机械设计学课本

第一章绪论
1.机械设计学学科的三个组成部分：功能原理设计、实用化设计、商品化设计。

2.机械设计具有哪些主要特点？（多解性、系统性、创新性）
3.近代“设计学”的重大发展（功能思想的提出和发展；人机学思想的形成和发展；工业设计学科体系的发展和成熟）
4.从设计构思的角度将机械设计步骤归纳为哪三大步？（创意、构思、实现）
5.“设计”是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。

机械产品设计的一般过程：认识需求→目标界定→问题求解→分析选优→评价决策→表达→实现。

6.机械设计学的研究对象：机械设计学研究机械设计的规律、过程、原理、方法、设计原则以及其他机械设计的共性技术。

7.功能是产品的核心和本质。

第二章机器的组成及典型机器的功能分析
1.机器的定义：有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作或控制下，实现为之设计的某种或几种功能。

2.从不同角度看机器的组成：从机构学的角度看：各种基本机构，自由度=原动机数；从结构学的角度看：各种基本零件；从专业的角度看：各种主要部件
3.从功能的观点看机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成，它们的协调工作实现了实现了机器的总功能。

又可进一步分为：工作机（工作头、执行机构）传动机原动机控制器。

4.从功能的观点看机器的分类可分为：工艺类机器：对物料进行工艺性加工的机器，主要特征是具有专用的工作头并进行独特的工艺加工动作；非工艺类-不对任何物料进行工艺性加工，只实现某些特殊的动作性的机器。

5.家用缝纫机是一种典型的工艺类机器。

工艺方式：一是采用针尖引线的方法代替针尾引线；二是采用双线互锁交织的方法代替反复穿刺。

功能分析：（1）总功能：将线按一定规律缝于缝料上，它可使一根线或多根线通过自连、互连、交织，在缝料上形成一定形式的线迹。

（2）主要功能：引面线造环功能，勾面线扩环供给和收回面线的功能，输送缝料的功能。

（3）调节面线和底线阻尼的功能，调节压脚和压紧力的功能，调节送布针距的功能，绕底线功能。

（4）控制功能：机械控制功能，人机控制功能，电子控制功能。

6.现代银行点钞机是一种典型的机电一体化系统，属于工艺类机器。

功能要求：要有堆放准备清点纸币的空间，并能将纸币连续输入，直到最后一张；要有能把纸币逐张分开，避免两张当做一张计数的机构；要有准确计数的装置，清理完毕的纸币要整理成一叠。

功能分析：（1）总功能：将一沓同样的纸币输入机器之后，经过机器处理，最后输出一沓整齐的纸币，同时计数器准确显示纸币的张
数。

（2）主要功能：进钞输入功能，分钞功能，计数功能，整理功能（3）辅助功能：动力及传动功能，接钞输入口斜板调节功能，阻尼轮压紧功能（4）控制功能：机械控制功能，光电控制功能，人机控制功能。

第三章机械产品的功能原理设计
1.功能原理设计：机械产品设计的最初环节，是先要针对该产品的主要功能提出一些原理性构思，这种针对主要功能的原理性设计，称…。

实质: 是对方案的构思和拟定过程。

2.构思钞票逐张分离的工作原理：推括、摩擦、离心力、重力、粘力、气吹、气吸、静电。

3..功能原理设计重点：提出创新构思，尽量使思维尽量“发散”，力求多解，便于选优。

4.为什么要突出功能原理设计：功能原理设计对产品的成败起决定性作用。

5.任何一种机器的更新换代都存在三个途径：一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。

6. 功能原理设计的工作特点：用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。

;功能原理设计往往要引入某种技术，但首先要求设计人员具有新想法，新构思;功能原理设计使机器品质发生质的变化。

7.功能原理设计的工作内容:针对某一确定的功能目标，寻求一些物理效应，并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。

