《机械设计基础》第1章
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陈立德第五版-机械设计基础 第1章机械设计概述
在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。
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:
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:
机械设计基础第1章
两个以上的构件同时在一处用 回转副相连就构成复合铰链。
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
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》第五版自由度
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1 =1
C A
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 = 1
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－ 1 = 1
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
2 机构具有确定运动的条件
如图所示的平面三构件运动链，其自由度
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
机械设计基础 —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、机构自由度的计算。 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、复合铰链、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
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
平面副
y y x
n n
o
x
o
t
t
t n
低副：转动副、移动副 (面接触)
高副：齿轮副、凸轮副(点、 线接触)
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
空间副
了解
高副：点、线接触
球面副
螺旋副
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
三、运动链和机构
接触形式: 点、线、面
y
o
x
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
运动副分类
按接触形式分类
按相对运动分类
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
按接触形式分类：
接触形式: 点、线、面 低副：面接触 高副：点、线接触
《机械设计基础》课件 第1章 平面机构的自由度和速度分析
机构运动简图和原机构具有相同的运动特性。
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
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
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。
机械设计基础第章运动简图
平面高副
两构件通过点或线接触组成的运动副称
为高副。 图1-3a)中的车轮与钢轨、图b)中凸轮
与从动件、图c)中轮齿1与轮齿2分别在
接触点处组成高副。
第四页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
§1-2 机械系统的运动简图设计
实际构件的外形和结构往往很复杂，在 研究机械运动时，为简化问题，有必要撇开 那些与运动无关的构件外形和运动副的具体 构造，仅用简单线条和规定符号来表示构件 和运动副，并按比例定出各运动副的位置。 这种说明机构各构件间相对运动关系的简化 图形，称为机构运动简图。
= 3×2-2×2-1=1
第二十五页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
局部自由度
局部自由度 — 与输出构件运动无关的 自由度。
不难看出，在这个机构中，无论滚子是否 转动或转动快慢，滚子中心的运动规律 (即输出构件的运动规律)都不会受到影响。
可设想将滚子与推杆（输出构件）焊成 一体(转动副也随之消失)。
第九页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
例：试绘制内燃机的机构运动简图
解：1）分析运动，确定构件的
类型和数量
进气阀3
2）确定运动副的类型和数
目
3）选取比例尺，根据机
构运动尺寸，定出各运动副间的 相对位置
活塞2 顶杆8 连杆5
曲轴6
4）画出各运动副和机构 符号，并表示出各构件
齿轮 10
排气阀 4气缸体 1
第三十页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
例3：牛头刨床主体机构
F=3n－2Pl －Ph =3×6－2×8－1=1
第三十一页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
小结
第三十二页，编辑于星期五：十一点 三十七分。
机械设计基础(第六版)第一章 平面机构的自由度和速度分析
Y S
A
O
X
§1-3 平面机构的自由度
二、平面机构自由度计算公式
1. 运动副对构件自由度的影响 （1）一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。 （2）引入一个转动副约束了构件两个自由度，引入一个
