第01章 机械设计总论
第一篇机械设计总论参考答案资料
第一章绪论(1)组成机械的基本单元是什么?机械零件是组成机械的基本制造单元(2)何谓零件？何谓部件?零件是组成机器的不可拆的基本单元，即制造的基本单元。
一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体称为“部件”。
(3)机械零件可归纳为哪两种类型?试各举两个典型实例说明，本课程的研究对象是什么?通用零件：各种机械中经常用到的一般参数的零件，如螺钉，齿轮等专用零件：在特定类型的机器中才能用到的零件，如涡轮机的叶片、飞机的螺旋桨等本课程的研究对象：普通条件下工作，且具有一般参数的通用零件(4)什么叫在普通条件下工作，且具有一般参数的通用零件？试从你所学专业的机械设备中，对联接零件，传动零件、轴系零件和其他零件各举两例。
普通工作条件无严格定义，通常指常温、常压、低速等。
一般参数也无严格定义。
国家标准《一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差》(GB/T1804-2000)中基本尺寸定义为0.5-4000mm，可以认为一般参数的零件的尺寸在0.5-4000mm之间。
连接零件：键、螺栓传动零件：带、齿轮轴系零件：滚动轴承、滑动轴承其他零件：弹簧、机座(5)为什么说本课程起着基础课与专业课之间的承前启后的作用？(6)在了解本课程的性质、内容和任务以后，总结本课程的特点和你所采取的学习方法。
第二章机械设计总论(1)对机器提出的主要要求包括什么？使用功能要求；经济性要求；劳动保护和环境保护要求；寿命与可靠性要求；其他专用要求等。
(2)机器设计应满足哪些基本要求?机械零件设汁应满足哪些基本要求?分析下列机械零件应满足的基本要求是什么：电动机轴，普通减速器中的齿轮轴，起重机吊钩，精密机床主轴．汽门弹簧。
农业机械中的拉曳链，联合收割机中的V带。
避免在预定寿命期内失效；结构工艺性要求；经济性要求；质量小要求；可靠性要求。
(3)设计机械的经济性要求包括哪些方面?a.零件本身的生产成本；b.尽可能采用标准化的零、部件以取代特殊加工的零、部件。
濮良贵《机械设计》真题分类解析
【 题７ 】 （ 上海交通大学考研试题）
２ ２ 已知 ４ ５钢经调质后的机械性能为： 强度极限 σ ６ ０ ０ Ｎ／ ｍ ｍ ， 屈服极限 σ ３ ６ ０Ｎ／ ｍ ｍ ， 疲劳极 Ｂ＝ ｓ＝ ２ 限 σ－１ ＝ ３ ０ ０Ｎ／ ｍ ｍ ， 材料的等效系数 φ ． ２ ５。 σ ＝０
１ ） 材料的基氏极限应力线如图示， 试求材料的脉动循环疲劳极限 σ ； ０ ２ ） 疲劳强度综合影响系数 Ｋ ２ ， 试作出零件的极限应力线； σ＝
【 题３ 】 （ 大连理工大学考研试题） 图示的方形盖板用四个 Ｍ １ ２ （ ｄ １ ０ ． １ ０ ６ ｍ ｍ ） 的螺栓与箱体联接， 位于对称中心 ０点处的吊环受 １＝
′ 拉力 Ｆ ］＝ ４ ２ ７ Ｍ Ｐ ａ ， Ｑ ． ６ Ｆ， 问： σ Ｐ ＝０ Σ。已知螺栓的许用应力［
１ ） 作用在吊环上的最大拉力 Ｆ ？ Σ＝
′ ＝５ ２， 求Ｆ ２ ） 由于制造误差， 吊环的位置由 Ｏ移至 Ｏ ′ 点， 若测得 Ｏ Ｏ 槡 Σ下受力最大螺栓的工作拉
力Ｆ 。 ３ ） 说明在 ２ ） 的情况下， 该螺栓组联接是否安全？
— ３—
考试点（ ｗ ｗ ｗ ． ｋ ａ ｏ ｓ ｈ ｉ ｄ ｉ ａ ｎ ． ｃ ｏ ｍ ） ５ 【 题４ 】（ 哈尔滨工程大学考研试题） 在图示气缸盖的螺栓联接中， 气缸直径 Ｄ＝ ３ ５ ０ ｍ ｍ ， 气缸内气体压强 Ｐ在（ ０～ ０ ． ８ ） Ｍ Ｐ ａ 范围内变 化， 气缸盖和缸体用 １ ２个 Ｍ ２ ２ （ ｄ １ ９ ． ２ ９ ４ ｍ ｍ ） 的螺栓联接， 若相对刚度 Ｃ （ Ｃ Ｃ ＝ ０ ． ８ ， 残余预 １＝ ｂ／ ｂ＋ ｍ） ＇ ＝ １ ． ６ Ｆ ， 螺栓的许用应力［ ］＝ ５ ５ Ｍ Ｐ ａ ， 许用应力幅［ ］＝ ２ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 试校核该螺栓的静强度和 紧力 Ｑ σ σ ｐ ａ 疲劳强度。
机械设计总论
根据机器传递的功率、运动特性和各个零、部件的具体工作 情况，计算出任一零、部件上的载荷，进而从机器的总体出 发考虑各个零、部件所需的工作能力（强度、刚度、寿命 等）、体积、重量及技术经济性等一系列问题设计或选择出 各个零、部件。
(三)本课程的主要内容
是讨论一般尺寸和参数的通用零件的设计和计算方法， 主要涉及三大类零件：
1、连接零件：主要任务是连接两个相对静止的零件， 如螺纹连接、键连接。
2、传动零件：主要任务是传递运动和动力，如带传动、 齿轮传动、蜗杆传动。
3、轴系零件：主要任务是支承或连接传动零件，如轴、 轴承、联轴器。
(四)本课程的性质
是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，而且是论述它们的基本 设计理论与方法的技术基础课程。
