一、课程基本信息
| 课程名称 | 机械设计基础 | ||||||
| Fundamentals of Machine Design | |||||||
| 课程代码 | 04021422 | 课程性质 | 必修 | ||||
| 开课院部 | 伟德1949官网 | 课程负责人 | 徐波 | ||||
| 课程团队 | 徐波，王栋，李慧琴，兰明明 | ||||||
| 授课学期 | 第4学期 | 学分/学时 | 4/64 | ||||
| 课内学时 | 64 | 理论学时 | 50 | 实验学时 | 14 |
实训 （含上机） |
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| 实习 | 2周 | 其他 | |||||
| 适用专业 | 食品科学与工程 | ||||||
| 授课语言 | 中文 | ||||||
| 对先修的要求 | 工程图学、高等数学 | ||||||
| 对后续的支撑 | 食品机械与设备、毕业实习、毕业设计 | ||||||
| 课程简介 |
《机械设计基础》课程是食品科学与工程专业开设的一门专业基础课，同时也是一门实践性较强的课程。其任务是使员工掌握机械设计所必需的基本知识和基本技能，懂得机械的工作原理，了解机械材料的性能，对机械设计有整体认识，具备一般通用机械的设计能力；培养员工建立初步的工程概念，提高分析问题和解决实际问题的能力，培养创新意识和对机械产品整体的概念和正确的设计思想，为今后解决食品生产实际问题奠定必要的机械基础。 |
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| 序号 | 课程目标 | 支撑毕业要求指标点 | 毕业要求 |
| 目标1 | 能够将运用恰当的机械专业术语描述食品生产实际中的机械设备问题；能够合理选择材料的力学性能参数，在保证构件既安全又经济的前提下，合理设计构件的截面形状与尺寸，优化生产设备。 |
指标点1.2 指标点1.4 |
1 |
| 目标2 | 具有查阅资料，使用手册、标准和规范的能力；能够综合运用所学知识，判断生产设备的关键参数，优化和选择合适的机械组合方案。 |
指标点2.2 指标点2.3 |
2 |
| 目标3 | 能够运用所学知识，根据工艺要求在设备选型中选择参数合适的设备。 | 指标点3.2 | 3 |
| 序号 | 教学内容 |
员工学习 预期成果 |
课内 学时 |
教学方式 | 支撑课程目标 |
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第一章 绪论 |
主要教学内容及要求：明确课程研究的对象、内容、性质和任务；如何学习本课程。 | 掌握学习好本课的基本方法。 | 2 |
1.讲授 2.讨论 |
目标1 |
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第二章 平面机构的结构分析 |
主要教学内容及要求：运动副及其分类，机构运动简图的定义、作用及绘制；机构自由度概念、自由度计算公式、运动确定性条件、计算自由度应注意的事项。 教学重点和难点：读懂机构运动简图的组成及运动传递路线；含有复合铰链、局部自由度或虚约束的平面机构自由度计算。 |
1.能够正确表述运动副的概念、作用及分类； 2.能读懂平面机构运动简图的组成与运动传递路线； 3.能够计算平面机构的自由度； 4.具有查阅资料，使用手册、理解机构运动简图的能力。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标2 |
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第三章 平面机构的运动分析 |
主要教学内容及要求：了解机构运动分析的任务目的和方法；使用速度瞬心法对机构的速度进行分析。 教学重点和难点：用速度瞬心法作机构的速度分析；用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析。 |
1.能以矢量方程图解法对Ⅱ级机构进行速度分析和加速度分析； 2.能用瞬心法对简单高、低副机构进行速度分析； 3.能够对食品加工过程中机构运动问题进行分析。 |
4 |
1.讲授 2.讨论 |
目标2 |
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第四章 平面连杆机构及其设计 |
主要教学内容及要求：平面连杆机构的特点及应用；铰平面四连杆机构的类型、演化及其应用；平面四杆机构的基本特性；平面四杆机构的运动设计。 教学重点和难点：平面四杆机构的类型和应用；平面四杆机构的基本知识；平面四杆机构的设计。 |
1.能按已知连杆三位置、连架杆三对应位置和行程速比系数设计平面四杆机构； 2.能够对食品加工过程中机构运动问题进行分析。 |
4 |
