机械设计基础课件——机械设计基础概述
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术人员和加工制造人员密切合作，必须熟悉零件的制造工艺性等。
动形式的系统，称为机构。大多数机器都是由若干基本
机构组成，实现预定的运动。
▪
机器与机构总称为机械。
▪
▪ 二、零件、部件和构件
▪ 机械零件可分为两大类：一是在各种机器中都能 用到的零件，叫通用零件，如齿轮、螺栓、轴等； 另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件， 叫专用零件。此外，常把由一组协同工作的零件 组成的独立制造装配的组合件叫部件。
置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单的线
条，绘制机构运动简图。⑤ 从原动件开始，按传动顺序标出各构件的
编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
第四节 机械零件的强度、材料以及结构工艺性
▪ 一、机械零件的强度
▪ 零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为 整体强度。若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接
▪ (1)低副。两构件以面接触的运动副称为低副。根据它们之间 的相对运动是转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。
▪ ① 转动副。组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转 动的运动副。通常转动副的具体形式是铰链联接,即由圆柱销和销 孔所构成的转动副，如图1-4所示。
▪ ② 移动副。组成运动副的两构件只能沿某一轴线作相对直线移 动的运动副。如图1-5所示,活塞与气缸体所组成的运动副即为移 动副。
往往把几个零件刚性地联接在一起作为一个整体运动。这些零件分别 加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间 不产生相对运动。这种由若干个相互之间没有相对运动的零件刚性联 接在一起的运动整体称为构件，它是机械中运动的单元。构件可以是 一个零件，也可以由一个以上的零件组成。 ▪ 运动副：机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件 的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直 接接触的活动连接称为运动副。两构件直接参与接触而构成运动副的 部分——点、线或面称为运动副元素。
机械设计基础
第一章 机械设计基础概述
▪绪论 ▪ 第一章 机械设计基础概述 ▪ 第一节 机器及其基本组成 ▪ 第二节 机械设计的基本要求 ▪ 第三节 平面机构的组成和运动简图 ▪ 第四节 机械零件的强度、材料以及结wenku.baidu.com工艺性 ▪ 本章练习
第一节 机器及其基本组成
一、机器与机构
▪
机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、
触为一小面积，通常此面积很小但表层产生的局部应力很大，这种应力称为 接触应力。此时零件强度称为接触强度。
▪ 机械零件的强度是零件应满足的基本要求之一。零件强度是指零件受载后抵 抗断裂、塑性变形和表面失效的能力。为了使零件具有足够的强度，必须使
零件在受载后的工作应力σ不超过零件的许用应力［σ］，表达式为：
行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。 ▪ 传动系统:传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系
统的中间装置。 ▪ 操纵控制系统:操纵控制系统是为了使动力系统、传动系统、
执行系统彼此协调工作，并准确可靠地完成整体功能的装置。 ▪ 框架支撑系统：包括基础件和支撑构件。它用于安装和支
承动力系统、传动系统和操纵控制系统等。机器各部分的位 置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系 统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。此外，根 据机械系统的功能要求，还有一些辅助系统。