移动副也约束了构件的两个自由度。 （3）引入一个高副约束了构件的一个自由度。
2. 平面机构自由度计算公式
例如：齿轮机构、凸轮机构
1个
1个或几个
若干
机构的组成： 机构＝机架＋原动件＋从动件
§1-2 平面机构运动简图及其画法
忽略构件具体的结构和形状，用简单的线条和符号来 表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。 这种说明机构各构件间相对运动关系的简化图形，称 为机构运动简图。机构运动简图不仅能充分表示出机 构的传动原理，而且还能表示出机构上各有关点的运 动特性（S，v，a）。 不同运动副的表示形式见教材P8的图1-6，图1-7。
机构自由度计算举例
例4:如图所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。 计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚 约束请标出）。
虚约束 I
8 J
9
K 11
复合铰链
H
局部自由度
7
G
6
B
10
C
1
2
A
L
E 3D
4
F
解: n = 8 ; PL = 11; PH = 1
5
F = 3n − 2PL − PH
度沿切线方向，其瞬心应位于过接触点的公法线上，具体 位置还要根据其他条件才能确定；
6.利用三心定理求瞬心。
vA1A2
1
2
B2(B1)
A1(A2)
A
O
X
§1-3 平面机构的自由度
二、平面机构自由度计算公式
1. 运动副对构件自由度的影响 （1）一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。 （2）引入一个转动副约束了构件两个自由度，引入一个
移动副也约束了构件的两个自由度。 （3）引入一个高副约束了构件的一个自由度。
2. 平面机构自由度计算公式
例如：齿轮机构、凸轮机构
1个
1个或几个
若干
机构的组成： 机构＝机架＋原动件＋从动件
§1-2 平面机构运动简图及其画法
忽略构件具体的结构和形状，用简单的线条和符号来 表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。 这种说明机构各构件间相对运动关系的简化图形，称 为机构运动简图。机构运动简图不仅能充分表示出机 构的传动原理，而且还能表示出机构上各有关点的运 动特性（S，v，a）。 不同运动副的表示形式见教材P8的图1-6，图1-7。
机构自由度计算举例
例4:如图所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。 计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚 约束请标出）。
虚约束 I
8 J
9
K 11
复合铰链
H
局部自由度
7
G
6
B
10
C
1
2
A
L
E 3D
4
F
解: n = 8 ; PL = 11; PH = 1
5
F = 3n − 2PL − PH
度沿切线方向，其瞬心应位于过接触点的公法线上，具体 位置还要根据其他条件才能确定；
6.利用三心定理求瞬心。
vA1A2
1
2
B2(B1)
A1(A2)
《机械设计基础》复习重点、要点总结
《机械设计基础》
第1章 机械设计概论
复习重点
1.机械零件常见的失效形式
2.机械设计中，主要的设计准则
习题
1-1机械零件常见的失效形式有哪些？
1—2在机械设计中，主要的设计准则有哪些？
1-3在机械设计中，选用材料的依据是什么？
第2章 润滑与密封概述
复习重点
1。摩擦的四种状态
2。常用润滑剂的性能
习题
2—1摩擦可分哪几类？各有何特点?
松边拉力=F3+F2（F2--—离心拉力F2=qv2；F3-—-张紧力或悬垂拉力）
紧边拉力=F3+F2+F1（F1--—有效工作拉力，F1=1000P/V KW)
注意与带的区别：⑴初拉力F3没有再变大或变小，∵链板之间可以相对转动，∴不像带有伸长收缩的明显改变.
⑵没有弯曲应力σb∵链包在链轮上,链板可以自由转动,∴不受弯曲应力.
销轴与外链板、套筒与内链板为过盈配合。
另外：内、外链板之间留有一定间隙,以便润滑油渗入到铰链的摩擦面间.
内、外链板均制成“∞”型。（从减轻重量和等强度两方面考虑）
链的排数：一般不超过4排.
连结数通常取偶数(∵接头方便,无过渡链节)
②链条的参数与标记：参数已标准化，分A、B系列。表11—1给出了A系列的一些参数。
3、标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算
4。齿轮传动的失效形式
5.齿轮传动中的受力分析（齿轮的转向及轮齿旋向分析）
11.1齿轮机构的类型
齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线间的相互位置、齿向和啮合情况不同，齿轮机构可分为以下几种基本类型，如表11—1所示。
表11-1齿轮机构的类型
齿轮机构
平行轴传动
外啮合齿轮
第1章 机械设计概论
复习重点
1.机械零件常见的失效形式
2.机械设计中，主要的设计准则
习题
1-1机械零件常见的失效形式有哪些？
1—2在机械设计中，主要的设计准则有哪些？
1-3在机械设计中，选用材料的依据是什么？
第2章 润滑与密封概述
复习重点
1。摩擦的四种状态
2。常用润滑剂的性能
习题
2—1摩擦可分哪几类？各有何特点?
松边拉力=F3+F2（F2--—离心拉力F2=qv2；F3-—-张紧力或悬垂拉力）
紧边拉力=F3+F2+F1（F1--—有效工作拉力，F1=1000P/V KW)
注意与带的区别：⑴初拉力F3没有再变大或变小，∵链板之间可以相对转动，∴不像带有伸长收缩的明显改变.
⑵没有弯曲应力σb∵链包在链轮上,链板可以自由转动,∴不受弯曲应力.
销轴与外链板、套筒与内链板为过盈配合。
另外：内、外链板之间留有一定间隙,以便润滑油渗入到铰链的摩擦面间.
内、外链板均制成“∞”型。（从减轻重量和等强度两方面考虑）
链的排数：一般不超过4排.
