哈尔滨工业大学机械设计C—教学设计

《机械设计》课程教学设计

一、基本描述

课 程  编 号：

课 程  名 称：机械设计

课程英文名称：Machine Design

总   学   时：48    讲课（含习题课）：48    课外辅导（不占总学时）：(6)

学        分：3

开 课  单 位：机电工程学院

授 课  对 象：机电学院  机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业

              能源学院  热能与动力工程专业

              英才学院  机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业

              外语学院  机械设计制造及其自动化专业（双学位）

              其它有关专业

先 修  课 程：工程图学  材料力学  机械精度设计与检测技术  机械工程材料  

金属工艺学  机械原理

开 课  时 间：第五学期或第六学期

教材及参考书：

《机械设计》（第二版），张锋、宋宝玉、王黎钦主编，高等教育出版社，2017.3

《机械设计》（第六版），王黎钦、陈铁鸣主编，哈工大出版社2015.7

《机械设计课程设计指导书》（第二版），宋宝玉主编，高等教育出版社，2016.10

《机械设计课程设计》(第五版)，张锋、古乐主编，哈工大出版社2012.12

《机械设计大作业指导书》，张锋、宋宝玉主编，高等教育出版社，2009.10

《简明机械设计课程设计图册》（第2版），宋宝玉主编，高等教育出版社，2013.2

《机械基础实验》，张锋主编，哈工大出版社，2017.9

《机械零部件计算机辅助设计指导书》，古乐编，哈工大教材科，2015.9

二、课程的性质、研究对象及任务

机械设计课程是一门用以培养学生机械设计能力的技术基础课，在教学过程中要综合运用先修课程中所学到的有关知识与技能，结合各种实践教学环节，进行机械工程技术人员所需的基本训练，为学生进一步学习有关专业课程和日后从事机械设计工作打下基础，因此在机械类专业的教学计划中占有重要地位和作用，是高等工科院校中机械类专业一门主干课程。本课程主要研究一般工作条件和常用参数范围内的通用机械零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论和设计计算方法，以及机械系统方案的设计与选择。

本课程的主要任务是培养学生：

1）树立正确的设计思想，理论联实际，具有创新精神。

2）掌握设计或选用通用机械零部件的基本理论、基本知识和基本技能，了解机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和一般机械的能力。

3) 具有运用标准、规范，查阅技术资料的能力、计算能力、绘图能力和运用计算机进行辅助设计的能力。

4) 掌握机械设计的实验原理和方法，具有进行实验研究的初步能力。

5）了解机械设计的新理论、新方法及发展趋向（了解机械设计的新发展）。

三、教材的选择与分析

目前，国内有关机械设计的教材很多，其中统编教材以濮良贵主编、余俊等主编和邱宣怀主编的《机械设计》为代表，我校曾选用过这三种教材，下面对这种教材进行分析。

1）邱宣怀主编的“机械设计”教材：这本书原是许镇宇、邱宣怀主编的“机械零件”教材，作者中包括好几方面的老专家教授，曾获国家优秀教材一等奖，现已出第四版。内容包括“教学基本要求”提到的全部传统内容，各章都有相当的深度、广度和权威性，文字严谨、精练，风格统一，是本学科教师应很好钻研的一本书。但作为学生用教材，它有以下不足：内容叙述过于简练、扼要，给学生自学带来一定困难；对新的教改思想、新的教学内容与方法反应较慢，反映较少；由于教材内容涉及面太宽，实际上各校均有相当篇幅不讲，利用率受影响。

2） 余俊等主编的“机械设计”教材，原为北京钢铁学院主编，清华等九院校合编的“机械零件”教材。该教材产生于1977年，强调加强基础理论，作者主要是当时编写《机械工程手册》各有关章节的同志，中间也有一些是国内的权威。该书内容丰富，增加了不少新东西如优化、可靠性、断裂力学、弹流等等，传统章节也增加了深度、广度和新的设计计算方法，当时对推动教学改革起了很好的作用，可以作为本学科教师教学的主要参考书之一。但作为教材，它内容偏多、偏深，而且由于内容较新，作者各自都有一定水平，主编统稿做得不够，因此造成风格、体例甚至部分内容，全书不甚统一。这在修订版有所改善，但仍偏深、偏多，影响学生的使用。

3）濮良贵主编的《机械设计》教材：该书是国内应用最多的教材，现已出第七版，该教材包括“教学基本要求”所提出的基本内容，经过反复修订，文字比较流畅，深广度比较适当，比较适合教学。它的不足也是新的教改思想、新的教学内容与方法反应较慢，反映较少。