▪ 运动链：两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。运
动链分为闭式运动链和开式运动链两种。所谓闭式运动链是指组成运动链 的每个构件至少包含两个运动副，组成一个首末封闭的系统；开式运动链 的构件中有的构件只包含一个运动副，它们不能组成一个封闭的系统。
▪ 机构：如果将运动链中的一个构件固定作为参考系，另一个或几个构件 按给定的运动规律相对于固定构件运动，若其余构件都具有确定运动时， 运动链则称为机构。机构中固定不动的构件称为机架，机构中按给定运动 规律运动的构件称为原动件（或称为主动件），其余随原动件运动的构件 称为从动件。
第二节 机械设计的基本要求
▪ 一、基本要求
▪ 机械产品必须满足下面几方面的基本要求。 ▪ 1.实现预定功能 ▪ 2.满足可靠性要求 ▪ 3.符合经济性要求 ▪ 4.确保安全性要求 ▪ 5.推行标准化要求 ▪ 二、现代机械设计的思想 ▪ 1.创新思维和方法 ▪ 2.“人-机-环境”系统观
第三节 平面机构的组成和运动简图
图 1-7
图 1-8
（2）构件的表示方法。机构运动简图中构件表示方法如图1-8所示。
图1-8a、b表示能组成两个运动副的一个构件，图1-8a可组成两个转
动副，图1-8b组成一个转动副和一个移动副；图1-8c、d表示能组成 三个转动副的一个构件。
（3）平面机构运动简图的绘制步骤。① 分析机械的运动原理和结
物料（起重机等）、信息（录音机等）。
▪
机器中若干构件的组合，可实现预定的运动。在内燃
机中，活塞、连杆、曲轴和缸体（连同机架）组合起来，
将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动；凸轮、进排气
阀推杆和机架的组合，可将凸轮的连续转动变为进排气
阀推杆的往复移动等。这些由若干构件用一定连接方式
组成，有一个构件为机架，用来传递力、运动或转换运
▪ 2.平面机构运动简图的绘制
▪ （1）运动副的表示方法。图1-7a表示由两个可动构件组成的转动 副。图1-7b、c表示两个构件其中有一个构件是固定的转动副。
▪ 两个构件组成移动副时，其表示方法如图1-7d、e、f、g、h、i所示， 其中画有斜线的构件代表固定构件。
▪ 两个构件组成高副时，其表示方法如图1-7j所示，画高副简图时应 画出两构件接触处的曲线轮廓。
▪ 1.构件的自由度
▪ 构件是机构中运动的单元体，因此它是组成机构的基本要素。构件的自由 度是构件可能出现的独立运动。任何一个构件在空间自由运动时皆有6个 自由度。
▪ 2.运动副及其种类
▪ 平面机构中每个构件都不是自由构件，而以一定的方式与其他构件组成动 联接。这种使两构件直接接触并能产生一定形式的相对运动的联接，称为 运动副。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的相对运动，对于相对 运动的这种限制称为约束。根据组成运动副两构件之间的接触特性，运动 副可分为低副和高副。
▪ 机构是用运动副联接起来的构件系统，用来传递运动和力。
▪ 组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称 该机构为平面机构。否则称为空间机构。
▪ 一、平面机构的组成 ▪ 平面机构一般是由构件、运动副、运动链和机构4要素组成。 ▪ 构件：零件是加工制造的基本单元，为了满足结构和工艺的需要，
▪ 2.机械零件的疲劳强度 ▪ 许多机械零件在交变载荷作用下常常会使零件承受的工
作应力低于其材料屈服点，经多次循环后，无明显的外观 变形预兆发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳断裂。
▪ 材料的疲劳抗力指标是疲劳强度（σ-1）。 ▪ 疲劳断裂影响因素除与材料性能有关外，还与零件的工
作条件、零件的几何形状、零件的表面状态有关。
▪ 从机械实现预期运动和功能角度看，机构中形 成相对运动的各个运动单元称为构件。构件可以 是单一的零件，也可是由若干零件组成的运动单 元。
▪ 三、机器的组成 ▪ 机器由五部分组成，主要包括： ▪ 动力系统：动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能
是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。 ▪ 执行系统:执行系统包括若干执行机构，它的功能是驱动执
▪
或者 F lim