连结数通常取偶数(∵接头方便,无过渡链节)
②链条的参数与标记：参数已标准化，分A、B系列。表11—1给出了A系列的一些参数。
3、标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算
4。齿轮传动的失效形式
5.齿轮传动中的受力分析（齿轮的转向及轮齿旋向分析）
11.1齿轮机构的类型
齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线间的相互位置、齿向和啮合情况不同，齿轮机构可分为以下几种基本类型，如表11—1所示。
表11-1齿轮机构的类型
齿轮机构
平行轴传动
外啮合齿轮
机械设计基础第1章
第一章概论§1.1 本课程研究的对象、内容一、机械设计基础课程的重要性：工业生产中，机械工程科学是最基本的技术科学之一，机械设计学科又是机械工程科学的基础。
二、本课程的研究对象：机械：是机器和机构的总称。
举例：内燃机，课本图1.1 机器包含三种机构：曲柄滑块机构，将活塞的往复移动转化为曲柄的连续转动；齿轮机构，改变转速大小和转向；凸轮机构，将凸轮的连续转动转变为推杆往复移动。
1. 机器与机构：机器可视为若干机构的组合机器：既能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。
如内燃机——转换能量；车床——实现确定的机械运动，又作有用的机械功；机械手——传递物料；照相机——传递信息机构：仅能传递运动和动力。
如齿轮机构——传递运动；摇头风扇—连杆机构；齿轮机构；凸轮机构——转换运动2、机器的特征（共性）1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统2）各实物间具有确定的相对运动如：活塞—缸体：往复运动；曲轴—缸体：转动；连杆—曲轴：摆动；刨头—床身：往复直线3）实现能量转换或完成有效的机械功如：内燃机：热能→机械能；发电机：机械能→电能；电动机：电能→机械能具有以上三个特征——机器；只具有机器的前两个特征——机构如：牛头刨主体机构：把回转运动→直线运动——作机械功凸轮机构（配气机构）：把回转→直线运动——作机械功曲柄滑块机构：将活塞的直线运动→曲柄的回转运动可见，机器与机构的关系：机器是由一种或多种机构组成的。
机构仅考虑运动问题，不考虑能量问题。
3、构件和零件构件：组成机器的各个相对运动的实物。
是机构的基本运动单元，由一个或几个零件组成如：单一零件——曲轴，多个零件的刚性组合——连杆零件是组成机器最基本的单元，机械中不可拆的制造单元体。
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、螺栓等构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。
机械设计基础第一章摩擦
Ff Fmax , M f M max , 若 F 再增大, 圆柱体开始滚动
实验证明：
F
G
O B Ff
FR
FN
Mmax FN 其中 称为滚阻系数, 量纲为长度单位, 其
物理意义是将摩擦力简化为纯主矢时, 简化中心B 到 A点的距离, 与接触物体的性质有关
滚动阻力偶 M f是由于轮轨接触变形而形成
说明: α是静摩擦力取值 范围的几何表示。
0 ≤ Fs≤Fmax
与 0 α 等价
2、自锁现象：
考察平面－物块的运动趋 势：
FQ
当时：
主动力作用线位于 摩擦角范围内时，不 管主动力多大，物体 都保持平衡，这种现 象称为自锁。
当时：
主动力作用线位于摩擦 角范围以外时，物体将 发生运动。
当=时：
主动力作用线与 法线之间的夹角等于 摩擦角时物体处于临 界状态。
当时：
当时：
物块静止（自锁） 物块滑动
当=时：
平衡与运动 的临界状态
四、考虑摩擦时物体的平衡问题
考虑摩擦时，求解物体平衡问题的步骤与前面所讲大致相 同，但是应该注意：
1、分析物体受力时，必须考虑接触面间切向的摩擦力Fs， 通常增加了未知数量的个数；
n
Fiy 0
i1
Qmax sin FN P cos 0
由 F2max fs FN
Qmax
sin cos
fs cos fs sin
P
故力Q应满足的条件为：
sin fS cos P Q sin fS cos P
cos fS sin
cos fS sin
B
例2 梯子AB长为2a，重为P，其一端置于水
Fmax fs FN
实验证明：
F
G
O B Ff
FR
FN
Mmax FN 其中 称为滚阻系数, 量纲为长度单位, 其