8.构思新原理的步骤：首先明确功能目标，然后进行创新构思，得出某些解法原理后还应通过模型试验，进行技术分析，验证其原理上的可行性；对于不完善的构思还应按实验结果做修改、完善和提高工作；最后对几个解法作技术经济的评价对比，选择其中一种较合理的解法作为最优方案予以采用。

9.CIMS中物料运输系统的功能目标分析：1、明确功能目标：装设导向系统的费用要小；允许扩充和调整设备，变动运输路线；在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。

2、提出的原理性设想：应用惯性导航技术，利用所设参考点用于制程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正；应用传感器引导绕过障碍物；在共建转接战上用超声波定向，使小车实现准确定位。

10.系统工程学用“黑箱”描述功能：任何一种系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，其输入用物料流M、信息流S和能量流E描述，其输出用相应的M’、S’、E’来描述。

11、硬币计数包卷机，试分析要实现总功能，必须要有哪些分功能单元，试分别画出功能分解图和功能结构图，并简要说明计数功能如何实现的？
功能单元：硬币堆放、输送功能单元；硬币排列、分选、挑残功能单元；硬币分选计数功能单元；硬币堆码、整理功能单元；送纸、撕纸功能单元；硬币包卷功能单元；卷边功能单元。

12.功能的含义：某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。

/一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的关系。

13.功能元素-把机器中的复杂动作分解为一些基本动作，这些基本动作理解为~
14.任何技术系统都可以视为三种流的处理系统：能量流、物料流、信息流。

15.功能单元：将总功能分解成较为简单的、具有一定的独立性、可以直接求解“功能单元”，也称“功能元”。

16.功能分析：由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。

也可称为“系统分析”。

17、功能结构的三种基本结构形式：串联、并联、回路
18. 动作功能是指以实现动作为目的的功能。

（1）简单动作功能:由俩个或俩个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作(带轴轮子，拉链)：一次性动作复杂动作。

（2）复杂动作功能，以采用基本机构为主。

常用的基本机构主要有齿轮机构，凸轮机构，连杆机构，螺旋机构，间歇运动机构，摩擦机构…
简单动作功能的求解思路：几何形体组合法,即：针对功能目标，对几个构件的几何形体进行构思、组合；复杂动作功能的求解思路：基本机构组合法。

19.工艺功能：工作头和工作对象相互配合，实现一种功能。

20.两个重要因素：（1）采用哪种工艺方法（2）工作头采用什么形状和动作
21.工艺功能的特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。

22.物一场分析法：S1通过F作用于S2。

其中，主体(S1)是对客体发出作用的物体，即工作头；客体(S2)是被加工的物体；F：场，这不单指某种物理场，而是广义地指S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光……一切作用场。

23.“最小技术系统”：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)，一个客体(S2)和一个场(F)。

缺一即不可能发生技术作用。

24.用S—Field模式探求工艺功能原理的解法：寻求合理的F和S
例1：为了完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理?
在这个问题里，S2是草地上的草。

剩下的问题是寻找合适的F和S1了。

首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：
拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。

割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。

剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。

显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1就只能是剪刀。

将剪刀做成像理发推子那样，就是传统的剪草机的解法原理。

还可以通过“完善”、“增加’’和“‘变换”的方法来寻求新的解法。

（1）完善：原设计中有时出现缺少F或S1的情况并因此而造成功能不良的后果。

应该通过补全F或S1的措施来使S—Field模式完善化。

（2）增加：一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应辅以S’1和F’，才能更好地完成希望实现的功能。

（3）变换：对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。

有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。

例2.以前制造平板玻璃，采用“垂直引上法”，是将半流体的玻璃从熔池中不断上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后边向上引边凝固。

这种方法制造出来的玻璃表面总是有波纹并且厚度不均。

试用物—场分析法分析产生波纹和厚度不均问题的原因，并说明改造措施。

答：由物—场分析法可以看出，整个工艺过程中，玻璃S2在凝固前大部分时间中缺少F和S1，这是造成玻璃表面有波纹并且厚度不均的原因。

改进工艺：让液态玻璃漂浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固，这就是“浮法”制造平板玻璃的功能原理解法。