1.讲授 2.讨论 |
目标2 |
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第五章 凸轮机构及其设计 |
主要教学内容及要求：根据凸轮机构的应用和分类以及推杆的运动规律，设计凸轮轮廓曲线以及凸轮机构基本尺寸。 教学重点和难点：工凸轮轮廓曲线的设计；凸轮机构基本尺寸的确定。 |
1.能据所学知识合理确定凸轮机构的基本尺寸； 2.具有根据选定的结构型式和推杆运动规律设计常用凸轮轮廓曲线的能力。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标2 |
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第六章 齿轮机构及其设计 |
主要教学内容及要求：齿轮机构的特点及类型；齿轮的轮廓曲线；渐开线齿廓及其啮合特点；渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸；渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动；渐开线齿廓的切制原理与根切现象。 教学重点和难点：齿轮的轮廓曲线；渐开线齿廓及其啮合特点重点；渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动。 |
1.根据渐开线齿轮的展成原理、根切现象等知识，能够计算齿轮几何尺寸； 2.能够对食品机械中齿轮机构进行选型、设计； |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标2 |
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第七章 轮系及其设计 |
主要教学内容及要求：齿轮系及其分类；定轴轮系的比；周转轮系的传动比；复合轮系的传动比。 教学重点和难点：定轴轮系的比；周转轮系的传动比。 |
3.能够运用所学知识计算定轴、周转、混合轮系的传动比。 | 4 |
1.讲授 2.作业 |
目标2 |
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第八章 螺纹连接和螺旋传动 |
主要教学内容及要求：常用螺纹的特点和应用；掌握螺栓组联接的结构设计和受力分析；紧螺栓联接的计算；提高螺栓联接强度的措施；螺旋传动的设计计算 教学重点和难点：在不同外载荷作用下，螺栓组中各螺栓的受力分析。单个螺栓的强度计算。承受倾覆力矩的螺栓组联接的设计。 |
1.能够对螺栓组联接的结构进行设计和受力分析； 2.能够运用所学知识对螺栓的受力、强度等进行计算。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标3 |
| 第九章键、花键、无键连接和销连接 |
主要教学内容及要求：键联接的种类、构造特点和应用；花键联接的种类、对中方式、特点和应用；平键联接的失效形式、设计步骤和尺寸选择方法；键联接的公差、花键联接的公差。 教学重点和难点：键、花键的类型和特点、尺寸选择和强度校核方法。 |
1.能够设计和计算普通平键、矩形键的连接； 2.能够对食品机械中键联接进行选型、设计。 |
2 |
1.讲授 2.作业 |
目标3 |
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第十章 带传动 |
主要教学内容及要求：了解带传动的类型、特点和应用；理解和掌握带传动的工作原理和理论基础（带传动的几何关系，带传动的力分析、应力分析，带的弹性滑动和打滑，带传动的最大有效圆周力，带传动的失效分析和设计准则，单根三角带所能传递的功率）；V带传动设计计算。 教学重点和难点：带传动的特点及失效。带传动的弹性滑动。 |
1.能够设计V带传动并进行受力分析； 2.能够对食品机械中带传动进行选型、设计。 |
4 |
1.讲授 2.作业 3.汇报 |
目标1 |
| 第十一章链传动 |
主要教学内容及要求：了解链传动的类型特点和应用；链传动的运动特性；熟练掌握链传动的主要参数及其选择：传动比、链轮齿数、链节距、中心距、链条节数等；套筒滚子链传动的设计计算。 教学重点和难点：链传动的特点及失效形式。 |
1.能够设计链传动； 2.能够对链传动的工作情况进行计算和分析。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标1 |
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第十二章 齿轮传动 |
