《机械原理》课程教学大纲 Theory of Machines and Mechanisms

机械原理(Theory of Machines and Mechanisms) ·、课程概况 课程编号：071102280 课程总学时：56（其中讲课：51，实验：5，上机：0，实习：0，课外学时0） 课程学分：3.5 课程分类：必修 开设学期：春 开课单位：工学院机械设计制造系 适用专业：机械设计及其自动化、车辆工程、交通工程、运输工程、热能与动力工程 所需先修课：理论力学 课程负责人：张云文 二、内容简介 机械原理是机械类专业的主干技术基础课，以培养学生机械系统综合分析设计能力和 机械系统运动方案创新设计能力为目标，主要包括三部分内容：机构的运动设计、机械的 动力设计和机械系统的运动方案设计。 机构的运动设计部分研究机构组成原理，平面机构运动分析，常用机构如连杆机构、 凸轮机构、齿轮机构及齿轮系的工程应用、工作特性和运动设计，特殊机构及组合机构的 类型、工程应用、性能特点等。机械的动力设计部分研究机械运转过程中的速度波动调节 惯性力（矩）的平衡等动力学问题。机械系统的运动方案设计部分研究机械系统运动方案 设计的设计理念、设计思路、设计步骤、设计内容等。 机械原理的特点是理论性比较强，同时又与工程实际紧密结合。课程的所有环节都是 围绕理论联系实际展开，如课堂教学结合工程应用，课程训练强化工程实践性，实验环节 加强，开设开放性、综合性实验，课程设计体系完善如增加课程设计实习环节等。其中 课程设计是最重要的教学环节，体现了课程的落脚点一机械系统运动方案设计，即设计 是主线，分析为设计服务，如设计新产品或尝试改进现有产品时，通过深入分析运动和动 力性能可判定运动方案可行性，或进一步评价方案优劣。通过课程设计的强化训练，可提

1 机械原理（Theory of Machines and Mechanisms） 一、课程概况 课程编号：071102280 课程总学时：56(其中讲课：51，实验：5，上机：0，实习：0，课外学时：0) 课程学分：3.5 课程分类：必修 开设学期：春 开课单位：工 学院 机械设计制造 系 适用专业：机械设计及其自动化、车辆工程、交通工程、运输工程、热能与动力工程 所需先修课：理论力学 课程负责人：张云文 二、内容简介 机械原理是机械类专业的主干技术基础课，以培养学生机械系统综合分析设计能力和 机械系统运动方案创新设计能力为目标，主要包括三部分内容：机构的运动设计、机械的 动力设计和机械系统的运动方案设计。 机构的运动设计部分研究机构组成原理，平面机构运动分析，常用机构如连杆机构、 凸轮机构、齿轮机构及齿轮系的工程应用、工作特性和运动设计，特殊机构及组合机构的 类型、工程应用、性能特点等。机械的动力设计部分研究机械运转过程中的速度波动调节、 惯性力（矩）的平衡等动力学问题。机械系统的运动方案设计部分研究机械系统运动方案 设计的设计理念、设计思路、设计步骤、设计内容等。 机械原理的特点是理论性比较强，同时又与工程实际紧密结合。课程的所有环节都是 围绕理论联系实际展开，如课堂教学结合工程应用，课程训练强化工程实践性，实验环节 加强，开设开放性、综合性实验，课程设计体系完善如增加课程设计实习环节等。其中， 课程设计是最重要的教学环节，体现了课程的落脚点——机械系统运动方案设计，即设计 是主线，分析为设计服务。如设计新产品或尝试改进现有产品时，通过深入分析运动和动 力性能可判定运动方案可行性，或进一步评价方案优劣。通过课程设计的强化训练，可提

高学生的工程认知能力和工程实践能力、训陈学生驾驭多学科知识进行机械系统运动方案 创新设计的能力。 通过课程各个教学环节的综合训练，应使学生树立正确的工程设计理念，具备初步进 行机械系统运动方案创新设计的素质和能力，为今后后续专业课的学习、机械产品的创新 设计打下良好的基础。 三、教学大纲 1、课堂讲授部分教学内容与要求(51学时) 第一章绪论(2学时) 明确机械原理研究对象、研究内容、教学地位和学习方法，了解机械原理学科的发展状 况、机械设计的一般过程。 绪论应是课程内容和方法的高度概括，应达到激发学生学习本课程兴趣的目的， 第二章平面机构结构分析(4学时) 明确构件、运动副、机构、运动链等概念；熟悉机构的组成要素，正确绘制平面机构运 动简图，掌握平面机构自由度、空间机构自由度的计算方法和工程意义，判断机构是否具有 确定运动和运动方案的可行性；了解机构的组成原理 由于空间机构在工程实际中的应用日益广泛，因此修订的教学大纲中空间机构的自由 度计算等内容也列为教学基本要求，以适应学科的应用发展。 本章自学纳容为高副低代。 第三章平面机构运动分析(6学时) 掌握机构运动分析的用途和方法，利用速度瞬心的概念巧妙地对简单的高、低副机构进 行速度分析，利用相对运动图解法和解析法对平面低副机构进行速度分析和加速度分析（侧 重于解析法进行综合分析，编程序计算)

