的类型及其应用；了解推杆的运动规律及其特征；了解凸轮轮廓曲线的设计方法及其基本原理；掌握凸轮机构基本尺寸的确定，主要包括压力角、凸轮基圆半径等。

教学重点与难点：

重点：推杆运动规律的特征及其选择原则；凸轮轮廓曲线的设计；凸轮机构基本尺寸的确定，包括压力角、基圆半径等。

难点：凸轮机构设计的基本方法；对凸轮机构的运动进行分析，如求解推程角、远休止角、回程角、近休止角及推杆行程等。

第一节 凸轮机构的应用及分类

一、凸轮机构的应用

二、凸轮机构的分类

第二节 推杆的运动规律

一、推杆常用的运动规律

1．多项式运动规律

2．二次多项式运动规律

3．三角函数运动规律

二、推杆运动规律的选择

第三节 凸轮轮廓曲线的设计

一、凸轮廓线设计方法的基本原理

1．偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构

2．对心平底推杆盘形凸轮机构

3．摆动滚子推杆盘形凸轮机构

第四节 凸轮机构基本尺寸的确定

一、凸轮机构中的作用力和凸轮机构的压力角

二、凸轮基圆半径的确定

三、滚子推杆滚子半径的选择和平底推杆平底尺寸的确定

1.  滚子推杆滚子半径的选择

2.  平底推杆平底尺寸的确定

第十章    齿轮机构及其设计

教学目的与要求：

了解齿轮机构的类型和应用；掌握齿廓啮合的基本定律，了解共轭齿廓的求法；深入了解渐开线齿廓的啮合特性，以及渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动；掌握标准直齿圆柱齿轮的基本参数与几何尺寸的关系；明确渐开线齿廓的切制原理、根切现象和渐开线标准齿轮不发生根切的最少齿数；了解齿轮的变位修正和变位齿轮传动的基本概念，会计算不产生根切的最小变位系数；了解斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮及蜗轮蜗杆的传动特点及基本尺寸的计算。

