机械设计基础[1]
陈立德第五版-机械设计基础 第1章机械设计概述
一、设计机械零件的基本要求
工作可靠并且成本低廉;
零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。
设计机械零件要注意以下几点：
（1）合理选择材料，降低材料费用；
（2）保证良好的工艺性，减少制造费用；
（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。
产品规划 设计任务书 原理方案设计 原理方案图 结构方案设计 总体布局设计 总装配图 施工设计 试制、实验、批 量生产、销售
由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。
设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。
经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。
机械设计的内容与过程
市场调查 可行性研究 …… 功能分析 原理方案设计 …… 主参数匹配设计 主结构构形设计 …… 人机工程设计 外观设计 …… 产品部件设计 产品零件设计 …… 技术文档 样机试制 性能试验 定型批产 ……
使用功能要求 经济性要求 可靠性要求 劳动保护要求－操作方便、工作安全 造型美观、减少污染 其它专用要求
二、机械设计的基本要求
机械设计的基本要求
一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。
§1.1 机械设计的基本要求 §1.2 机械设计的内容与过程 §1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则 §1.4 机械零件的接触强度 §1.5 机械零件的标准化 §1.6 现代机械设计理论概述
第1章 机械设计概述
1.1 机械设计的基本要求
机械设计包括以下两种设计:
考研试题-机械设计基础
P8 考研试题[1.1] 简答题（5）（吉林工业大学1999年）图示一拐形零件，当A 点受一垂直向下的力F 时，试分析其与板联接处B 截面的应力种类，并判断B 截面有可能产生的失效形式。
（3.5分）图1（6）（中南大学2001年）在图示零件的极限应力线图中，零件的工作应力位于M 点，在零件的加载过程中，可能发生哪种失效？若应力循环特性r 等于常数，应按什么方式进行强度计算？（10分）（7）（北京理工大学1997年）判断下列工况零件的主要失效形式。
（4分）A. 开式传动的齿轮B. 润滑不良的高速滑动轴承C. 低速重载的滚动轴承D. 初拉力F 。
过大的传动Ⅴ带（13）（国防科学技术大学1998年）试比较以下三种情况，哪一种的润滑条件最好，并简述其理由。
( 注：题中有F l ＞F 2＞F 3 ，v l ＜v 2＜v 3 )（5分）图2（15）（华中理工大学1995年）何谓产品的可靠度R t ？若有一批零件的件数为N ，在预定的时间t 内，有N t 个零件随机失效，剩下N t ’个零件仍能继续工作，则此种零件的可靠度R t ＝？（6分）图3σσm（20）（模拟）机械零件设计计算准则与失效形式有什么关系？有哪些常用的计算准则？它们是针对什么失效形式建立的？（22）（模拟）什么是静载荷、变载荷，静应力和变应力？试举出两个机械零、部件在工作时受静载荷作用而产生变应力的例子。
（23）（模拟）作用在机械零件上的变应力有哪几种类型？如何区分它们？（25）（模拟）怎样区分表面挤压应力和表面接触应力？试说明两圆柱体接触应力计算公式2111ρρπσ±⋅=L F Z n E H 中各符号的意义。
（27）（模拟）试根据材料的疲劳曲线（σ-N 曲线），说明什么叫循环基数N 0、条件疲劳极限σrN 和疲劳极限σr ，并根据疲劳曲线方程导出σrN 的计算式。
（28）（模拟）试述金属材料的疲劳断裂过程。
*（29）（摸拟）影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？原因是什么？为什么影响因素中的K σ、εσ、β只对变应力的应力幅部分有影响？*（30）（模拟）零件设计中常见的有哪些应力集中源？若零件危险剖面上有几个应力集中源，在疲劳强度计算中应如何考虑K σ（K τ）对零件疲劳强度的影响？试比较形状、尺寸一致，工作条件相同，分别用铸铁、低碳钢、高强度钢制造的三个零件，哪一个的K σ（K τ）数值最大？哪一个的K σ（K τ）数值最小？在设计零件选用材料时如何考虑这些问题？（31）（模拟）如何绘制考虑K σ、εσ、和β影响的极限应力图？它有何用途？（34）（模拟）何谓摩擦？常见的摩擦（润滑）状态有哪几种？各有何特点？试画出各种摩擦（润滑）状态的几何形貌图。
机械设计基础第1章
K个构件具有K-1个转动副.
