機(jī)械原理教案-齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)?一、教學(xué)目標(biāo)1.知識(shí)目標(biāo)學(xué)生能夠理解齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理、類型及特點(diǎn)。掌握漸開(kāi)線的性質(zhì)，熟悉漸開(kāi)線齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算。理解齒輪嚙合的基本定律，掌握漸開(kāi)線齒輪正確嚙合條件、連續(xù)傳動(dòng)條件。了解齒輪加工的方法及根切現(xiàn)象，掌握避免根切的措施。掌握直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算方法。2.能力目標(biāo)通過(guò)對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。3.素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力，使其能夠在工程實(shí)踐中與他人有效合作。二、教學(xué)重難點(diǎn)1.教學(xué)重點(diǎn)漸開(kāi)線齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算。齒輪嚙合的基本定律，漸開(kāi)線齒輪正確嚙合條件、連續(xù)傳動(dòng)條件。直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算。2.教學(xué)難點(diǎn)漸開(kāi)線的形成及性質(zhì)的理解。齒輪加工原理及根切現(xiàn)象的分析。直齒圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算中參數(shù)的選擇和計(jì)算方法。三、教學(xué)方法1.講授法：系統(tǒng)講解齒輪機(jī)構(gòu)的基本概念、原理和計(jì)算方法。2.案例分析法：通過(guò)實(shí)際工程案例分析，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。3.多媒體教學(xué)法：利用動(dòng)畫(huà)、視頻等多媒體手段，直觀展示齒輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程和原理。4.小組討論法：組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和思維能力。四、教學(xué)過(guò)程（一）課程導(dǎo)入（5分鐘）通過(guò)播放一段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的視頻，引出齒輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械傳動(dòng)中的重要作用。提問(wèn)學(xué)生在視頻中看到了哪些齒輪傳動(dòng)的場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生思考齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理和特點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)入新課。（二）齒輪機(jī)構(gòu)概述（10分鐘）1.定義：講解齒輪機(jī)構(gòu)是由齒輪副和機(jī)架組成的一種高副機(jī)構(gòu)，它通過(guò)輪齒的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。2.工作原理：以一對(duì)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪為例，演示其通過(guò)輪齒的相互嚙合，將主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給從動(dòng)輪的過(guò)程。3.類型及特點(diǎn)按齒輪的形狀分類：圓柱齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等。分別介紹各種類型齒輪的應(yīng)用場(chǎng)景和特點(diǎn)，如圓柱齒輪用于平行軸之間的傳動(dòng)，錐齒輪用于相交軸之間的傳動(dòng)，蝸輪蝸桿用于交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)。按齒向分類：直齒齒輪、斜齒齒輪、人字齒齒輪等。對(duì)比不同齒向齒輪的優(yōu)缺點(diǎn)，如直齒齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性較差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；斜齒齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性好，承載能力高，但會(huì)產(chǎn)生軸向力。（三）漸開(kāi)線及其性質(zhì)（15分鐘）1.漸開(kāi)線的形成：利用動(dòng)畫(huà)演示漸開(kāi)線的形成過(guò)程，即一條直線在一個(gè)圓周上作純滾動(dòng)時(shí)，直線上任意一點(diǎn)的軌跡就是漸開(kāi)線。