教学重点与难点：

重点：渐开线标准直齿圆柱齿轮的外啮合传动及变位传动的基本计算；斜齿轮、蜗轮蜗杆和圆锥齿轮传动的设计计算的特殊点，即与直齿圆柱齿轮的区别。

难点：掌握一对齿轮传动的啮合过程；变位齿轮传动的设计计算及当量齿轮的概念。

第一节 齿轮机构的特点及类型

一、用于平行轴间传动的齿轮机构

二、用于相交轴间传动的齿轮机构

三、用于交错轴间传动的齿轮机构

第二节 齿轮的齿廓曲线

一、齿廓啮合基本定律

二、共轭齿廓

三、共轭齿廓的选择

第三节 渐开线齿廓及其啮合特点

一、渐开线的形成及其特性

二、渐开线方程式及渐开线函数

三、渐开线齿廓的啮合特点

第四节 渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸

一、齿轮各部分的名称和符号

二、渐开线齿轮的基本参数

三、渐开线标准齿轮各部分的几何尺寸

四、齿条和内齿轮的尺寸

第五节 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动

一、一对渐开线齿轮正确啮合的条件

二、齿轮传动的中心距及啮合角

三、齿轮的连续传动条件与重合度

第六节 渐开线齿廓的切制原理与根切现象

一、齿廓切制的基本原理

二、用范成法加工标准齿轮时齿条刀具的位置

三、渐开线齿廓的根切现象和标准齿轮不发生根切的最少齿数

1.  根切现象及其原因

2.  标准齿轮不发生根切的最少齿数

第七节 渐开线变位齿轮简介

一、变位齿轮的概念

二、避免发生根切的最小变位系数

三、变位齿轮的几何尺寸

四、变位齿轮传动

第八节 斜齿圆柱齿轮传动

一、斜齿轮的基本参数与几何尺寸计算

二、一对斜齿轮的啮合传动

1.  一对斜齿轮正确啮合的条件

2.  斜齿轮传动的重合度

三、斜齿轮的当量齿轮与当量齿数

四、斜齿轮传动的主要优缺点

第九节 直齿圆锥齿轮传动

一、锥齿轮传动概述

二、直齿锥齿轮的背锥及当量齿轮

三、直齿锥齿轮传动几何参数和尺寸计算

第十节 蜗轮蜗杆传动

一、蜗轮蜗杆传动及其特点

二、蜗轮蜗杆正确啮合的条件

三、蜗轮蜗杆传动的主要参数及几何尺寸

1.  齿数

2.  模数

3.  压力角

4.  蜗杆的分度圆直径

第十一章    齿轮系及其设计

教学目的与要求：

了解轮系的分类及其应用；掌握定轴轮系、周转轮系和复合轮系传动比的计算方法；了解行星轮系的效率、选型以及设计的基本知识。

教学重点与难点：

重点：定轴轮系、周转轮系及复合轮系传动比的计算。

难点：对复合轮系正确地划分轮系并计算其传动比，首先把复合轮系划分成一个个基本定轴轮系和基本周转轮系，关键是把其中周转轮系划分出来。周转轮系的特点就是有行星轮和行星架，然后对各部分列传动比关系方程，联立方程求解。

第一节 齿轮系及其分类

一、定轴轮系

二、周转轮系

三、复合轮系

第二节 定轴轮系的传动比

一、传动比大小的计算

二、首、末轮转向关系的确定

第三节 周转轮系的传动比

第四节 复合轮系的传动比

第五节 轮系的功用

一、实现分路传动

二、获得较大的传动比

三、实现变速传动

四、实现换向传动

五、用作运动的合成

六、用作运动的分解

第六节 行星轮系的效率

第七节 行星轮系的类型选择及设计的基本知识

一、行星轮系的类型选择

二、行星轮系中各轮齿数的确定

1.  尽可能近似地实现给定的传动比

2.  满足同心条件

3.  满足均布条件

4.  满足邻接条件

三、行星轮系的均载装置

第十二章    其他常用机构

教学目的与要求：

结合专业特点对棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动机构、不完全齿轮机构、非圆齿轮机构、螺旋机构和带有挠性元件的传动机构等基本机构中的几种机构以及某些组合机构的工作原理、运动特点及其应用要有所了解。

教学重点与难点：

重点：棘轮机构、槽轮机构及螺旋机构的组成、运动特点及其运动设计的要点。凸轮式间歇运动机构、不完全齿轮机构、非圆齿轮机构、带有挠性元件的传动机构及其组合机构，只需了解其运动特点。

第一节 棘轮机构

一、棘轮机构的组成及其工作特点

二、棘轮机构的类型及应用

三、棘轮机构的设计要点

第二节 槽轮机构

一、槽轮机构的组成及工作特点

二、槽轮机构的类型及应用

三、普通槽轮机构的运动系数及运动特性

1.  普通槽轮机构的运动系数

2.  普通槽轮机构的运动特性

四、槽轮机构的几何尺寸计算

第四节 凸轮式间歇运动机构

一、凸轮式间歇运动机构的组成和特点

二、凸轮式间歇运动机构的类型及应用

1.  圆柱凸轮间歇运动机构

2.  蜗杆凸轮间歇运动机构

3.  共轭凸轮式间歇运动机构

第五节 不完全齿轮机构

一、不完全齿轮机构的工作原理和特点

二、不完全齿轮机构的类型及应用

第八节 螺旋机构

一、螺旋机构的运动分析

二、螺旋导程角和头数的选用

第九节 带有挠性元件的传动机构

一、带传动机构

二、链传动机构

三、绳索传动机构

第十节 组合机构

一、联动凸轮组合机构

二、凸轮-齿轮组合机构

三、凸轮-连杆组合机构

四、齿轮-连杆组合机构

第十一节 含有某些特殊元器件的广义机构

一、联动凸轮组合机构

二、凸轮-齿轮组合机构

第十三章    机械系统的方案设计

教学目的与要求：

了解机械传动系统设计的任务及大体的设计步骤；了解在拟定机械传动方案时就考虑的基本原则及要点；了解机构选型的基本知识；了解机械的运动循环图和机构组合应用的基本知识。