为了适应面向21世纪教学内容和课程体系改革的要求，充分反映我校机械设计课程教学改革的成果和多年的教学实践经验，由张锋、宋宝玉、王黎钦主编了《机械设计》（第二版）、高等教育出版社、2017.3；王黎钦、陈铁鸣主编了《机械设计》（第六版）、哈工大出版社2015.7两本教材。该教材以培养学生综合机械设计能力为主线，突出了设计性、实践性和综合性。引入了整机设计的概念，加强了结构设计内容，增加了综合性设计内容。适度反映了现代科学技术发展的新成就，简单介绍了有关的新知识、新的设计理论和方法。突出了实用性，尽量减少数理论证，注意与先修课程的联系与衔接，各章均采用最新颁布的国家标准。适用我校的教学特点。因此我们选用这两本教材。

四、本课程各章的主要内容、重点与难点、学时分配

以张锋、宋宝玉、王黎钦主编的《机械设计》（第二版）为依据编写，与王黎钦、陈铁鸣主编的《机械设计》（第六版）的内容相近，只是章节顺序不同。

第1章  绪论                                                （讲课1学时）

主要内容：

机械的组成及本课程研究的对象，本课程的性质和任务，本课程的特点和学习方法。

重点与难点：

本课程的性质、特点和学习方法。

第2章  机械设计概论                                        （讲课3学时）

主要内容：

设计机械及机械零件的基本要求和一般程序（或方法），机械零件的载荷与应力，机械零件的主要失效形式和设计准则，机械设计的材料选用、结构工艺性和标准化。摩擦、磨损和润滑的基础知识。（部分内容自学）

基本要求：

1）从总体上建立起机械设计和机械零部件设计的总体概念，即从机械的总体要求出发，引出对机械零部件的要求，根据零件的失效形式，拟定设计准则，用一定的设计方法来设计零部件。

2）掌握关于机械零件的载荷与应力的基本概念，尤其要熟练掌握变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的基本概念。

3）掌握机械零件材料的选用原则和结构工艺性设计的基本要求，学会采用标准。

4）了解各类摩擦、磨损的机理、特性及其影响因素，特别是了解流体动力润滑的基本概念。

重点与难点：

1）机械零件的载荷与应力的分类及变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的概念和有关公式。

2）机械零件的失效形式及设计准则。

3）机械零件的材料、结构工艺性及机械设计中的标准化。

4）摩擦、磨损的分类、机理、特性及其影响因素，形成油膜的动压和静压原理，弹性流体动力润滑的基本知识。

5）润滑剂的主要性能指标及其影响因素。

第3章  螺纹连接                                           （讲课4学时）

主要内容：

螺纹及螺纹连接的基本知识；螺栓组连接的设计，包括单个螺栓连接的预紧、强度计算、螺栓组结构设计、受力分析及提高螺栓连接强度的措施等。

基本要求：

1）掌握螺纹的基本知识——螺纹的基本参数、常用螺纹的种类、特性及其应用。

2）掌握螺纹连接的基本知识——螺纹连接的基本类型、结构特点及其应用，螺纹连接标准件，螺纹连接的预紧与防松。

3）掌握螺栓组连接设计的基本方法——螺栓组连接的结构设计，受力分析，单个螺栓连接的强度计算理论与方法。

4）掌握提高螺纹连接强度的各种措施。

重点与难点：

1）螺纹和螺纹连接的基本知识。

2）单个螺栓连接的强度计算，主要是承受横向载荷和轴向拉伸载荷的紧螺栓连接的强度计算。

3）螺纹连接的结构设计与表达。

4）受倾覆力矩作用的螺栓组连接受力分析。

7）复杂受力状态下的螺栓组连接受力分析。

6）受预紧力和轴向工作载荷作用时，单个螺栓连接的螺栓总拉力的确定。

第4章  其它连接                                          （讲课1学时）

主要内容：

轴毂连接类型、特点，平键连接、花键连接的工作原理、结构。

基本要求：

1）掌握平键连接的工作原理、结构特点，平键的剖面尺寸和长度的确定方法及平键连接强度校核计算方法。

2）掌握花键连接的齿形、特点、工作原理。

重点与难点：

平键连接的工作原理、失效形式和强度校核计算；平键剖面尺寸及长度的确定。

第5章  带传动                                           （讲课3学时）

主要内容：

带传动的类型、工作原理、特点及应用，普通V带与V带轮的规格和基本尺寸，带传动的理论基础——带传动的几何尺寸，受力分析，应力分析，弹性滑动与打滑现象，带传动的失效形式及设计准则，普通V带传动的设计，带传动的张紧。