• 2.局部自由度
与输出构件运动无关的自由度称 为局部自由度。
• 3.虚约束
• 对机构运动不起限制作用的重复约 束称为虚约束。
•
虚约束虽然对运动不起作用，
但有增加构件刚性、使构件受力均
衡等作用。
•
例题４ 例题５
局部自由度
2
2
2
2
1
1 1
Hale Waihona Puke 11(a) 1
2
2
1
2
2
运动副表示
2
1 (b) 1
2 1
2
a)
b) 构件表示
c)
2 构件分类: 1） 固定构件（机架）：用来支承运动构件的构件。 相对地面不动。 2）原动件（主动件）：运动规律已知的活动构件。如： 原动机，又称输入构件。 3）从动件：机构中随着原动件的运动而运动的其余活 动构件。其中输出预期运动规律的从动件称输出构件。
第1章 平面机构的自由度和速度分析
本章要解决问题 构件组合具有确定相对运动的条件是什么？ 怎样绘制机构运动简图。 何谓速度瞬心？速度瞬心有哪些用途？
基本要求 自由度、运动副、瞬心、复铰、局部自由度、虚约束； 能正确计算平面机构的自由度； 能绘制简单机械的机构运动简图；能正确判定瞬心。
重点 机构自由度的计算，机构运动简图绘制。 所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机
• 瞬心数目 一个机构若有Ｎ个构件，则瞬心总数为
•
k=Ｎ(Ｎ-１)/２
瞬心位置 两构件相互接触 分为４种情况
• 三心定理 作平面运动的三构件的三瞬心必位于同一
《机械设计基础》课件 第1章 平面机构的自由度和速度分析
13
§1-2 平面机构运动简图
机构示意图 —— 不按比例绘制
三、机构运动简图的作用
是机构分析和设计的工具
四、机构中构件的分类
分为三类：
1）固定构件（机架）：用来支承活动构件的构件。在研究机构
中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系；
2）原动件（主动件）：运动规律已知（外界输入）的构件；
61
3. 直动从动件凸轮机构
求构件2的速度？
62
课后作业：
5、7、9、11、13、15
63
1
1
1
2）移动副
17
§1-2 平面机构运动简图
3）高副：应画出接触处的曲线轮廓
18
§1-2 平面机构运动简图
六、机构运动简图中构件的表示方法
轴、杆
机架
永久连接
固定连接，如轴和齿轮
19
§1-2 平面机构运动简图
参与组成两转动副的构件
一个转动副+一个移动副的构件
参与组成三个转动副的构件
20
§1-2 平面机构运动简图
4
3
2
2
1
4
32
§1-3 平面机构的自由度★
平面机构自由度：
所有活动构件相对于机架所能具有的独立运动数目之和。
作用：
讨论机构具有确定运动的条件。
C
C
D
B
A
B
D
A
E
F
33
§1-3 平面机构的自由度★
一、平面机构自由度计算公式
1. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度
34
2. 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度
石油大学 机械设计基础 第1章 机构结构分析
§1-5 计算自由度时的注意事项
(1)复合铰链
F 3n 2P l P h
3 5 2 6 1 0
3
复合铰链问题分析：
F 3n 2P l P h
3 5 2 7 1 0
1
(2)局部自由度
[1] 问题描述
尖顶推杆凸轮机构
F 3n 2P l P h
二、运动副约束
constraint
运动副自由度:确定组成运动副中的一个构件 相对另一个构件的位置所需的独立参变量的数目.