主要教学内容及要求：了解齿轮传动的特点、分类和应用；了解齿轮传动的失效形式和设计准则；了解常用的齿轮材料及其热处理；熟练掌握直齿圆柱齿轮传动的强度计算；掌握斜齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算；了解直齿圆锥齿轮传动的受力分析及计算 教学重点和难点：标准直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算方法。 |
1.能够根据齿轮传动的失效形式、计算准则、基本设计原理、设计程序和方法，对斜齿轮和直齿圆锥齿轮传动进行受力分析； 2.能够正确选取和标注渐开线圆柱齿轮精度标柱、齿轮及传动公差； 3.能够根据相关知识，对食品机械中齿轮传动进行设计。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标1 |
| 第十三章滚动轴承 |
主要教学内容及要求：理解滚动轴承的类型、代号，主要轴承类型、特点和选择；掌握滚动轴承的额定寿命、额定动负荷、当量动负荷及其寿命计算；滚动轴承的组合设计。了解滚动轴承的精度等级、内径与外径的公差带及其特点。掌握滚动轴承与轴和壳体孔的配合及其选择。 教学重点和难点：轴承尺寸的选择；向心推力轴承的受力分析。 |
1.能够分析滚动轴承的工作情况； 2.能够根据相关知识，对食品机械中滚动轴承进行设计。 |
2 |
1.讲授 2.作业 |
目标1 |
| 第十四章轴 |
主要教学内容及要求：理解轴的分类；了解轴的材料；掌握轴的结构设计；掌握轴强度计算 教学重点和难点：阶梯轴的结构设计和强度校核。了解转轴、心轴和传动轴的承载特点。掌握轴的结构设计，熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法，明确轴的结构设计应注意的问题及提高轴承载能力的措施。 |
1.能够正确选择轴的固定方法； 2.能够设计轴并计算其承载强度。 |
4 |
1.讲授 2.作业 |
目标1 |
四、本课程开设的实验项目
| 编号 | 实验项目名称 | 学时 | 类型 | 要求 |
| 1 | 机构认知实验 | 2 | 验证性 | 必做 |
| 2 | 带传动实验 | 2 | 综合性 | 必做 |
| 3 | 机械零件参观 | 2 | 综合性 | 必做 |
| 4 | 机构运动简图测绘实验 | 2 | 综合性 | 必做 |
| 5 | 齿轮范成原理实验 | 2 | 验证性 | 必做 |
| 6 | 金属拉伸试验 | 2 | 综合性 | 必做 |
| 7 | 减速器拆装实验 | 2 | 综合性 | 必做 |
实验1. 机构认知实验（支撑课程目标1）
（1）实验目的：直观感受所学机构系统的结构、运动状况，增强员工对机构及机器的感性认识。
（2）实验要求：采用现代声、光、电控陈列柜与多媒体同步播放，动态展示各种常用机构模型（如平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇运动机构、组合机构、空间连杆机构等）的组成及动作原理，以及组成机器的常用基本零件（如连接零件、传动零件、轴系零部件、弹簧等）的结构、类型、特点及应用。
（3）实验安排：分组参观，每 15人为一组，每组在不同的时间段内分组进行参观，并由教师进行讲解。
（4）成绩评定：每组根据展示内容，每人挑选一机构装置写一份说明讲解词上交，根据讲解词详细程度、正确程度、逻辑清晰程度由教师评分。
实验2. 带传动实验（支撑课程目标2）
（1）实验目的：观察带传动打滑与载荷的关系，计算测绘出弹性滑动曲线与效率曲线。
（2）实验要求：使用带传动试验机，通过增加载荷重量观察打滑与载荷的的关系；通过测力环计算转矩、滑动率，绘制滑动曲线和效率曲线。
（3）实验安排：课堂上集中讲授实验要求，员工分散进行设计，5人为一组，分组进行，每组提交试验报告一份和一个3-5分钟的教学视频，教学视频用来讲解带传动实验。
（4）成绩评定：教师对实验报告评分和教学视频评分。
实验3. 机械零件参观（支撑课程目标1）
（1）实验目的：通过参观常用机械零件的结构，了解不同零件的结构、类型以及应用，增强对零部件及其结构的感官认识。
（2）实验要求：员工观察机械零件陈列柜中的零件。
（3）实验安排：展柜零件由老师负责讲解，员工每 15人为一组，分组观察，并与教材相结合，设置教师提问、员工提问-教师答疑等环节，试验结束后员工填写报告书。
（4）成绩评定：每人填写一份实验报告，并完成实验报告后面的思考题。教师根据思考题的准确程度进行评分。
实验4. 机构运动简图测绘实验（支撑课程目标1）
（1）实验目的：建立运动副与机构的实感，培养绘制机构运动简图的能力。
（2）实验要求：员工在给定的几种机构模型中选择一个进行分析，测量机构的长度以及运动副之间的相对位置尺寸，画出该机构的运动简图的投影面和绘图比例尺，按照手册规定的方法绘制机构运动简图。
（3）实验安排：课堂上集中讲授实验要求，员工分散进行实验，5人为一组，分组进行，每组完成一个完整实验报告，最后交给教师。
（4）成绩评定：教师根据绘制的运动简图是否符合国标规定、绘图是否准确、是否标注关键参数等评价给分。