浮法工艺补充了低熔点合金的液面作为S1，又利用该合金液面的表面张力作为一种特殊的力场F，既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑和均匀。

第四章机械功能原理的实现
1.机构能实现哪些动作功能（运动形式或运动规律变换、实现开关、联锁和检测、实现程序控制或手动控制）
2.选择机构实现功能原理的原则和范围：（1）实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能(2)实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能(3)在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能(4)实现简单的固定程序或可变程序的控制。

3.一切机器都包含哪四个部分？（动力机、传动机构、执行机构、控制部分）
4.常用的传动机构有哪些？（齿轮、连杆、螺旋、楔块、棘轮、槽轮、摩擦轮、挠性件、弹性件、液气动、电气及利用以上机构组合而成的复合机构）
5.传动机构在使用中主要作用是什么？（1）实现运动速度或力的大小变换：啮合方式、摩擦方式、楔块原理、流体作用原理。

（2）运动形式或传力方式的变换：转动、平动、摆动。

6.常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有哪些？并简要说明。

答： 1)通过啮合方式进行传动(例如；齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等)。

其中：齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广
2)通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等)。

这类机构结构简单，成本低廉，由于带具有柔软性、吸收振动的特性。

3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动、偏心轮传动等)。

螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力。

结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。

4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气动传动等)。

液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下．但液压传动速度较慢。

7.执行机构定义：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构。

主要作用（1）实现特定运动规律（2）实现特定的运动轨迹（3）实现某种特殊的信息传递。

8.工作头定义：直接接触并携带工作对象完成一定的工作，或是在其上完成一定的工艺动作的构件
主要作用：(1)夹持： (2)搬运、输送及转换工位3)施力。

9.选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题：
①满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构最简单，传动链最短。

②使机构有有利的传力条件对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构(如冲压机构)，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。

③使机构有尽可能好的动力性能④使机器操纵方便，调整容易，安全耐用。

10.发挥机构固有潜力的方法—机构的创新设计
①改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一些新的功能②运用机构的串联组合，改变机构的运动特性③运用机构的并联组合，得到某些特殊的运动规律或轨迹④利用机构组成原理发现新的机构⑤引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到新的生命。

第五章机械产品的实用化设计
1.产品设计就是根据市场需求，把提供的资料转化为满足人类和社会需求的技术装置的规划工作
2.内部空间：它的任务是将设计要求转化为满足要求的实物产品，是设计核心工作；外部空间：所包括的问题是对设计的各项要求和设计工作所应用的技术方法，称设计的外围问题。

3.在机器设计中如何区别核心技术和关键技术两个不同概念？
答：核心技术是指实现总功能和主要要求的技术，对不同的机械其核心技术是不相同的。

关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。

它与核心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有关键技术问题。

4.设计要求分为主要要求和其他要求。

主要要求是针对产品功能，性能，技术经济等指标所提出的直接要求。

1)功能要求2)适应性要求3)性能要求4)生产能力要求5)可靠性要求6)使用寿命要求7)效率要求8)成本要求9)人机工程要求10)安全性要求11)包装，运输要求。