1、低副
转动副、
移动副
低副---2 个约束 低副个数： Pl 所有低副约束总数：2 Pl
2、高副
凸轮副
齿轮副
平面高副 ---1 个约束
高副个数：Ph
所有高副约束总数： Ph
三、机构自由度
1原动件
机架 平面铰链四杆机构
原动件
2 3
从动件
平面机构/空间机构
1
机架
4
空间铰链四杆机构
§1-2 机构运动简图
一、机构运动简图 kinematic scheme
简单线条与符号按比例表示各构件相对运动关系。
机构示意图--不严格按比例绘制
(1)构件表示
(2)运动副表示
(3)常用机构表示
(3)常用机构表示
运动副--两构件直接接触而构成的可动连接。 1、平面运动副 2、空间运动副
planar pair spatial pair
1、平面运动副 planar pair
按接触形式分
点、线接触 高副： 转动副 低副： 面接触 移动副
2、空间运动副 spatial pair 点高副 球面副 螺旋副 圆柱副 等
机械设计基础第1章 绪论
1.1.2 机械中的构件、零件和部件 1. 构件 机构是由构件组成的，构件在机构中具有独立的运动特性， 在机械中形成一个运动整体。如图1-2（a）所示的内燃机是由 活塞、连杆、曲轴和汽缸等构件构成的一个典型的曲柄滑块机 构，其中，原动件活塞作直线往复运动，通过连杆带动曲轴作 连续转动。
2. 机械零件 机械零件 机械都是由机械零件组成的。 机械都是由机械零件组成的 。 机械零件是指机械中每一个 单独加工的单元体，例如图1-1所示的曲轴 所示的曲轴。 单独加工的单元体，例如图 所示的曲轴。构件可以是单一的 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图1-2(b)所 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图 所 示的连杆，它是由连杆体、连杆盖、 示的连杆 ， 它是由连杆体 、 连杆盖 、 螺栓和螺母等零件组合而 成的。这些零件之间没有相对运动，是一个运动整体， 成的 。 这些零件之间没有相对运动 ， 是一个运动整体 ， 故属一 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 随着机械的功能和类型的日益增多， 随着机械的功能和类型的日益增多 ， 作为组成机械的最基 本单元的零件更是多种多样。 本单元的零件更是多种多样。 通常将机械零件分为通用机械零 件和专用机械零件两大类。 件和专用机械零件两大类。
1.3 机械零件的材料选择
1.3.1 使用要求 按强度条件设计的零件，当其尺寸和重量都受限制时，应 选用强度较高的材料； 按刚度条件设计的零件，应选用弹性模 量较大的材料；若零件表面接触应力较高(如齿轮)，应选用可 以进行表面强化处理的材料(如调质钢、渗碳钢)。此外，对容 易磨损的零件(如蜗轮)，应选用耐磨性好的材料；对滑动摩擦 下工作的零件(如滑动轴承)，应选用减摩性好的材料；对高温 下工作的零件，应选用耐热材料；对腐蚀性介质中工作的零件， 应选用耐腐蚀材料。
机械设计基础1-绪论
凸轮7
3、工作过程：
活塞下行，进气阀打开， 燃气被吸入汽缸
活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气
点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞 下行，经连杆带动曲轴输出转动
活塞上行，排气阀打开，排出废气
4、运动分析： 原动件：活塞—由燃气推动（驱动力所作用的构件） 主运动：将活塞的往复直线运动→曲轴的回转运动 辅助运动：配气 ——启闭进排气阀
电力代替了蒸汽。 集中驱动被抛弃了， 每台机器都安装了独 立的电动机。
为汽车、飞机的 出现提供了可能性。
1886年，本茨发明的汽油发动 机为动力的三轮车被授予专利。
与此同时，戴姆勒也发明 出了他的第一辆四轮汽车。
莱 特 兄 弟
1903
近代 — 材料的变革
19世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一直到现在，
运动学
静力学
动力学
强度理论
牛顿经典力学
材料学
到20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。
机 构 结 构 学 机 构 运 动 学 机 器 静 力 学 机 器 动 力 学 机 械 零 件 设 计
运动学
静力学
动力学
强度理论
但是，这些方法都基于图解和手工计算。 牛顿经典力学
材料学
现 代： 20世纪中叶 －
单一零件曲轴
多个零件
刚性组合 连杆
4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。
专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲 轴、叶片
通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、 轴、螺栓等