基本要求：

1）了解带传动的类型、工作原理、特点及应用（含同步带传动）。

2）熟悉V带与V带轮的结构、规格与基本尺寸。

3）掌握带传动的受力分析、应力分析与应力分布图、弹性滑动和打滑的基本理论。

4）掌握带传动的失效形式、设计准则、普通V带传动的设计计算方法和参数选择原则。

重点与难点：

1）带传动的工作原理、特点及其应用。

2）带传动的工作情况分析——受力分析、应力分析、弹性滑动与打滑，带传动中的弹性滑动与打滑现象及其相互间的区别。

3）带传动的失效形式、设计准则和普通V带传动的设计计算。

4）最大有效拉力Fmax的物理意义及其影响因素，单根V带所能传递的基本额定功率P0的物理意义及其影响因素；

第6章  齿轮传动                                            （讲课6学时）

主要内容：

齿轮传动的失效形式和设计准则，齿轮常用材料及热处理形式，齿轮传动的计算载荷，齿轮传动的受力分析，齿轮传动的强度计算，齿轮的结构，齿轮传动的设计（材料、热处理、精度、主要参数的选择与确定、几何尺寸计算、结构、齿轮公差等）。

基本要求：

1）掌握齿轮传动的失效形式及其机理、失效部位，以及针对不同失效形式的设计计算准则。

2）掌握选用齿轮材料及热处理方式的基本要求。

3）理解计算载荷的定义及载荷系数（四个系数）的物理意义、影响因素及减小载荷系数的措施。

4）熟练掌握齿轮传动的受力分析方法——包括假设条件、力的作用点、各分力大小的计算与各分力方向的判断。

5）掌握直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度计算的力学模型、理论依据、力作用点及计算点（或截面）、应力的类型及变化特性，掌握强度计算公式中各参数的物理意义及其对应力（或强度）的影响，掌握斜齿圆柱齿轮传动强度计算的特点。

6）掌握齿轮传动的设计方法与步骤（包括材料、热处理方式和精度选择、参数选择和结构设计）。

重点与难点：

1）齿轮传动的失效形式的机理分析；

2）齿轮传动的计算载荷（四个系数）及轮齿受力分析,载荷系数的主要影响因素及减小措施。

3）圆柱齿轮传动强度计算中的重要系数（齿形系数、螺旋角系数、应力集中系数等）的物理意义、影响因素及这些系数对齿轮传动强度的影响。

4）斜齿圆柱齿轮的各分力大小计算和轴向力Fa的方向判断，各类齿轮传动的综合受力分析。

5）齿轮传动设计计算中各个系数的物理意义、影响因素及这些系数对齿轮传动强度的影响。

6）齿轮传动设计中主要参数的选择（齿数、螺旋角等）及参数的协调与中心距圆整。

第7章  蜗杆传动                                          （讲课2学时）

主要内容：

蜗杆传动的特点及应用，蜗杆传动的主要参数及其选择，蜗杆传动的失效形式、设计准则及材料选择，蜗杆传动的受力分析及运动分析，蜗杆传动的承载能力计算，蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算，蜗杆、蜗轮的结构。