A
s
▪
▪
式中，F是载荷，A是截面积， σlim是极限应力，s是安全系数。
▪ 1.载荷与应力的分类
▪ （1）载荷的分类。分为静载荷和变载荷。变载荷又分为循环变载荷和随机 （变）载荷。循环变载荷又分为稳定循环变载荷和不稳定循环变载荷。
▪ （2）应力的分类。应力分为静应力和变应力。变应力又分为不稳定变应 力、稳定循环变应力和不稳定循环变应力。
构情况，确定其原动件、机架、执行部分和传动部分。② 沿着运动传
递路线，逐一分析每个构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型 和数目。 ③ 恰当地选择视图平面，通常可选择机械中多数构件的运动
平面为视图平面，必要时也可选择两个或两个以上的视图平面，然后
将其展到同一图面上。④ 选择适当的比例尺，定出各运动副的相对位
▪
▪ 三、机械零件的结构工艺性 ▪ 机械零件的结构工艺性是指零件在制造、装配、维修等方面的
难易程度。它是评价零件结构设计是否合理的主要技术经济指标。
▪ 零件的结构工艺性应从毛坯制造、热处理、机械加工和装配等 几个生产环节加以考虑。
▪ 1.选择合理的毛坯 ▪ 2.结构简单、便于加工 ▪ 3.便于安装、维修 ▪ 另外，要设计出结构工艺性好的零件，设计者还必须与工艺技
▪ 二、机械零件的材料 ▪ 机械零件常用的材料有铁碳合金、有色合金、非金属材
料和各种复合材料。钢和铸铁都是铁碳合金，应用最广。
▪ 如何选择零件的材料是设计零件的重要一环。以下提出材 料选用的主要原则，供设计时参考。
▪ （1）要满足零件的使用要求。 ▪ （2）要满足零件的工艺性要求。 ▪ （3）要满足材料的经济性要求。
▪ 图1-6高副平面机构中的低副引入两个约束，仅保留一个自由度。
▪ (2)高副。两构件以点接触或线接触的运动副称为高副。如图16所示，
图 1-4
图 1-5
图 1-6
▪ 二、平面机构运动简图
▪ 1.平面机构运动简图
▪ 机构简图是用特定的构件和运动副符号表示机构的一种简化示意 图，仅表示机构运动传递情况和结构特征。由于机构的实际运动不 仅与机构中运动副的性质(低副或高副等)、运动副的数目及相对位 置（转动副中心、移动副的中心线、高副接触点的位置等）、构件 的数目等有关，还与运动副的位置有关。因此，按一定的长度比例 尺确定运动副的位置,用长度比例尺画出的机构简图称为机构运动简 图。
动形式的系统，称为机构。大多数机器都是由若干基本
机构组成，实现预定的运动。
▪
机器与机构总称为机械。
▪
▪ 二、零件、部件和构件
▪ 机械零件可分为两大类：一是在各种机器中都能 用到的零件，叫通用零件，如齿轮、螺栓、轴等； 另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件， 叫专用零件。此外，常把由一组协同工作的零件 组成的独立制造装配的组合件叫部件。
置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单的线
条，绘制机构运动简图。⑤ 从原动件开始，按传动顺序标出各构件的
编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
第四节 机械零件的强度、材料以及结构工艺性
▪ 一、机械零件的强度
▪ 零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为 整体强度。若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接
▪ (1)低副。两构件以面接触的运动副称为低副。根据它们之间 的相对运动是转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。
▪ ① 转动副。组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转 动的运动副。通常转动副的具体形式是铰链联接,即由圆柱销和销 孔所构成的转动副，如图1-4所示。
▪ ② 移动副。组成运动副的两构件只能沿某一轴线作相对直线移 动的运动副。如图1-5所示,活塞与气缸体所组成的运动副即为移 动副。