5.部件：若干个零件的装配体
具体内容
常用机构设计
连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构（棘轮机构、 槽轮机构、不完全
只具有机器的前两个特征——机构 如 凸轮机构（配气机构）：把回转运动→直线运动 曲柄滑块机构：将活塞的直线运动→曲柄的回转 运动
机械设计基础1
《机械设计基础1》期末复习填空题1.机械是机器和机构的统称。
2.从制造的角度看，机器是由若干个零件装配而成；从运动的角度看，机器是由若干个运动的单元所组成，这种运动单元称为构件。
3.平面任意力系向一点简化可得到一个与简化中心无关的力偶和一个与简化中心有关的力。
4.在平面力系中各力的作用线全部汇交于一点，那么称此力系为平面汇交力系。
5.在平面力系中各力的作用线既不汇交于一点，相互间也不全部平行，那么称此力系为空间力系。
6.零件产生剪切变形时，一般都伴随着挤压变形，即联接件的接触面发生压陷现象。
7.梁的三种基本形式为简支梁、外伸梁、悬臂梁。
8.利用材料的强度条件，可以解决三大类工程实际问题：校核强度、求最小截面尺寸（截面尺寸设计）、确定许用载荷。
9.平面高副是两构件以点或线接触构成的运动副，它给构件的相对运动引入一个约束条件；平面低副是两构件以面接触构成的运动副，它给构件的相对运动引入两个约束条件。
10.若平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构，根据其两两连架杆运动形式的不同有三种基本形式，分别是曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
11.轴向拉伸和压缩时，内力垂直于横截面并通过其形心，所以内力称为轴力。
12. 单位长度上的绝对变形称之为 相对变形或线应变 。
13. 塑性金属材料的极限应力是σs ，称为 许用应力 。
14. 剪力是剪切面上 分布内力 的合力。
15. 扭转变形的受力特点是：垂直于轴线的平面受到 大小相等 、 方向相反 的两个力偶作用。
16. 杆件各横截面绕轴线发生相对转动，这种变形称之为 扭转变形 。
17. 由轴传递的功率和转速，通过公式计算作用于轴上的外力偶矩。
18. 作用在轴上的外力是力偶，横截面上内力偶与之平衡，内力偶之矩称为 扭矩 。
19. 杆件的基本变形有：拉压变形，剪切变形、和 扭转变形 。
单选题1. 圆轴扭转剪应力 C 。
A. 与扭矩和极惯性矩都成正比；B. 与扭矩成反比，与极惯性矩成正比C. 与扭矩成正比，与极惯性矩成反比；D. 与扭矩和极惯性矩都成反比2. 插销穿过水平放置的平板上的圆孔（如右图），在其下端受有拉力P 。
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(3)信息机器 实现其它信息与机械运动信息 之间的转换。
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机械设计基础[1]
2. 根据功能组成分
(1)驱动系统 机械系统的动力源。如电动机、 内燃机等。
(2)执行系统 直接实现机器特定功能的部分。
(3)传动系统 传递原动机的动力和和运动的 中间装置。
螺栓
垫圈 螺母
套筒 连杆体
轴瓦
小结: 零件
构件
机构
机器
连杆盖
6．机械零件的分类 联接件（螺纹，键，销）
通用零部件 传动件（带，链，齿轮）
轴系零件（ 轴，轴承，联轴器）
专用零部件 （涡轮机的叶片，飞机的螺旋桨，内燃 机的曲轴）
二、机械的分类
1. 根据实现的功能分
(1)工作机器 能对物料进行加工及运输等工作 的、能完成有用的机械功。如机床、汽车等。
2. 机器的组成
原动部分 传动部分 执行部分（机构）
控制部分
3. 机构的特征 ①人造的实物组合体； ----结构观点
②各部分有确定的相对运动。 ----运动观点
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4. 机构的组成：构件 独立的运动单元。
内燃机 连杆
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机械设计基础[1]
5. 构件的组成：零件 独立的制造单元。
2．了解机械设计的基本要求、基本内容及一 般程序。
3．掌握通用零件的工作原理、结构特点、设 计计算和维护，初步具有简单机械及常用机 械传动装置的能力。
4．培养学生具有查阅手册、图册等资料的能 力。
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机械设计基础[1]
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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二、本课程的内容
1．功能原理方案设计 2．运动特性动力特性 3．结构与强度设计 4．驱动与控制设计
三、机械设计的一般程序