心和工业化的原动力，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。而 机械产品及其制造系统的创新是提高企业竞争力的关键因素。
从20世纪初到60年代末，机械设计业的竞争是以成本为测度的数量扩张 时代，企业核心竞争力因素是成本最低，即规模经济方式，在这种情况下 ，对于大多数进行工业化的国家和地区来讲，需要的不是产品创新，而是 引进产品与生产设备。
(六)在专业教学计划中的地位与作用
本课程是机械类专业教学计划中的主干课程之一，
要求学生结合本课程的学习，能够综合运用所学的基础理论和技术知识， 联系生产实际和机器的具体工作条件，设计出合用的零部件及简单的机 械。
本课程是从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，具有从基础 课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。
(五)任务
1、通过本课程的学习，树立正确的设计思想
2、掌握一般通用零件的工作原理、特点、选用及设计理论和计算方法。
第1章机械设计总论
零件应有合理的生产加工和使用维护的成本 。
质量小的要求 可靠性要求
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采用组合部件
第1章机械设计总论
1.4 设计机械零件时应满足的基本要求
n 设计机械零件时应满足的基本要求
避免在预定寿命期内失效的要求
结构工艺性要求 经济性要求
质量小则可节约材料 ；
质量小则灵活、轻便 。
质量小的要求 可靠性要求
n 机械零件的设计准则
强度准则
确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形。
刚度准则 寿命准则 振动稳定性准则
零件中的应力不得超过许用值。
即： σ ≤ σlim
σlim --材料的极限应力
脆性材料：σlim = σB (强度极限) 塑性材料：σlim = σS (屈服极限)
为了安全起见，引入安全系数S，得：
2. 刚度要求
结构工艺性要求 提高零件刚度的措施有：
经济性要求
▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩； ▲缩短支承的跨距或采用多点支承。
质量小的要求
可靠性要求
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第1章机械设计总论
1.4 设计机械零件时应满足的基本要求
n 设计机械零件时应满足的基本要求
避免在预定寿命期内失效的要求
应保证零件有足够的强度、刚度和寿命 。
破坏正常工作条 件引起的失效
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第1章机械设计总论
1.3 机械零件的主要失效形式
n 机械零件的主要失效形式
整体断裂
(1) 某一危险截面的应力超过零件的强度极限 (2) 在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。
过大的残余变形
零件的表面破坏
破坏正常工作条 件引起的失效
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机械设计课程教案
《机械设计》课程教案院（系、部）机电工程学院教研室机械工程系课程名称机械设计适用专业机械类本科主讲教师姓名张翔职称、职务教授使用教材机械设计（濮良贵、纪名刚主编第八版）福建农林大学教案编号： 01 课时安排：3 学时教学课型：理论课√实验课□习题课□实践课□ 其它□授课题目：第1章机械设计总论1.1“机械设计”的概念1.2课程性质、任务、教与学教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：z了解：机械、机器、机械零件、机械设计等概念，设计机器的一般过程。
z熟悉：机械零件中的通用零部件与专用零部件z掌握：零件的工作能力与强度的概念。
z能力培养注意点：设计性课程与素质教育、能力培养的关系与影响。
z重点、难点的解决方法：从零件的失效概念为线索，重温材料力学的强度、刚度再引入耐磨性、温升等概念；从设计的内涵来诠释设计与决策、设计与创新的关系。
教学内容（包括基本内容、重点*、难点#、疑点？）：第1章机械设计总论1.1“机械设计”的概念机械、机器、机械零件、机械设计的概念1.2课程性质、任务、教与学1.1.1性质1.2.2任务与作用（1）知识获取(2) 能力培养1.2.3教与学若干问题（1）内容（2）教学环节1.3机械设计概述1.3.1 机器系统的组成1.3.2 设计机器的一般过程*1.3.3零件的工作能力(1)设计的基本要求(2)零件的工作能力(3)零件的失效(4)零件的承载能力*1.3.4主要计算准则1.3.5机械零件设计的一般步骤1.4课程内容的主要结构、作用教学方式（请打√）：讲授√讨论□示教□指导□其他□手段、媒介（请打√）：多媒体√模型□实物□挂图□ 音像□其他□思考题：例举常用热处理方法，说明相应的热处理工艺，对改善零件或材料的效果作业：吴宗泽主编，机械设计。