2 高学生的工程认知能力和工程实践能力、训练学生驾驭多学科知识进行机械系统运动方案 创新设计的能力。 通过课程各个教学环节的综合训练，应使学生树立正确的工程设计理念，具备初步进 行机械系统运动方案创新设计的素质和能力，为今后后续专业课的学习、机械产品的创新 设计打下良好的基础。 三、教学大纲 1、课堂讲授部分教学内容与要求(51 学时) ••• 第一章 绪论 (2 学时) 明确机械原理研究对象、研究内容、教学地位和学习方法，了解机械原理学科的发展状 况、机械设计的一般过程。 绪论应是课程内容和方法的高度概括，应达到激发学生学习本课程兴趣的目的。 第二章 平面机构结构分析(4 学时) 明确构件、运动副、机构、运动链等概念；熟悉机构的组成要素，正确绘制平面机构运 动简图，掌握平面机构自由度、空间机构自由度的计算方法和工程意义，判断机构是否具有 确定运动和运动方案的可行性；了解机构的组成原理。 由于空间机构在工程实际中的应用日益广泛，因此修订的教学大纲中空间机构的自由 度计算等内容也列为教学基本要求，以适应学科的应用发展。 本章自学内容为高副低代。 • 第三章 平面机构运动分析(6 学时) 掌握机构运动分析的用途和方法，利用速度瞬心的概念巧妙地对简单的高、低副机构进 行速度分析，利用相对运动图解法和解析法对平面低副机构进行速度分析和加速度分析（侧 重于解析法进行综合分析，编程序计算）

本章内容与理论力学联系较多，在教学过程中应指出与理论力学的区别，避免学生产生 迷惑。此外，应强调多学科知识结合解决实际问题的必要性和重要性，又如我校的教学特色 一圆向量函数法就是巧妙地利用数学知识、计算机技术解决工程实际问题。这里也同时 明确了解析法是今后学科发展的趋势。还应指出，相对运动图解法和圆向量函数法都以低 机构为例进行，分析高副机构时可以先通过高副低代的方法虚拟替换，方法类似，因此不再 赘述。以下章节同本章处理方法。 本章自学内容为解析法中的复数法等。 第二、三章的内容是综合性的内容，适用于不同类型的机构分析与设计. 第四章平面连杆机构设计(6.5学时) 明确连杆机构性能特点和工程应用：熟悉四杆机构基本形式、演化方式、设计应用： 依据平面连杆机构工作特性（有整转副条件、有曲柄条件、压力角、传动角、死点、极 限位置和行程速度变化系数K等)，对连杆机构进行性能分析和方案判定：依据工程实 际要求生成的设计条件，对平面连杆机构进行运动设计，包括刚体导引机构、函数生成 机构、轨迹生成机构的设计（重点掌握反转法和利用K圆进行辅助设计的方法）， 连杆机构应用非常广泛，美英教学体系这部分的篇幅比较重要，可以适当借鉴】 事实上，连杆机构的演化是基于工程设计的需要，蕴涵着机构创新的途径，要着重 强调。必须要指明的是，（1)不同类型连杆机构的设计，是因为设定工程实际的需要不 同，本身并无优劣之分。(2)设计时的已知条件，事实上是工程师依据使用场合和功能 实现目标，根据背景调查的结果“综合”而成，并不是现成的已知条件，而且也不应该 是一成不变的(3)设计也不等同于解题，往往是一题多解，有优劣之分。(4)要判定 比较方案优劣，必然进行相关的分析，因此分析与设计是相辅相成的。依据分析的结果， 可以判定方案好坏，并对方案进行修正， 3