2.漸開(kāi)線的性質(zhì)線段NK是漸開(kāi)線在K點(diǎn)的法線，也是基圓的切線。漸開(kāi)線上任意一點(diǎn)的法線恒與基圓相切。漸開(kāi)線的形狀取決于基圓的大小，基圓越小，漸開(kāi)線越彎曲；基圓越大，漸開(kāi)線越平直。漸開(kāi)線上各點(diǎn)的曲率半徑不同，離基圓越遠(yuǎn)，曲率半徑越大。漸開(kāi)線的展開(kāi)長(zhǎng)度無(wú)窮大。通過(guò)舉例和圖形分析，幫助學(xué)生理解漸開(kāi)線的性質(zhì)，如在機(jī)械加工中，利用漸開(kāi)線的性質(zhì)可以設(shè)計(jì)刀具的形狀。（四）漸開(kāi)線齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算（25分鐘）1.基本參數(shù)齒數(shù)z：齒輪的輪齒總數(shù)。模數(shù)m：決定齒輪的大小，m=d/z（d為分度圓直徑），模數(shù)越大，齒輪越大，承載能力越強(qiáng)。壓力角α：我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分度圓上的壓力角為20°。壓力角影響齒輪的受力情況和傳動(dòng)效率。齒頂高系數(shù)$h_a^*$和頂隙系數(shù)$c^*$：$h_a^*$一般取1，$c^*$一般取0.25。2.幾何尺寸計(jì)算分度圓直徑：$d=mz$齒頂圓直徑：$d_a=d+2h_a=m(z+2h_a^*)$齒根圓直徑：$d_f=d2h_f=m(z2h_a^*2c^*)$齒寬b：一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)要求確定。通過(guò)具體的例題，讓學(xué)生練習(xí)漸開(kāi)線齒輪幾何尺寸的計(jì)算，加深對(duì)基本參數(shù)和計(jì)算公式的理解。（五）齒輪嚙合的基本定律（10分鐘）1.講解齒輪嚙合的基本定律：兩輪齒廓在任一位置嚙合時(shí)，過(guò)接觸點(diǎn)所作的公法線必通過(guò)連心線上的一定點(diǎn)，該定點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)為圓心，過(guò)節(jié)點(diǎn)的圓稱為節(jié)圓。2.分析定律的意義：齒輪嚙合的基本定律保證了齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性和傳動(dòng)比的恒定。對(duì)于漸開(kāi)線齒輪，由于其齒廓滿足嚙合基本定律，所以能夠?qū)崿F(xiàn)定傳動(dòng)比傳動(dòng)。結(jié)合動(dòng)畫(huà)演示，幫助學(xué)生理解齒輪嚙合的基本定律，讓學(xué)生思考如果齒輪齒廓不滿足該定律會(huì)出現(xiàn)什么情況。（六）漸開(kāi)線齒輪正確嚙合條件和連續(xù)傳動(dòng)條件（20分鐘）1.正確嚙合條件講解漸開(kāi)線齒輪正確嚙合條件：兩輪的模數(shù)和壓力角分別相等，即$m_1=m_2$，$\alpha_1=\alpha_2$。通過(guò)實(shí)例分析，說(shuō)明正確嚙合條件的重要性。如當(dāng)模數(shù)或壓力角不相等時(shí)，兩輪齒無(wú)法正確嚙合，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)不平穩(wěn)，甚至無(wú)法正常工作。2.連續(xù)傳動(dòng)條件介紹重合度ε：重合度表示同時(shí)參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)，ε=實(shí)際嚙合線段長(zhǎng)度/法向齒距。講解連續(xù)傳動(dòng)條件：重合度ε大于1，即ε>1時(shí)，齒輪傳動(dòng)能夠連續(xù)平穩(wěn)地進(jìn)行。通過(guò)圖形分析和公式推導(dǎo)，讓學(xué)生理解重合度的概念和連續(xù)傳動(dòng)條件的原理，布置課后作業(yè)，讓學(xué)生計(jì)算給定齒輪傳動(dòng)的重合度。（七）齒輪加工原理及根切現(xiàn)象（20分鐘）1.齒輪加工原理介紹常用的齒輪加工方法：銑削加工、插齒加工、滾齒加工等。以滾齒加工為例，講解其加工原理，即滾刀與被加工齒輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而加工出漸開(kāi)線齒廓。利用動(dòng)畫(huà)展示滾齒加工的過(guò)程，讓學(xué)生直觀了解齒輪加工的原理。2.根切現(xiàn)象講解根切現(xiàn)象：用范成法加工齒輪時(shí)，當(dāng)?shù)毒叩凝X頂線超過(guò)理論嚙合極限點(diǎn)時(shí)，被加工齒輪的齒根部分會(huì)被刀具切去一部分，這種現(xiàn)象稱為根切。分析根切的危害：根切會(huì)削弱齒輪的齒根強(qiáng)度，降低齒輪的承載能力，影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。介紹避免根切的措施：增加齒數(shù)、減小模數(shù)、采用變位齒輪等。通過(guò)圖片和動(dòng)畫(huà)展示根切現(xiàn)象，讓學(xué)生分析根切產(chǎn)生的原因，討論避免根切的方法，培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。（八）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算（25分鐘）1.