北京：高等教育出版社， 2001李柱国主编，机械设计与理论。
北京：科学出版社， 2003张祖立主编，机械设计。
北京：中国农业出版社，2004彭文生等主编，机械设计。
机设辅导—第一讲 机械设计总论(极限应力)
a与 m的比值必须保持不变
• C点位于OA′E′O疲劳安全区时
σ • 疲劳极限应力点 C( rm , ra ) ——OC 射线与零件疲劳极限曲线的交点
a
AA ′
(0, 1) C(
rm
,
B
( 0
2
ra
)
B
′
,
0
2
)
E
(0, kN 1 ) 疲劳 安全区
E′
K
C( m , a )
塑性安全区
135°
S( s ,0)
• 无限寿命设计 • 有色金属和高强度合金钢没有无限寿命区
3．循环次数为N时的疲劳极限
• 疲劳曲线方程式
m rN
m rN
N N
m r
N
0
m r
N
0
C C'
• 循环次数为N时的疲劳极限
• 寿命系数
rN
m
N0 N
r
k N r
rN
m
N0 N
r
kN r
kN
m
N0 N
三、影响机械零件疲劳强度的主要因素
• 零件的屈服强度安全系数
S
σlim σ
σm ax σmax
rm ra m a
σS σm σa
[S ]
4. 平均应力为常数
m (或 m ) 常数
5. 最小应力为常数 min(或 min) 常数
1. 不同循环次数 N 时材料的疲劳曲线
在某种循环特性下，试验所得某种材料的极限应力和应力循环次数 的关系曲线如下
• 影响零件疲劳强度的主要因素：
应力集中、零件尺寸、表面状态
• 实际零件的疲劳极限要小于标准试件的疲劳极限
机械设计 第一篇 总 论
a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。
A F
[ ]
b）校核计算：其他方法初步设计 → 验算。 F ?
A
5）画零件图。 2、经验设计
根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。 如：箱体、传动件个各结构要素等 3、模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸 样机进行实验。 如：飞机、桥梁的风洞实验。
3、机械设计的地位与作用
①经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争 工业化国家的财富60—80%是制造业创造的 制造是将科技转化为财富的最后环节 各发达国家重新重视制造业
②机械制造业生产管理模式的转变
③制造业市场竞争围绕 TQCSF 展开
④竞争的焦点之一是设计 设计是科技成果转化为生产力的纽带 设计是引进技术实现国产化的重要环节 没有现代化设计就没有现代化产品
§2—8 机械零件材料
一. 钢：含Ｃ量＜1.4％→常用 碳素钢（含Ｓ、Ｐ量）→普通、优质碳素钢 合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢
二. 铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型
铸铁: 含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、 吸振、可靠性差
三 .有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…） 价昂→少用
四. 非金属： 塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、复合材料
m ax max
1 K a m
S
（疲劳强度计算公式） 当工作应力点N处于OGC区时：
m ax S max a m
Sca
lim
m ax max
2
σm= 0 r = -1 对称循环变应力
例：火车轮轴、双向转动 的齿轮轮齿的弯曲应力
σmin= 0 r = 0 脉动循环变应力 例：单向转动的齿轮轮齿 的弯曲应力
机械设计习题