基本要求：

1）了解蜗杆传动的特点及应用。

2）掌握普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择原则。

3）掌握蜗杆传动的失效形式、设计准则和常用材料及选用原则。

4）掌握蜗杆传动的受力分析及其强度计算特点。

5）了解对蜗杆传动进行效率计算和热平衡计算的意义和方法，掌握提高传动效率和散热能力的措施。

重点与难点：

1）蜗杆传动的特点及正确啮合条件。

2）蜗杆传动的受力分析。

3）蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料选择及其强度计算特点。

4）蜗杆传动的效率与热平衡计算；

第8章  其它传动                                          （讲课3学时）

主要内容：

滑动螺旋传动的设计计算方法，链传动的类型、工作原理、特点及其应用，滚子链条与链轮的结构、规格和尺寸，链传动的运动特性。

基本要求：

1）掌握滑动螺旋传动的常用设计方法。

2）了解链传动的类型、工作原理、特点及其应用。

3）了解滚子链的结构、规格及其链轮的结构特点。

4）了解链传动的运动特性。

重点与难点：

1）滑动螺旋传动的常用设计方法。

2）链传动的运动特性、链传动的“多边形效应”。

第9章 轴                                                   （讲课3学时）

主要内容：

轴的分类。转轴的受力、应力与失效分析，轴的材料，轴径的初算，轴的结构设计，轴的强度计算和刚度计算。

基本要求：

1）了解轴的功用与分类，掌握各类轴的受力与应力分析。

2）掌握轴的结构设计基本要求和方法。

3）掌握轴的三种强度计算方法和刚度计算原理。

重点与难点：

1）各类轴的受力与应力分析。

2）转轴的强度计算；

3）轴的结构设计（轴上零件的定位固定方法、与轴的配合、结构工艺性、确定各段轴的直径d和长度l等）。

第10章  滚动轴承                                           （讲课6学时）

主要内容：

滚动轴承的构造、类型、特点及选择。滚动轴承的代号。滚动轴承寿命的校核计算（失效形式、额定寿命计算、寿命计算和极限转速）。滚动轴承部件的组合设计。

基本要求：

1）了解各类轴承的结构和特点，能正确选择轴承的类型；

2）熟悉滚动轴承代号的组成及常用滚动轴承的类型、尺寸、公差等级、代号。

3）掌握滚动轴承寿命校核计算方法。

4）能正确进行滚动轴承部件的组合设计，会画滚动轴承部件装配图。

重点与难点：

1）滚动轴承类型的选择。

2）滚动轴承基本额定寿命的计算（概念与公式）。

3）计及轴承内部轴向力的角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷的计算。

4）滚动轴承部件的组合设计，特别是支承结构形式的选用，轴承内外圈的定位固定及角接触轴承的安装方式。

减速器输出轴部件设计习题课                                  （讲课2学时）

通过实例使学生进一步掌握轴和滚动轴承部件组合设计的基本要求、结构设计要点及设计步骤。

第11章  滑动轴承                                          （讲课4学时）

主要内容：

滑动轴承的结构、类型、特点及轴瓦材料与结构，非液体摩擦轴承的计算，液体动压形成原理及基本方程，液体动压径向滑动轴承的计算要点，多油楔动压轴承简介，润滑剂与润滑装置。

基本要求：

1）了解滑动轴承的类型、特点及其应用；

2）掌握各类滑动轴承的结构；

3）了解对轴瓦材料的基本要求和常用轴瓦材料，了解轴瓦结构；

4）掌握非液体摩擦轴承的设计计算准则及其物理意义；

5）掌握液体动压润滑的基本概念、基本方程和油楔承载机理；

6）了解液体摩擦动压径向润滑轴承的计算要点（工作过程、压力曲线及需要进行哪些计算）；

重点与难点：

1）轴瓦材料及其应用；

2）非液体摩擦滑动轴承的设计准则与方法；

3）液体动压润滑的基本方程及形成液体动压润滑的必要条件；

第12章  联轴器、离合器和制动器                              （讲课2学时）

主要内容：

联轴器、离合器、制动器的特点及功用。

基本要求：

1）掌握常用联轴器、离合器和制动器的主要类型、结构、工作原理、特点及选择与计算方法。

2）掌握联轴器联接的两轴间位置补偿的原理及联轴器和离合器在功能上的同异。

重点与难点：

各类联轴器、离合器和制动器的结构、工作原理、特点及选用。

第13章  弹簧                                               （讲课1学时）

主要内容：

弹簧的功用、分类、材料、许用应力及制造。圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算。

基本要求：

1）了解弹簧的功用、分类、材料及许用应力的确定。

2）掌握圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的主要几何参数、特性线、强度计算与刚度计算的目的和计算公式。