3 本章内容与理论力学联系较多，在教学过程中应指出与理论力学的区别，避免学生产生 迷惑。此外，应强调多学科知识结合解决实际问题的必要性和重要性，又如我校的教学特色 ——圆向量函数法就是巧妙地利用数学知识、计算机技术解决工程实际问题。这里也同时 明确了解析法是今后学科发展的趋势。还应指出，相对运动图解法和圆向量函数法都以低副 机构为例进行，分析高副机构时可以先通过高副低代的方法虚拟替换，方法类似，因此不再 赘述。以下章节同本章处理方法。 本章自学内容为解析法中的复数法等。 第二、三章的内容是综合性的内容，适用于不同类型的机构分析与设计。 • 第四章 平面连杆机构设计(6.5 学时) 明确连杆机构性能特点和工程应用；熟悉四杆机构基本形式、演化方式、设计应用； 依据平面连杆机构工作特性（有整转副条件、有曲柄条件、压力角、传动角、死点、极 限位置和行程速度变化系数 K 等），对连杆机构进行性能分析和方案判定；依据工程实 际要求生成的设计条件，对平面连杆机构进行运动设计，包括刚体导引机构、函数生成 机构、轨迹生成机构的设计（重点掌握反转法和利用 K 圆进行辅助设计的方法）。 连杆机构应用非常广泛，美英教学体系这部分的篇幅比较重要，可以适当借鉴。 事实上，连杆机构的演化是基于工程设计的需要，蕴涵着机构创新的途径，要着重 强调。必须要指明的是，（1）不同类型连杆机构的设计，是因为设定工程实际的需要不 同，本身并无优劣之分。（2）设计时的已知条件，事实上是工程师依据使用场合和功能 实现目标，根据背景调查的结果“综合”而成，并不是现成的已知条件，而且也不应该 是一成不变的。（3）设计也不等同于解题，往往是一题多解，有优劣之分。（4）要判定、 比较方案优劣，必然进行相关的分析，因此分析与设计是相辅相成的。依据分析的结果， 可以判定方案好坏，并对方案进行修正

本章自学内容为连杆机构的解析法、实验法设计 第五章凸轮机构设计5.5学时) 明确凸轮机构性能特点、分类和工程应用；参考常用的几种运动规律特性，设计从动件 运动规律（强调其重要性）：掌握盘形凸轮机构基本尺寸的确定原则及压力角、自锁的概念 与工程应用价值，进而分析凸轮机构的工作性能；掌握反转法设计盘形凸轮轮廓曲线（作图 法，解析法。 这部分内容增加凸轮加工的内容介绍，随着现代加工技术的高速发展，凸轮的加工已不 再困难。还应强调3部分设计内容中，从动件运动规律的设计是最为重要的，这一点教师 也容易忽视 本章自学内容为移动凸轮、圆柱凸轮亮线设计，高速凸轮机构。 第六章齿轮机构设计(10.5学时) 明确齿轮机构特点、分类和工程应用；了解齿亮啮合基本定律、渐开线的性质，并据以 分析渐开线齿廓齿轮的啮合特性。 直齿轮部分：以啮合性能为主线（如无侧隙啮合条件、正确啮合条件、连续传动条件 不发生根切条件、齿顶不变尖涤件、过渡曲线不干涉条件)，掌握概念（五圆两角点线模， 工作齿侧和非工作齿侧、齿亮工作段和非工作段、齿顶间隙和齿侧间隙、标准齿轮和变位齿 轮等，计算公式（几何尺寸、传动此、重合度、不发生根切最小变位系数、不发生根切最 少齿数等)，齿轮齿条啮合特点、齿轮加工方法等；根据生成的设计要求确定传动类型并进 行传动设计，以满足啮合性能等限制条件。明确这些限制条件并不是绝对的条条框框，要注 意与工程实际结合应用，适当修正 斜齿轮部分：基于直齿轮，了解斜齿轮齿廓的形成、参数特点、啮合特点及工程应用场 合；明确当量齿数概念和工程意义、正确啮合条件、几何尺寸计算方法、重合度计算等

4 本章自学内容为连杆机构的解析法、实验法设计。 第五章 凸轮机构设计(5.5 学时) 明确凸轮机构性能特点、分类和工程应用；参考常用的几种运动规律特性，设计从动件 运动规律（强调其重要性）；掌握盘形凸轮机构基本尺寸的确定原则及压力角、自锁的概念 与工程应用价值，进而分析凸轮机构的工作性能；掌握反转法设计盘形凸轮轮廓曲线（作图 法，解析法）。 这部分内容增加凸轮加工的内容介绍。随着现代加工技术的高速发展，凸轮的加工已不 再困难。还应强调 3 部分设计内容中，从动件运动规律的设计是最为重要的，这一点教师 也容易忽视。 本章自学内容为移动凸轮、圆柱凸轮廓线设计，高速凸轮机构。 第六章 齿轮机构设计 (10.5 学时) 明确齿轮机构特点、分类和工程应用；了解齿廓啮合基本定律、渐开线的性质，并据以 分析渐开线齿廓齿轮的啮合特性。 直齿轮部分：以啮合性能为主线（如无侧隙啮合条件、正确啮合条件、连续传动条件、 不发生根切条件、齿顶不变尖条件、过渡曲线不干涉条件），掌握概念（五圆两角点线模、 工作齿侧和非工作齿侧、齿廓工作段和非工作段、齿顶间隙和齿侧间隙、标准齿轮和变位齿 轮等）、计算公式（几何尺寸、传动比、重合度、不发生根切最小变位系数、不发生根切最 少齿数等）、齿轮齿条啮合特点、齿轮加工方法等；根据生成的设计要求确定传动类型并进 行传动设计，以满足啮合性能等限制条件。明确这些限制条件并不是绝对的条条框框，要注 意与工程实际结合应用，适当修正。 斜齿轮部分：基于直齿轮，了解斜齿轮齿廓的形成、参数特点、啮合特点及工程应用场 合；明确当量齿数概念和工程意义、正确啮合条件、几何尺寸计算方法、重合度计算等