第一章机械设计总论思考题1－1 一部现代化的机器主要有哪几部分组成？1－2 开发一部新机器通常需要经过哪几个阶段？每个阶段的主要工作是什么？1－3 作为一个设计者应具备哪些素质？1－4 机械设计课程的性质、任务和内容是什么？1－5 机械设计课程有哪些特点？学习中应注意哪些问题？1－6 什么是失效？什么是机械零件的计算准则？常用的计算准则有哪些？1－7 什么是校核计算？什么是设计计算？1－8 什么是名义载荷？什么是计算载荷？为什么要引入载荷系数？1－9 静应力由静载荷产生，那么变应力是否一定由变载荷产生？1－10 什么是强度准则？对于零件的整体强度，分别用应力和安全系数表示的强度条件各是什么？1－11 在计算许用应力时，如何选取极限应力？1－12 什么是表面接触强度和挤压强度？这两种强度不足时，分别会发生怎样的失效？1－13 刚度准则、摩擦学准则以及振动稳定性准则应满足的条件各是什么？这些准则得不到满足时，可能的失效形式是什么？1－14 用合金钢代替碳钢可以提高零件的强度，是否也可以提高零件的刚度？1－15 什么是机械零件的“三化”？“三化”有什么实际意义？1－16 机械零件的常用材料有哪些？设计机械零件时需遵循哪些原则？第二章机械零件的疲劳强度设计思考题2－1 什么是疲劳破坏？疲劳断口有哪些特征？2－2 变应力有哪几种不同的类型？2－2 什么是疲劳极限？什么是疲劳寿命？2－4 什么是疲劳曲线？什么是极限应力图？用它们可以分别解决疲劳强度计算中的什么问题？2－5 什么是有限寿命设计？什么是无限寿命设计？如何确定两者的极限应力？2－6 塑性材料和脆性材料的σm－σa极限应力图应如何简化？2－7 影响机械零件疲劳强度的三个主要因素是什么？它们是否对应力幅和平均应力均有影响？2－8 如何根据几个特殊点绘出机械零件的σm－σa极限应力图？2－9 机械零件受恒幅循环应力时，可能的应力增长规律有哪几种？如何确定每种规律下的极限应力点？如何计算安全系数？2－10 什么是Miner 法则？用它可以解决疲劳强度计算中的什么问题？2－11 如何计算机械零件受规律性变幅循环应力时的安全系数？习 题2－1 已知：45钢的σ－1＝270MPa ，寿命指数m=9，循环基数N 0＝107。
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§1-1 概
机械的组成
述
机械零件是组成机械的基本单元。任何一部机器都可以拆 解为许多功能不同的机械零件。
机械零件分为专用零件和通用零件 专用零件 — 是只能用于某类机械的零件．如曲轴，燃气轮 机的叶轮
§1-1 概
通用零件
述
各类机械都要使用的零件.如轴、齿轮、链传动等。
§1-1 概
述
齿轮传动
机械设计课程的研究内容：
汽车变速器
减速器
§1-1 概
述
机械设计课程是一门培养学生具有机械设计能力的技术 基础课。本课程的主要任务是培养学会掌握通用机械零件的 设计原理、方法和机械设计一般规律，具有设计一般简单机 械的能力；具有应用标准、规范、手册、图册等技术资料的 能力，掌握典型机械零件的实验方法。 设计概论 ：机械零件的工作能力和计算准则、机械零件的 疲劳强度、摩擦、磨损、润滑、机械常用材料。 常用连接件：螺纹连接、键、花键、销、型面连接、过盈连 接、铆接、焊接和胶接。 机械传动件：带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动。 轴系零部件：轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器。 其它零、部件及机械系统设计：弹簧、机架、机械系统设计。
§1-1 概
下面那些是机械？
述
§1-1 概
述
汽车变速器
§1-1 概
述
机械（Machinery) —是机器和机构统称。 机构（Mechanism）—由两个以上的构件通过可 动联接形成，各构件之间具有确定的相对运动的构 件系统。 机器 (Machine) — 主要是指能代替人类劳动 和进行能量转化的机械装置。如电动机、内燃机、 机床、汽车、火车、飞机、轮船等等。 机械设计 (Machine Design) — 为各种机械装置 进行设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功 能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设 计的本质动零件 轴系零件 联接零件
机架及附件
§1-1 概
本课程性质和任务 性质： 技术基础课。其特点为
述
针对性强、内容丰富、公式多、涉及前期课程内容多、 实用性强。 任务：
树立正确的设计思想；
掌握一般机械设计的基本理论和方法、培养设计机 械的能力，为后续课程打基础；
培养查阅、应用资料的能力
——通用机械零部件的工作原理、 特点、选用及设计计算
传动 零件
蜗杆传动
带传动 链传动 螺纹联接 键联接 轴
通用的零部 件系指
联接 零件 轴类 零件
轴承 联轴器
§1-1 概
齿轮传动 蜗杆传动
述
§1-1 概
带 传 动
述
螺纹联接
链 传 动
§1-1 概
轴 轴承
述
联轴器
§1-1 概
本课程还研究
述
部件： 为满足某一功能要求由多个零件组成的组件。如变 速器、减速器等。该内容由课程设计完成。
机械设计
( Mechanical Design )
燕松山
2014年09月
第一章 机械设计总论-1
§1-1 概
述
机械（Machinery) — 是机器和机构统称。 机构（Mechanism）—由两个以上的构件通过可 动联接形成，各构件之间具有确定的相对运动的构 件系统。 机器 (Machine) — 主要是指能代替人类劳动 和进行能量转化的机械装置。如电动机、内燃机、 机床、汽车、火车、飞机、轮船等等。