1．提出和制定产品设计任务书 2．方案设计 3．技术设计 4．样机试制和鉴定 5．产品投产
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第三节 机械工程常用材料
一、常用工程材料
最常用材料：钢、铸铁。 金属材料
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第六节 本课程的地位、内容与任务
一、本课程的地位 一门重要的技术基础课。
二、本课程的内容 机械系统的组成与结构，功能与原理，
机械设计的基本要求、内容与一般程序等。
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三、本课程的任务
1．认识和了解机械系统的组成与结构、功能 与原理以及正确选择通用机械。
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3.应力分类
按应力随时间变化分 1)静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。
2)变应力：随时间变化的应力 。
a.稳定循环变应力 a) 非对称循环变应力 b) 脉动循环变应力 c) 对称循环变应力 b.不稳定循环变应力 c.随机变应力
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机械设计基础[1]
第四节 零Leabharlann 的强度机械零件的强度条件一、载荷和应力的类型
1．按载荷随时间变化情况分：
静载荷：不随时间变化或变化较缓慢的载荷。
变载荷：随时间变化的载荷 。
2．按载荷的应用情况分：
名义载荷： 根据额定功率用力学公式计算出 作用在零件上的载荷。
计算载荷： 载荷系数K与名义载荷的乘积 。
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第一节 机械的功能及功能组成
一、机械的组成 机器和机构的总称。
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活塞 推杆 凸轮
连杆
曲轴
内燃机
壳体
推杆
凸轮
齿轮
齿轮
齿轮
工件自动载送装置 工业机器人
1.机器的特征(重点) ①人造的实物组合体；----结构观点 ②各部分有确定的相对运动；----运动观点 ③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换。 ------能量观点
二、许用应力和安全系数
式中: lim——材料的极限应力。
S——安全系数。
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第五节 机械零件结构的工艺性及标准
一、零件结构的工艺性
1．毛坯选择合理
2．结构简单合理
3．选择合理的公差配合与等级及正确的形位 公差
二、标准化
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1．产品品种规格的系列化 2．零部件的通用化 3．产品质量标准化
2020/11/20
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其次常用材料：有色金属、合金。
非金属材料：工程材料、橡胶、尼龙、木材、石 墨、陶瓷等。
常用材料见表0-1、0-2
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二、金属材料的热处理
常用材料见表0-3、0-4。 三、材料选择的基本要求
1．使用要求 1）力学性能要求 2）物理性能要求 3）化学性能要求
2．工艺要求 3．经济性要求
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2020/11/20
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绪论
什么是机械设计？
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活动,即应用新的原 理和新的概念,开发创造出新的产品,或对 现有机器局部进行创造性的改造(如改进 不合理的结构、改善加工工艺性、装配性 或降低成本)。
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(4)控制系统 使驱动系统、执行系统、传动 系统彼此协调工作并准确可靠地完成整个机械 系统功能的装置。
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第二节 机械设计的基本要求、 基本内容与一般程序
一、机械设计的基本要求
1.实现预定的功能； 2.工作可靠，操作方便，运行安全性； 3.市场需求与经济性； 4. 零部件的结构设计要求 5. 工艺性、系统性、通用性及标准化； 6. 其他方面。