锥齿轮部分：基于直齿轮，了解锥齿轮齿廓的形成、参数特点、啮合特点及工程应用 场合；明确当量齿数概念和工程意义、正确啮合条件、几何尺寸计算方法等。 这部分的教学次序要非常明晰：直齿轮斜齿轮锥齿轮；直齿轮中，渐开线-渐开线齿 廊曲线-单个渐开线齿廓齿轮~渐开线齿轮啮合同时，紧紧围绕齿轮传动的6个啮合条件 可以克服由于齿轮机构的概念多、公式多、图多导致的学习障碍。 由于齿轮已模数化，因而美英教学体系中本章的篇幅较少，可以适当借鉴， 本章自学内容为非圆齿轮机构、蜗杆蜗轮传动、谐波齿轮传动， 第七章轮系(4学时) 明确轮系的分类、工程应用，了解输入和输出之间的传动比是轮系的重要性能参数之一 进而掌握定轴轮系、周转轮系、复合轮系的传动此计算方法；了解轮系的传动效率和设计。 轮系的传动此对于分析轮系和设计轮系而言都是最重要的性能参数这一点必须指明。 本章自学内容为轮系的效率计算、轮系的设计。 第八章特殊机构(2学时) 了解万向联轴节、间歇运动机构、螺旋机构等特殊机构的工作原理、运动特性和工程 应用 特殊机构其实是常用机构的变异。这部分内容应着重介绍应用实例，开阔学生视野。 本章自学内容为各种特殊机构的性能分析、设计， 第九章机械的平衡(3.5学时) 了解平衡的目的、平衡的分类（转子的平衡、机构的平衡，平衡的方法（平衡设计， 平衡试验)：掌握转子的平衡设计和试验（静平衡、动平衡）；熟悉平面机构的静平衡设计： 了解不平衡惯性力（矩）的巧妙应用。 本章自学内容为现代动平衡机原理，挠性转子的平衡。 5

5 锥齿轮部分：基于直齿轮，了解锥齿轮齿廓的形成、参数特点、啮合特点及工程应用 场合；明确当量齿数概念和工程意义、正确啮合条件、几何尺寸计算方法等。 这部分的教学次序要非常明晰：直齿轮-斜齿轮-锥齿轮；直齿轮中，渐开线-渐开线齿 廓曲线-单个渐开线齿廓齿轮-渐开线齿轮啮合。同时，紧紧围绕齿轮传动的 6 个啮合条件， 可以克服由于齿轮机构的概念多、公式多、图多导致的学习障碍。 由于齿轮已模数化，因而美英教学体系中本章的篇幅较少，可以适当借鉴。 本章自学内容为非圆齿轮机构、蜗杆蜗轮传动、谐波齿轮传动。 第七章 轮系 (4 学时) 明确轮系的分类、工程应用；了解输入和输出之间的传动比是轮系的重要性能参数之一， 进而掌握定轴轮系、周转轮系、复合轮系的传动比计算方法；了解轮系的传动效率和设计。 轮系的传动比对于分析轮系和设计轮系而言，都是最重要的性能参数，这一点必须指明。 本章自学内容为轮系的效率计算、轮系的设计。 第八章 特殊机构（2 学时） 了解万向联轴节、间歇运动机构、螺旋机构等特殊机构的工作原理、运动特性和工程 应用。 特殊机构其实是常用机构的变异。这部分内容应着重介绍应用实例，开阔学生视野。 本章自学内容为各种特殊机构的性能分析、设计。 第九章 机械的平衡（3.5 学时） 了解平衡的目的、平衡的分类（转子的平衡、机构的平衡）、平衡的方法（平衡设计、 平衡试验）；掌握转子的平衡设计和试验（静平衡、动平衡）；熟悉平面机构的静平衡设计； 了解不平衡惯性力（矩）的巧妙应用。 本章自学内容为现代动平衡机原理，挠性转子的平衡