物理意义是将摩擦力简化为纯主矢时, 简化中心B 到 A点的距离, 与接触物体的性质有关
滚动阻力偶 M f是由于轮轨接触变形而形成
说明: α是静摩擦力取值 范围的几何表示。
0 ≤ Fs≤Fmax
与 0 α 等价
2、自锁现象：
考察平面－物块的运动趋 势：
FQ
当时：
主动力作用线位于 摩擦角范围内时，不 管主动力多大，物体 都保持平衡，这种现 象称为自锁。
当时：
主动力作用线位于摩擦 角范围以外时，物体将 发生运动。
当=时：
主动力作用线与 法线之间的夹角等于 摩擦角时物体处于临 界状态。
当时：
当时：
物块静止（自锁） 物块滑动
当=时：
平衡与运动 的临界状态
四、考虑摩擦时物体的平衡问题
考虑摩擦时，求解物体平衡问题的步骤与前面所讲大致相 同，但是应该注意：
1、分析物体受力时，必须考虑接触面间切向的摩擦力Fs， 通常增加了未知数量的个数；
n
Fiy 0
i1
Qmax sin FN P cos 0
由 F2max fs FN
Qmax
sin cos
fs cos fs sin
P
故力Q应满足的条件为：
sin fS cos P Q sin fS cos P
cos fS sin
cos fS sin
B
例2 梯子AB长为2a，重为P，其一端置于水
Fmax fs FN
机械设计基础课件 第1章 物体的受力分析与平衡
21
1.1.3 物体的受力分析与受力图
（3）取整体为研究对象 由于铰链C处所受的力FC、 FC 为作用与反作用关系，这些力成对地出 现在整个系统内，称为系统内力。内力 对系统的作用相互抵消，因此可以除去 ，并不影响整个系统平衡，故内力在整 个系统的受力图上不必画出，也不能画 出。在受力图上只需画出系统以外的物 体对系统的作用力，这种力称为外力。
作用于圆柱销上有重力G，杆AB和AC的反力FAB和FAB; 因杆AB和AC均为二力杆，指向 暂假设如图示。圆柱销受力如图所示，显然这是一个平面汇交的平衡力系。
（2）列平衡方程
Fx 0 : FAB FAC cos60 0 F 0 : F sin 60 G 0 y AC
y
G E
FRx Fx1 Fx 2 Fx 3 Fx
FRy Fy1 Fy 2 Fy 3 Fy
Fry
Fy2 D Fy3 Fy1 F3 A F2
C
FR
α FR1
F1 B
合力投影定理:
合力在某轴上的投影，等于各 分力在同一轴上投影的代数和。
FR = F + F = tan Fy Fx
1.力在坐标轴上的投影 2.力的合成、合力投影定理
FR1 F1 F2 FR FR1 F3 F1 F2 F3 FRx ab gb ab ( ge be )
ab be ge
ab ac ad
o x
d Fx3 a c Fx2 Fx1 g b e
2.力系 是指作用在物体上的一组力的集合
5
1.1 基本概念和物体的受力分析
3.静力学公理
公理1：力的平行四边形法则 作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力的 大小和方向由这两力为边构成的平行四边形的对角线来表示。
1.1.3 物体的受力分析与受力图
（3）取整体为研究对象 由于铰链C处所受的力FC、 FC 为作用与反作用关系，这些力成对地出 现在整个系统内，称为系统内力。内力 对系统的作用相互抵消，因此可以除去 ，并不影响整个系统平衡，故内力在整 个系统的受力图上不必画出，也不能画 出。在受力图上只需画出系统以外的物 体对系统的作用力，这种力称为外力。
作用于圆柱销上有重力G，杆AB和AC的反力FAB和FAB; 因杆AB和AC均为二力杆，指向 暂假设如图示。圆柱销受力如图所示，显然这是一个平面汇交的平衡力系。
（2）列平衡方程
Fx 0 : FAB FAC cos60 0 F 0 : F sin 60 G 0 y AC
y
G E
FRx Fx1 Fx 2 Fx 3 Fx
FRy Fy1 Fy 2 Fy 3 Fy
Fry
Fy2 D Fy3 Fy1 F3 A F2
C
FR
α FR1
F1 B
合力投影定理:
合力在某轴上的投影，等于各 分力在同一轴上投影的代数和。
FR = F + F = tan Fy Fx
1.力在坐标轴上的投影 2.力的合成、合力投影定理
FR1 F1 F2 FR FR1 F3 F1 F2 F3 FRx ab gb ab ( ge be )
ab be ge
ab ac ad
o x
d Fx3 a c Fx2 Fx1 g b e
2.力系 是指作用在物体上的一组力的集合
5
1.1 基本概念和物体的受力分析
3.静力学公理