往往把几个零件刚性地联接在一起作为一个整体运动。这些零件分别 加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间 不产生相对运动。这种由若干个相互之间没有相对运动的零件刚性联 接在一起的运动整体称为构件，它是机械中运动的单元。构件可以是 一个零件，也可以由一个以上的零件组成。 ▪ 运动副：机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件 的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直 接接触的活动连接称为运动副。两构件直接参与接触而构成运动副的 部分——点、线或面称为运动副元素。
机械设计基础
第一章 机械设计基础概述
▪绪论 ▪ 第一章 机械设计基础概述 ▪ 第一节 机器及其基本组成 ▪ 第二节 机械设计的基本要求 ▪ 第三节 平面机构的组成和运动简图 ▪ 第四节 机械零件的强度、材料以及结wenku.baidu.com工艺性 ▪ 本章练习
第一节 机器及其基本组成
一、机器与机构
▪
机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、
触为一小面积，通常此面积很小但表层产生的局部应力很大，这种应力称为 接触应力。此时零件强度称为接触强度。
▪ 机械零件的强度是零件应满足的基本要求之一。零件强度是指零件受载后抵 抗断裂、塑性变形和表面失效的能力。为了使零件具有足够的强度，必须使
零件在受载后的工作应力σ不超过零件的许用应力［σ］，表达式为：
行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。 ▪ 传动系统:传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系
统的中间装置。 ▪ 操纵控制系统:操纵控制系统是为了使动力系统、传动系统、
执行系统彼此协调工作，并准确可靠地完成整体功能的装置。 ▪ 框架支撑系统：包括基础件和支撑构件。它用于安装和支
承动力系统、传动系统和操纵控制系统等。机器各部分的位 置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系 统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。此外，根 据机械系统的功能要求，还有一些辅助系统。
▪ 运动链：两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。运
动链分为闭式运动链和开式运动链两种。所谓闭式运动链是指组成运动链 的每个构件至少包含两个运动副，组成一个首末封闭的系统；开式运动链 的构件中有的构件只包含一个运动副，它们不能组成一个封闭的系统。
▪ 机构：如果将运动链中的一个构件固定作为参考系，另一个或几个构件 按给定的运动规律相对于固定构件运动，若其余构件都具有确定运动时， 运动链则称为机构。机构中固定不动的构件称为机架，机构中按给定运动 规律运动的构件称为原动件（或称为主动件），其余随原动件运动的构件 称为从动件。
第二节 机械设计的基本要求
▪ 一、基本要求
▪ 机械产品必须满足下面几方面的基本要求。 ▪ 1.实现预定功能 ▪ 2.满足可靠性要求 ▪ 3.符合经济性要求 ▪ 4.确保安全性要求 ▪ 5.推行标准化要求 ▪ 二、现代机械设计的思想 ▪ 1.创新思维和方法 ▪ 2.“人-机-环境”系统观
第三节 平面机构的组成和运动简图
图 1-7
图 1-8
（2）构件的表示方法。机构运动简图中构件表示方法如图1-8所示。
图1-8a、b表示能组成两个运动副的一个构件，图1-8a可组成两个转
动副，图1-8b组成一个转动副和一个移动副；图1-8c、d表示能组成 三个转动副的一个构件。
（3）平面机构运动简图的绘制步骤。① 分析机械的运动原理和结
物料（起重机等）、信息（录音机等）。
▪
机器中若干构件的组合，可实现预定的运动。在内燃
机中，活塞、连杆、曲轴和缸体（连同机架）组合起来，
将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动；凸轮、进排气
阀推杆和机架的组合，可将凸轮的连续转动变为进排气
阀推杆的往复移动等。这些由若干构件用一定连接方式
组成，有一个构件为机架，用来传递力、运动或转换运
▪ 2.平面机构运动简图的绘制
▪ （1）运动副的表示方法。图1-7a表示由两个可动构件组成的转动 副。图1-7b、c表示两个构件其中有一个构件是固定的转动副。
▪ 两个构件组成移动副时，其表示方法如图1-7d、e、f、g、h、i所示， 其中画有斜线的构件代表固定构件。
▪ 两个构件组成高副时，其表示方法如图1-7j所示，画高副简图时应 画出两构件接触处的曲线轮廓。