重点与难点：

圆柱形压缩（拉伸）螺旋弹簧的设计计算。

第14章  机架零件                                           （讲课1学时）

主要内容：

机架零件在整个机器中的作用及其设计要求，设计机架零件时的计算载荷、剖面形状与壁厚，机架零件的结构设计。

基本要求：

1）了解机架零件在整个机器中的作用及其设计要求。

2）掌握机架零件结构设计的基本要求和方法。

重点与难点：

机架零件结构设计的基本要求和方法。

第15章  机械传动系统方案设计简介                            （讲课2学时）

主要内容：

机械传动系统的功能与特点，传动装置在机器中的作用与分类，传动方案的拟定与传动类型的选择，传动方案设计示例。

基本要求：

了解传动装置在机器中的作用与分类对比，掌握传动方案的拟定要求及传动类型的选择。

重点与难点：

1）各种传动形式的特点、性能和应用。

2）传动方案的拟定，方案创新。

五、教学环节

1.课堂讲授（48学时、含习题课）

任课教师必须努力做到以下几点：

1）认真备课、熟练掌握本课程的基本内容；

2）以学生为中心，采用启发式、讨论式等教学方法，注意调动学生的学习主动性和积极性，重视培养学生的逻辑思维能力、准确分析解决问题能力和创新能力，课堂学习气氛活跃；

3）讲课的思路要清晰，要有问题的提出、解决问题的已知条件与建立模型、分析解决问题的思路、总结等，概念要准确，重点要突出，要理论联系实际，多举一些实例，要适时反映本学科发展的状态，特别是将本教研室的科研成果引入课堂；

4）教学手段要完备，根据教学内容的要求，恰当运用实物、教具、挂图、录相片和CAI课件；

5）上课精神要饱满，教书育人，为人师表，以人格魅力和精神气质，激发学生的求知欲和思维活力，在潜移默化中影响学生。

教研室要开展以下教学活动：

1）集体备课；

2）编写制作教师课堂用CAI课件；

3）试讲；

4）互相听课；

5）组织检查组进行课堂教学检查，并对教师进行讲评；

6）教学法研讨，撰写教研论文。

2.设计训练

1）小作业与课程报告：这是引导学生主动探索、理解与掌握知识，掌握计算方法和技巧，熟悉标准与规范，培养运用知识解决问题的能力的重要环节。因此在各主要章的课后都留有习题作业，教师要认真批阅，评出成绩，并在课堂上对作业进行讲评。

2）设计性大作业：这是理论联系实际，培养学生机械设计能力的一个重要环节。设计大作业把设计计算与结构设计紧密地结合起来，可使学生掌握机械零部件的设计方法，并熟悉标准、规范及设计手册、图册等资料的运用，培养学生的综合设计能力和创新能力。

共五个设计性大作业，包含以下内容：即a.螺纹联接结构；b.螺旋传动设计；c.带传动；d.齿轮传动设计；e.轴系部件组合设计。每个大作业（除螺纹联接结构设计外）都包括设计图纸一张和设计计算说明书一份。

设计大作业完成后，教师要在学生面前批改，指出问题，评出成绩，做好记录。

3）电算作业

适应科学技术的发展，进行计算机辅助设计，培养学生的计算机应用能力。电算作业是： 带传动设计，学生编出设计计算程序（利用C语言或其它语言进行编程），并计算出结果，写出编程计算说明书。作业完成后进行考核，评出成绩。

3.课外科技活动

引导学生充分利用大学生创新创业实训中心的条件，到实训中心来开展科技活动，培养学生理论联系实际的科学精神和动手能力，促进学生的个性发展，为此要做好以下几件事：

1）配备指导教师；

2）准备科技活动项目；

3）准备参考资料；

4）准备辅导讲座。

4. 课程设计（本课程教学中一个独立的教学环节）。

六、信息交流，教学相长

1) 编写《机械设计》课程学习指南，其中有所用教材、教学环节、考核办法等有关规定，教学日历、教学内容、基本要求及重点与难点；设计训练环节及内容。开学时就发给每位同学，使学生一开始学习就知道“学什么”、“为什么要学”、“怎样学”和怎样考核，调动学生的学习主动性和积极性。

2) 教师通过讲评作业，肯定学生在知识、能力诸方面的进步，指出学习中存在问题，并提出希望与要求，引导学生端正学习态度，掌握正确的学习方法。

3) 通过定期（一学期至少三次）召开学生座谈会或问卷调查，认真听取学生对教学工作的反映，了解学生在想什么，有什么要求。教师要有的放矢地改进教学。

七、考核办法

1) 采用累加式的考试办法，即课程的总成绩由以下几部分构成：

大作业，25%

上机电算（或课程报告、或小作业），5%

期末考试，70%

2) 期末考试时，既考查基本知识、基本理论，更注重考学生综合运用所学知识解决问题的能力，要给学生自我发挥潜能的余地，引导学生从“死记硬背”中解脱起来，自觉地在培养创新精神和实践能力上下功夫；

3) 对在课外科技活动做出成绩的同学，可特殊加分，但最多不超过10分；

4) 各个部分累加起来（含加分）其总成绩不能超过100分。