公理1：力的平行四边形法则 作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力的 大小和方向由这两力为边构成的平行四边形的对角线来表示。
机械设计基础 第一章
其他部分———减速器等。
1.2.2 本课程的学习方法
本课程综合运用了工程力学、金属工艺学、机械制图、 公差配合等先修基础课程知识，解决常用机构及通用零部件 的设计问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，因此学 生在学习本课程时必须在学习方法上有所改变。
1.3 机械设计的基本要求及一般过程
1.3.1 机械设计的基本要求
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的 第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
1.1 本课程的研究对象
在学习本课程之前,我们首先要了解一些基础知识，如机 器、机构、机械、零件、部件和构件等，这些基础知识也是本 课程的研究对象。
1.1.1 引言
在我国，机械的创造、发展及其使用有着悠久的历史。 三千年前出现了简单的纺织机，两千年前已将绳轮、凸轮、 连杆机构等用于生产中。汉代以后的指南车及记里鼓车中利 用了齿轮和齿轮系传动。
注重产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而 且外型美观、实用，使产品在市场上具有竞争力。
1.3.2 机械设计的一般过程
机械设计是一项创造性工作，需要考 虑的因素较多，解答的方案也不止一个。 下面简要介绍机械产品设计的一般过程。
1. 产品规划
通常，设计者在深入调查研究的基础上，根据社会、市 场的需求确定所设计机器的功能范围和性能指标；根据现有 的技术、资料及研究成果分析其实现的可能性，明确设计中 要解决的关键性问题；拟定设计工作计划和设计任务书。
1.4 机械零件设计的基本要求及一般方法
1.4.1 机械零件设计的基本要求
设计零件时应满足的基本要求是从设计机器 的要求中提出来的，一般概括为以下两点:
使用要求 01
设计的零件应 在预定的使用寿命 周期内按规定的工 作条件可靠地工作。
机械设计基础陈云飞第一章_平面机构的自由度讲解
解：
(a) F =3×7-2×9-2＝1 (b) F =3×4-2×4-2＝2
例、计算大筛机构的自由度 解： Ｆ＝３ｎ－２ＰL－ＰH ＝３×7－２×9－ 1 ＝2
例、计算直线机构的自由度
解： Ｆ＝３ｎ－２ＰL－ＰH ＝３×7－２×10－ ０ ＝1
本章小结
1、自由度的概念、运动副的分类 2、平面机构的运动简图的概念及画法 3、机构自由度的计算公式 4、计算自由度注意事项
4
1原动件
构安装在运动的机械上时则是运动的。 原动件——按给定已知运动规律
机架 平面铰链四杆机构
独立运动的构件；常以转向箭头表示。 原动件
从动件 ——机构中其余活动构件。
2
其运动规律决定于原动件的运动规律 和机构的结构及构件的尺寸。
3 从动件 1
机构常分为平面机构和空间机构 机架
4
两类，其中平面机构应用最为广泛。
计算平面机构的自由度应注意的事项(2/3)
2. 复合铰链
两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成复合铰链。 m 个构件在同一处构成转动副(在机构运动简图上显现为1个转 动副)，但该处的实际转动副数目为（m-1）个。
计算平面机构的自由度应注意的事项(3/3)
3. 虚约束 对机构运动实际上不起限 制作用的约束称为虚约束。 (a) AB、CD、EF平行且相等 (b)平行导路多处移动副 (c)同轴多处转动副 (d) AB=BC=BD且A在D、C 轨 迹交点 (e)两构件上两点始终等距 (f)轨迹重合 (g)全同的多个行星轮 (h)等径凸轮的两处高副 (i) 等宽凸轮的两处高副
计 算
计算如图所示双曲线画规机构和牛头刨床机构的
实
自由度。
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机械是机器和机构的总称。
常用机构：机器中广泛应用的机构。 如：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机 构。
凸轮机构
齿轮机构
间歇运动机构 连杆机构
二、构件和零件
构件：组成机器的若干个运动的实物。
单一零件——曲轴
多个零件的刚性组合——连杆
零件：机械中不可拆的制造单元体。