5.总体参数的初步确定方法：可采用理论计算法、经验公式法、相似类比法、实验法。

6.确定总体参数的原则：1）先进性；2）实用性；3）经济性。

7. 总体参数：（1）机械设备的理论生产率Q
（2）功率参数： 1）运动参数 2）力能参数（3）重量参数，包括整机重量、各主要部件重量、重心位置等。

它反映了整机的品质（4）总体结构参数：总体结构参数包括主要结构尺寸和作业位置尺寸。

主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主要组成部分的外形尺寸综合而成。

作~寸是机器在作业过程中为了适应工作条件要求所需尺寸。

性能参数，结构参数。

8.机械传动系统包括定传动比机构、变速机构、运动转换机构和操纵控制机构等几部分组成。

按其能量流动路线的不同，传动系统可分为：（1）单流传动（2）分流传动（3）汇流传动（4）混流传动：所谓混流传动，就是传动系统中既有分流传动又有汇流传动。

9. 单流、分流、汇流传动，各自的特点：
①单流：原动机所输出的能量顺序经过每一级传动件的传动形式
②分流：原动机所输出的能量有多个分支传动到个执行机构的传动方式③汇流传动：原动机所输出的能量经多条传动链传动后汇聚于执行机构 10．机械传动链的类型及适用范围：外联传动链：联系动力源和执行件(如机械主轴或分配轴)的传动链、是运动和外部(动力源)的联系；内联传动链：复合运动的内部联系，如分配轴至各执行件。

适用范围：只有复合运动才有内联传动链，无论是简单运动还是复合运动，都必须有一条外联传动链。

内联传动链必须用传动比准确的传动副，而不能用摩擦传动副(如带、摩擦无级变速器)、液压传动等。

外联传动链则没有这种要求，传动比的误差对加工或处理产品的质量不会有什么影响。

设计外联传动链时，主要应保证要求的速度和传递的功率；设计内联传动链时主要应保证传动比精度。

两者考虑的重点是个同的。

11.机器的驱动系统是指由原动机、传动机构、执行机构组成的整个机械系统。

第六章机械结构设计
1.零件又可称为结构件，是构成机械装置的基本单元。

在机械结构中的基本功能有：传递运动和动力、承受载荷、成形、其它功用。

2.何谓零件的相关？（每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系，可以称这种关系为相关，称有这种关系的两个零件互为相关零件）何谓直接相关和间接相关？（凡是两零件有直接装配关系的叫直接相关；没有直接装配关系的叫间接相关）
3.结构件通常具有哪些结构要素?在结构设计中应如何区别对待？固定安装和活动安装有何区别？答：分为工作部分、联接部分。

工作部分的设计主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。

活动安装一般保留了一个或一个以上的移动或转动的自由度可按工作部分进行设计。

4.结构设计的基本原则：
①明确功能明确，避免冗余结构，减少静不定结构；工作原理明确；使用工况及承载状态明确。

②简单在满足总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少
③安全可靠 1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险，如采用安全销、安全阀和易损件等。

对于可能松脱的零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。

2)间接安全技术法：通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。

3）提示性安全技术法：既不能直接保证安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在事故出现以前发出报警和信号，提醒人们注意。

5.结构设计的原理
①等强原理②变形协调原理就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。

③任务分配原理分配有三种可能：1）一零件完成多种功能2）一零件完成一种功能： 3）多零件共同完成一种功能：④自助原理：自加强、自平衡和自保护：⑤稳定性原理。

6.提高静强度的设计方法：①合理确定截面形状(空心轴刚度较大)②载荷分流载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果③载荷均布载荷均布是指将集中成分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。

④改善轴系支撑结构⑤充分发挥材料特性⑥合理强化预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。

7.比较弹性强化、塑性强化、予紧的概念和区别。

答：强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化。

预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的顶加载荷方法称为预紧。

①弹性强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。

②塑性强化是使构件在工作状态下应力最大部分预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。

③预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷。

使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。

8.提高静刚度的设计方法：①采用椼架结构②合理布置支承③合理布置隔板与肋板
9.提高疲劳强度的设计方法：①缓解应力集中②避免应力集中源的聚集③降低应力幅
10.提高接触强度和接触刚度的设计方法：①增大综合曲率半径②增加接触元素数量③用低副代替高副④通过预紧提高接触刚度。