受力分析以一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)安裝的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)為例，分析其受力情況。主動(dòng)輪受到圓周力$F_t$、徑向力$F_r$和軸向力$F_a$（對(duì)于直齒圓柱齒輪，軸向力為0），從動(dòng)輪受到的力與主動(dòng)輪大小相等、方向相反。講解各力的計(jì)算公式：$F_t=2T_1/d_1$，$F_r=F_t\tan\alpha$，其中$T_1$為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)圖形和公式推導(dǎo)，讓學(xué)生掌握直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析方法。2.失效形式介紹直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的主要失效形式：輪齒折斷、齒面接觸疲勞磨損、齒面膠合、齒面塑性變形等。分析各種失效形式產(chǎn)生的原因和影響因素，如輪齒折斷與齒根彎曲應(yīng)力、材料的疲勞極限等有關(guān)；齒面接觸疲勞磨損與齒面接觸應(yīng)力、材料的硬度等有關(guān)。3.強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：公式為$\sigma_H=3.52\sqrt{\frac{KT_1}{bd_1^2}(\frac{u\pm1}{u})}$，其中$K$為載荷系數(shù)，$u$為傳動(dòng)比。通過(guò)例題講解如何運(yùn)用該公式進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，包括參數(shù)的選取和計(jì)算步驟。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算：公式為$\sigma_F=\frac{2KT_1}{bd_1m}Y_FY_S$，其中$Y_F$和$Y_S$為齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)。同樣通過(guò)例題讓學(xué)生練習(xí)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算。強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度計(jì)算的重要性和注意事項(xiàng)，如計(jì)算時(shí)要根據(jù)實(shí)際工作條件合理選取參數(shù)，確保齒輪傳動(dòng)的可靠性。（九）課堂小結(jié)（10分鐘）1.回顧本節(jié)課的主要內(nèi)容，包括齒輪機(jī)構(gòu)的概述、漸開(kāi)線及其性質(zhì)、漸開(kāi)線齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算、齒輪嚙合的基本定律、漸開(kāi)線齒輪正確嚙合條件和連續(xù)傳動(dòng)條件、齒輪加工原理及根切現(xiàn)象、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算等。2.強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)知識(shí)和難點(diǎn)內(nèi)容，如漸開(kāi)線齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算、齒輪嚙合的基本定律、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算等，幫助學(xué)生梳理知識(shí)體系，加深記憶。3.解答學(xué)生在本節(jié)課學(xué)習(xí)過(guò)程中提出的疑問(wèn)，確保學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容理解透徹。（十）課后作業(yè)（5分鐘）1.計(jì)算一個(gè)模數(shù)為4，齒數(shù)為20的直齒圓柱齒輪的主要幾何尺寸。2.分析一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)安裝的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，已知主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為1450r/min，傳動(dòng)比為3，傳遞功率為5kW，求兩輪的受力大小。3.思考如何提高齒輪傳動(dòng)的承載能力和傳動(dòng)效率，查閱資料并撰寫(xiě)一篇簡(jiǎn)短的報(bào)告。五、教學(xué)資源1.教材：《機(jī)械原理》2.多媒體課件：包含動(dòng)畫(huà)、圖片、視頻等教學(xué)資料3.教具：齒輪模型六、教學(xué)反思通過(guò)本節(jié)課的教學(xué)，學(xué)生對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)有了較為系統(tǒng)的了解，掌握了漸開(kāi)線齒輪的基本理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在教學(xué)過(guò)程中，采用多種