构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。
（2）执行部分：完成机械预定功能的部分。
（3）传动部分：把动力部分的运动和动力传递给执 行部分。 （4）控制部分：使操作者能随时实现或终止机器各 种预定功能的部分。
2.机 构
机构是用来传递运动和力；有一个构件为机架； 用运动副连接起来
机构主要用来传递或变换运动。
机器主要用来完成有用的机械功或转换机械能。
（A、B、C 三点不得共线）
如何求力系合力？
同在xOy平面内的六个力如图所示， 大小分别为F1=10N，F2=20 N， F3=12N，F4=10 N，F5=30N， F6=12N，求合力的大小。
第一步：将力投射到xy轴上
如何求力系合力？
第二步：分别求各力在X和Y轴上的值
如何求力系合力？
第三步：求合力（注意方向）
为研究对象。
2）以内力代替另一部分对研究对象的作用。 3）对研究对象列出平衡方程，求解内力。
应力概念—单位面积上所受的内力
应力描述了内力在横截面上的分布情况和密集程度，可以判 断构件强度
[例] 图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为5F、8F、4F、 1F 的力，方向如图，试画出杆的轴力图。 O A FA FN1 A B FB B C FC C D FD D
扳手
螺丝起子
钳子
（一）机器和机构
1.机 器
具有以下三个特征的实物组合体称为机器。 （1）都是人为的各种实物的组合。 （2）组成机器的各种实物间具有确定的相对运动。 （3）可代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功或转
换机械能。
根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成：
（1）动力部分：机械的动力来源。
以减少刀具和量具的规格。
（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。
五、设计机器的一般过程和主要内容：
（1）设计任务的研究和制定:主要是提出设计任务和明 确设计要求，并拟定计划。
（2）方案设计：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。 （3）总体设计：根据方案设计得到最佳方案。
F F
轴向压缩，对应的力称为压力。
F
为简单起见，也可以把拉压杆用一条粗直线表示
F F
F F
2、内力及横截面上的应力
内力概念--由于外力作用而引起的杆件内部相互作用力
的改变，称为附加内力，简称内力
截面法-求内力的方法是截面法。
F
1 1
F
F
（2）
1 FN 1
（1）
截面法按其过程可归纳为三个步骤： 1）沿其研究的截面将杆件截为两部分，并取其中一部分 作
A
三、剪切与挤压 剪切应力
计算切应力——平均切应 力 (假定剪切面上切应力 是均匀分布的)
FS τ AS
剪切强度条件
FS τ [τ ] AS
挤压
挤压力----作用在承压面上的压力称为挤压力。 挤压应力-----在承压面上由于挤压作用而引起的 应力称为挤压应力。 计算挤压面------承压面在垂直于挤压力方向 的平面上的投影。 F
失效形式 塑形变形 弹性变形 工作表面失效 ……
机械零件的设计计算准则
同一零件对于不同失效形式的承载能力各不相
同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定 条件，称为设计计算准则。 五大准则
*强度准则（基本要求）
工作应力不超过零件的许用应力
或
二、机械设计应满足的基本要求
5.热处理工艺性能
§4 机械零件的常用材料
金属材料： 黑色金属：钢、铸铁 有色金属：铜、铝及其合金 工程塑料、橡胶、玻璃、皮 非金属材料：革、木材等
复合材料：
纤维增强塑料、金属陶瓷等
1、钢：含碳量低于2%的铁碳合金。
钢的强度较高，塑性较好制造机件时可以轧制、锻 造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理方法获得高的机 械性能或改善切削性能，因此钢是机械制造中应用最广和极
x轴上有： Fx=F2x+F1-F4x-F5x=30+10-15-15=10N； y轴上有： Fy=F2y+F3+F4y-F6-F5y=10 +12+5 -12-15 =0
故最终合力为Fx=10N；方向沿x轴正方向．
答：合力的大小为10N，方向沿x轴的正方向．
二、轴向拉伸与压缩
1.拉伸与压缩的概念