教学重点与难点：

重点：机构的组合方式和特点；组合机构的基本原理和设计思路；执行机构系统的运动方案设计。

难点：执行机构系统的运动方案创新设计。

第一节 概述

一、机械设计的一般过程

二、机械系统的方案设计

第二节 机械工作原理的拟定

第三节 执行构件的运动设计和原动机的选择

一、执行构件的运动设计

二、原动机的类型及其运动参数的选择

三、各执行构件间运动的协调配合和机械的工和循环图

第四节 机构的造型和变异

一、机构的选型

二、机构的变异

第五节 机构的组合

一、机构的串联组合

二、机构的并联组合

三、机构的封闭式组合

四、机构的装载式组合

第六节 机械系统方案的拟定

一、拟定机械系统方案的方法

二、机械传动系统方案拟定的一般原则

三、机械系统方案的评价

第七节 机械系统方案拟定举例

一、鱼雷推进系统方案的拟定

二、卧式锻压机机械系统方案的拟定

四、实验（实践）环节及要求

1. 机构认识及机构运动简图测绘与分析实验

实验内容：本实验对应第二章教学内容，共2个学时实验。内容为认识各种常用机构并进行机构运动简图的绘制与分析。

实验要求：认识并熟悉各种常用机构，掌握机构运动简图的绘制方法；学会分析和验证机构自由度，进一步理解机构自由度的概念，掌握机构自由度的计算发方法；加深对机构结构分析的了解。

2. 渐开线齿轮的参数测定实验

实验内容：本实验对应第十章教学内容，共2个学时实验。内容为渐开线直齿轮参数的测定。

实验要求：掌握用游标卡尺测定渐开线直齿轮基本参数的方法，进一步熟悉齿

轮各部分的尺寸、参数关系及渐开线的性质。

3. 齿轮范成原理实验

实验内容：本实验对应第十章教学内容，共2个学时实验。内容为渐开线范成原理及渐开线齿廓形成过程。

实验要求：掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理，了解渐开线齿廓的形成过程及根切现象，分析和比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。

五、课程思政、创新创业元素

六、学时分配表

七、课程教学基本要求

1.课堂授课

本课程主要采用讲授式教学，运用多媒体课件授课，综合利用各种网络资源丰富教学内容，结合课后作业、课程设计及课外创新实践活动强化学生对相关知识的掌握及灵活运用。

2.实验

依托机电学院机械原理实验室进行，组织形式为集中式，4-6人一组开展实验。

3.作业

从教材各章的思考题及练习题中选择适当量的习题作为课后作业，做到全部批阅，并针对学生在作业中出现的问题集中进行习题讲解与答疑。

八、建议教材及主要参考资料

1.建议教材

[1] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理(第八版)[M].北京：高等教育出版社,  2013.

2.主要参考资料

[1] 陈修龙，叶铁丽等. 机械原理(第三版)[M].北京：中国电力出版社,  2018.

[2] 申永胜.机械原理教程(第三版)[M].北京：清华大学出版社,  2014.

[3] 黄锡恺，郑文纬. 机械原理(第六版)[M].  北京：高等教育出版社,  2000.

[4] 郑文纬，吴克坚. 机械原理(第七版)[M].  北京：高等教育出版社,  1997

3．网址

[1]智慧树在线课程网站：https://www.zhihuishu.com/

[2]中国大学MOOC(慕课)国家精品课程在线学习平台：https://www.icourse163.org/

九、课程成绩考核

课程成绩考核包括平时考核、实验和期末考核。平时考核包括：课堂表现、课堂小测验、课后作业等。期末考核采取闭卷考试形式。平时考核成绩占总成绩的30%，实验成绩占总成绩的10%，期末考核成绩占总成绩的60%。具体考核内容及所占比例，详见下表。

（一）考核内容

课程考核内容及所占比例

（二）评分标准（考试之外环节）

（三）考核环节权重

注：表格中“斜体”段落为示例，“斜体+下划线”段落为说明。