▪ 1.构件的自由度
▪ 构件是机构中运动的单元体，因此它是组成机构的基本要素。构件的自由 度是构件可能出现的独立运动。任何一个构件在空间自由运动时皆有6个 自由度。
▪ 2.运动副及其种类
▪ 平面机构中每个构件都不是自由构件，而以一定的方式与其他构件组成动 联接。这种使两构件直接接触并能产生一定形式的相对运动的联接，称为 运动副。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的相对运动，对于相对 运动的这种限制称为约束。根据组成运动副两构件之间的接触特性，运动 副可分为低副和高副。
▪ 机构是用运动副联接起来的构件系统，用来传递运动和力。
▪ 组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称 该机构为平面机构。否则称为空间机构。
▪ 一、平面机构的组成 ▪ 平面机构一般是由构件、运动副、运动链和机构4要素组成。 ▪ 构件：零件是加工制造的基本单元，为了满足结构和工艺的需要，
▪ 2.机械零件的疲劳强度 ▪ 许多机械零件在交变载荷作用下常常会使零件承受的工
作应力低于其材料屈服点，经多次循环后，无明显的外观 变形预兆发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳断裂。
▪ 材料的疲劳抗力指标是疲劳强度（σ-1）。 ▪ 疲劳断裂影响因素除与材料性能有关外，还与零件的工
作条件、零件的几何形状、零件的表面状态有关。
▪ 从机械实现预期运动和功能角度看，机构中形 成相对运动的各个运动单元称为构件。构件可以 是单一的零件，也可是由若干零件组成的运动单 元。
▪ 三、机器的组成 ▪ 机器由五部分组成，主要包括： ▪ 动力系统：动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能
是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。 ▪ 执行系统:执行系统包括若干执行机构，它的功能是驱动执
▪
或者 F lim
A
s
▪
▪
式中，F是载荷，A是截面积， σlim是极限应力，s是安全系数。
▪ 1.载荷与应力的分类
▪ （1）载荷的分类。分为静载荷和变载荷。变载荷又分为循环变载荷和随机 （变）载荷。循环变载荷又分为稳定循环变载荷和不稳定循环变载荷。
▪ （2）应力的分类。应力分为静应力和变应力。变应力又分为不稳定变应 力、稳定循环变应力和不稳定循环变应力。
构情况，确定其原动件、机架、执行部分和传动部分。② 沿着运动传
递路线，逐一分析每个构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型 和数目。 ③ 恰当地选择视图平面，通常可选择机械中多数构件的运动
平面为视图平面，必要时也可选择两个或两个以上的视图平面，然后
将其展到同一图面上。④ 选择适当的比例尺，定出各运动副的相对位
▪
▪ 三、机械零件的结构工艺性 ▪ 机械零件的结构工艺性是指零件在制造、装配、维修等方面的
难易程度。它是评价零件结构设计是否合理的主要技术经济指标。
▪ 零件的结构工艺性应从毛坯制造、热处理、机械加工和装配等 几个生产环节加以考虑。
▪ 1.选择合理的毛坯 ▪ 2.结构简单、便于加工 ▪ 3.便于安装、维修 ▪ 另外，要设计出结构工艺性好的零件，设计者还必须与工艺技
▪ 二、机械零件的材料 ▪ 机械零件常用的材料有铁碳合金、有色合金、非金属材
料和各种复合材料。钢和铸铁都是铁碳合金，应用最广。
▪ 如何选择零件的材料是设计零件的重要一环。以下提出材 料选用的主要原则，供设计时参考。
▪ （1）要满足零件的使用要求。 ▪ （2）要满足零件的工艺性要求。 ▪ （3）要满足材料的经济性要求。
▪ 图1-6高副平面机构中的低副引入两个约束，仅保留一个自由度。
▪ (2)高副。两构件以点接触或线接触的运动副称为高副。如图16所示，
图 1-4
图 1-5
图 1-6
▪ 二、平面机构运动简图
▪ 1.平面机构运动简图
▪ 机构简图是用特定的构件和运动副符号表示机构的一种简化示意 图，仅表示机构运动传递情况和结构特征。由于机构的实际运动不 仅与机构中运动副的性质(低副或高副等)、运动副的数目及相对位 置（转动副中心、移动副的中心线、高副接触点的位置等）、构件 的数目等有关，还与运动副的位置有关。因此，按一定的长度比例 尺确定运动副的位置,用长度比例尺画出的机构简图称为机构运动简 图。