11.误差分类：原始误差、原理误差、工作误差、回程误差。

12.提高精度的设计方法：1.有利于减少原始误差的结构设计措施2.补偿系统误差3.误差均化4.利用误差传递规律5.合理配置精度6.选择较好的近似机构7.采用有利于施工的机构8.阿贝原则9.减少回程误差。

13.什么是阿贝误差？为什么的测量精度较低？
欲使量仪给出正确的测量结果，必须将量仪的读数线尺安放在被测尺寸的延长线上。

精度低的原因：游标卡尺测头及读数线尺移动的导轨有直线度误差，由于测头与读数线尺不沿同一条直线布置，当量仪沿导轨移动时，测头与读数线尺的移动距离不相同从而引起的误差，它不符合阿贝原则。

第七章机械产品设计中几个主要技术问题
1.疲劳：零件在循环应力和循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹和发生断裂的过程。

2.疲劳破坏破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹的扩展、失稳断裂。

3.疲劳破坏的特点：①疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏,疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度B,而且可能低于屈服极限S②疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数③零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形,其断裂方式类似于脆性断裂④疲劳断口上明显的分为两个区域。

4.影响疲劳强度的因素：应力集中的影响、尺寸效应、表面状态的影响。

6.现行的疲劳设计主要有以下几种：名义应力疲劳设计法（无限、有限寿命设计法）、局部应力应变分析法、损伤容限设计法、疲劳可靠性设计。

7.一个零件的磨损过程大致可分为哪三个阶段？并结合磨损量特性曲线图说明。

1）磨合阶段磨合（跑合）：是指新的零件在运转初期的磨损，磨损率较高。

新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。

2）稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。

这一阶段的长短直接影响机器的寿命。

3）剧烈磨损阶段零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，表面形状和尺寸有较大的改变，破坏了原有的间隙和润滑性质，使效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。

8.低周疲劳概念及特点是什么？（在循环加载过程中，当应力水平很高，应力锋值接近或高于屈服强度而进入塑性区时，每一应力循环有少量塑性变形，呈现滞后回线，以至循环次数很低时就产生疲劳破坏；特点：应力水平高、循坏次数少、应变在疲劳破坏中起主要作用、断裂寿命的变化对循环应力的高低已不敏感）
9.滑动摩擦的机理：机械理论、分子理论、机械—分子理论、粘着理论。

10.滚动摩擦的机理：微观滑移、弹性滞后、弹性变形、粘着效应。

11.磨损的机理：粘着磨损机制、磨粒磨损机制、表面疲劳磨损机制、腐蚀磨损、微动磨损。

12：表征磨损的指标：磨损量、磨损率、耐磨性、相对耐磨性。

13.减少磨损的途径：改善设计、提高加工和装配质量，采用性能良好的润滑系统，选用适应不同要求的材料和对材料进行表面处理。

14.常用的可靠性指标有：可靠度、失效率、平均寿命、维修度、有效度、可靠寿命。

15.人机工程学就是研究人——机器——环境所组成系统的三要素以及相互关系。

16，在人体运动中，肌肉产生两种效应：动态肌肉效应、静态肌肉效应。

17.从人体力学考虑人机学设计：①避免造成静态施力的不自然姿势②尽量避免使身体各部位承受力矩性载荷③应使操作者能经常变换姿势，减轻疲劳④尽量减少肌肉担负的实际载荷⑤减少静态施力的频率和周期⑥设计新结构，降低肌肉的静态载荷。

18.衡量人机系统的质量及协调性的指标：反应时间周期T 、精度Ps 、可靠度Ks。

19.摩擦学研究的范围？（研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联领域的科学与技术问题的结合学科） 20.机械零件的磨损大体分哪五种类型？（粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损）
第八章机械产品的商品化设计
1.产品实体：提供给消费者的效用和利益；产品形式：质量、品种、花色、款式、规格及商品包装等；产品延伸：附加部分如维修、咨询服务、交货安排等。

2.企业的商品化总体战略：销售、经营、设计。