实验5. 齿轮范成原理实验（支撑课程目标3）
（1）实验目的：了解齿轮产生根切的原因和避免办法，能够分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。
（2）实验要求：采用齿轮范成仪，根据齿轮啮合基本原理，在4#图纸上范成m=25，z=8的标准齿轮和变位齿轮，比较两种齿轮的异同点（如齿廓形状、基本尺寸的变化），并观察齿轮的根切现象，了解避免齿轮根切应采取的措施。
（3）实验安排：课堂上集中讲授实验要求，员工分散进行设计，5人为一组，分组进行，每组完成一个试验报告，最后定稿后交给教师。
（4）成绩评定：教师根据报告中纸坯制作出的齿轮范成结果以及绘制的投影的准确度进行评分。
实验6. 金属拉伸实验（支撑课程目标3）
（1）实验目的：观察碳钢在拉伸过程中的各种现象，学会绘制拉伸图以及检测屈服极限、强度极限、延伸率。
（2）实验要求：使用液压式万能试验机按照手册要求对碳钢试件进行拉伸测试，根据测试结果绘制拉伸曲线图，并根据相应的计算公式计算碳钢试件的屈服极限、强度极限、延伸率。
（3）实验安排：由教师调试好机器并讲解机器的操作方法，由员工分组进行机械操作，拉伸圆形和矩形碳钢试件，记录检测数据并按实验报告要求绘制相关图形，计算相关参数。结束后完成试验报告书。
（4）成绩评定：教师根据报告中拉伸曲线图的绘制结果以及相应参数的计算准确度进行评分。
实验7. 减速器拆装（支撑课程目标3）
（1）实验目的：拆装减速器掌握减速器的内部结构以及其工作过程，并能测量减速器的主要部件参数。
（2）实验要求：使用给定的拆装工具，能够正确拆卸并组装不同规格的减速箱。同时检测减速器的中心矩、中心高、齿轮端面与箱体内壁距离等重要参数。
（3）实验安排：由教师讲解机器减速器的拆装方法，由员工分组进行拆装操作，同时使用测绘工具按实验报告要求检测相关参数。结束后完成试验报告书。
（4）成绩评定：教师根据报告相应的思考题回答结果以及减速器相关参数测量准确度进行评分。
五、课程考核
| 序号 | 课程目标（支撑毕业要求指标点） | 考核内容 | 评价依据及成绩比例(%) | 成绩比例(%) | ||
| 作业 | 设计 | 考试 | ||||
| 1 |
目标1： （支撑毕业要求指标点1.2与1.4） |
带传动、链传动、齿轮传动的特点以及设计计算；滚动轴承和轴的性质、分类以及设计和计算。 | 40 | 60 | 40 | |
| 2 |
目标2： （支撑毕业要求指标点2.2与2.3） |
平面机构的结构与运动分析；连杆、凸轮、齿轮、轮系的设计； | 40 | 60 | 40 | |
| 3 |
目标3： （支撑毕业要求指标点3.2） |
螺纹连接和键连接的分类应用以及设计和计算。 | 40 | 60 | 10 | |
| 4 | 考勤 | 10 | ||||
| 合计 | 100 | |||||
六、评分标准
1．作业评分标准
| 考核内容 | (85-100分) | (75-84分) | (60-74分) | (41-59分) | (40分以下) |
| 作业完成进度（权重0.1） | 提前完成 | 按时完成 | 延时完成 | 补交 | 在数次催促下才交或不交 |
| 基本概念掌握程度 (权重0.3) | 80%以上的概念清晰 | 60%以上的概念清晰 | 40%以上的概念清晰 | 40%以下的概念清晰 | 概念完全混乱 |
| 绘图、计算与问题答案的正确性（权重0.4） | 正确率80%以上 | 正确率60%-80% | 正确率40%-60% | 正确率40%以下 | 完全不正确 |
| 作业格式规范程度（权重0.2） | 书写清晰、规范。答案撰写思路清晰明了，对作业有很深的理解，正确率较高。 | 书写较清晰、规范。答案撰写思路较为清晰、对作业理解较深入，问题回答基本正确。 | 书写基本清晰、规范。答案撰写思路清晰度较为一般，作业理解程度一般，问题回答正确率一般。 | 书写不够清晰规范。答案撰写思路清晰度较差，作业理解程度较弱，问题回答错误率较高。 | 书写很混乱。知识点严重错误，正确率很低。 |
| 考核内容 | 100分 | 80分 | 60分 | 40分 | 20分 | 0分 |
| 不定期抽查5次考勤，每次占20分 | 5次 | 4次 | 3次 | 2次 | 1次 | 0次 |
七、教材及参考资料
1、选用教材：
（1）理论课教材：机械设计基础. 孙桓 陈作模. 北京. 高等教育出版社，2006.
（2）实验课教材：自编.
2、参考书：
（1）机械原理. 孙桓 陈作模. 北京: 高等教育出版社, 2006.
（2）机械原理. 郑文纬 吴克坚. 北京: 高等教育出版社, 2003.
（3）机械原理教程. 申永胜. 北京: 清华大学出版社, 2003.
3、推荐网站：
（1）国家精品课程网，http://www.jpkcw.com/
（2）中国大学慕课，http://www.icourse163.org/