引入比例常数E，可有
Fl F l EA EA 这一关系称为胡克定律。
许用应力和安全因数
材料的力学性能—材料在外力作用下，表现出来的各种性 能。 1.拉伸和压缩时材料的力学性能：屈服极限、强度极限、延 伸率和断面收缩率 2.极限应力和工作应力 3.许用应力和安全因数
强度计算 为了保证构件具有足够的强度，必须使最大工作应 力不超过许用应力，即满足。
零件可分为两类：
通用零件：各种机械中经常使用的零件
例如：齿轮、轴、螺母、键、弹簧等。
专用零件：只能在一定类型的机械中使用的零件。 例如：活塞、叶片、内燃机中的曲轴等。
§2 机械设计的基本要求和一般程序
一、机械零件的主要失效形式和设计准则 失效：不能正常工作或达不到设计要求时
失效与破坏的区别：失效不意味着破坏
（3）通用化：在不同规格的同类产品或不同类产品中
采用同一 结构和尺寸的零件、部件。
标准化、系列化、通用化统称为“三化”。 采用“三化”的意义如下： （1）减轻设计工作量，以便把主要精力用在关键 零、部件的设计工作上。 （2）便于大规模地集中生产标准零、部件，合理使 用原材料，保证质量和降低制造成本。 （3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可
半径，且与扭矩的转向一致。
max
最大剪应力
M
IP
圆轴扭转的强度计算
强度条件：
M
Wt
其中容许剪应力[]是由扭转时材料的极限剪应力除以安全系
数得到。
五、弯曲 弯曲：构件在通过其轴线的面内，受到力偶或垂直于轴线 的横向外力的作用（受力特点），杆的轴线由直线变为曲 线（变形特点）。
计算式为
bs
bs
挤压强度条件为
Abs Fbs bs bs Abs
四、扭转
扭转变形
外力偶矩计算：
扭矩计算：判断正负方向
圆轴扭转变形
1. 横截面变形后仍为平面，满足平面假设； 2. 轴向无伸缩，横截面上没有正应力； 3. 纵向线变形后仍为平行。
圆轴扭转时的应力 同一截面，扭矩T ，极惯性矩IP 为常量，因此各点剪应 力 的大小与该点到圆心的距离 成正比，方向垂直于圆的
FA
FB
FC
FD
解： 求OA段内力FN1：设置截面如图
X 0
FN1 FA FB FC FD 0
FN1 5F 8F 4F F 0
FN1 2F
同理，求得AB、 BC、CD段内力分 别为：
FN2
B FB FN3
C FC C FC FN4
D FD D FD D
机械设计基础
第一章 机械设计基础概论
§1 机械及其组成 §2 机械设计的基本要求和一般过程
§3 金属材料的性能
§4 机械零件的常用材料 §5 机械零件的力学基础 §6 摩擦磨损及润滑
§1 机械的相关概念
一、什么是机械？
机器和机构统称为机械。 机械是人类在长期的生产实践中产生的。 机械工具的优点：减轻劳动强度、改善劳动条 件、提高劳动生产率。 机械工具举例
当作用在等截面直杆上的外力（或者外力合力）的 作用线和杆轴重合时，杆件的主要变形是轴向拉伸 或者压缩。 经历轴向拉伸（压缩）的等截面直杆称为拉（压） 杆。
轴向拉压的外力特点：外力的合力作用线与杆的轴线重合。 轴向拉压的变形特点：杆的变形主要是轴向伸缩，伴随横向 缩扩。
F
轴向拉伸，对应的力称为拉力。
4、非金属材料： 工程塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、皮革、木材、纸板、 毛毡等
§5 机械零件的力学基础
一、力系
1.平面任意力系 概念：各力的作用线在同一平面内,既不汇交为一点又不相互 平行的力系。
平面任意力系向作用面内一点的简化
F2
F1
F2′
M2
O
F1′
FR′ MO O
O
M1
F3
F3′
M3
O
简化中心
平面汇交力系
l l l l
l
胡克定律
拉压杆的变形量与其所受力之间的关系和材料的性能有关， 并且只能通过实验来获得。对于工程中常用材料制成的拉 压杆，一系列实验证明：当杆内的应力不超过某一极限值 时，杆的伸长△l 与其所受外力F，杆的原长度l 成正比，而 与其横截面积 A 成反比。即
Fl l A
为重要的材料。 2、铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。 铸铁属脆性材料，不能辗压和锻造，不易焊接；但
其熔点较低，流动性好，因此可以铸造出形状复杂的铸件。 灰铸铁： 含碳量 < 1% 球墨铸铁：含碳量 > 1%
3、有色金属： 在工业上，把铁以外的金属统称为有色金属，以有色 金属为主要元素组成的合金称为有色金属合金。 如：铜合金和铝合金等。
平面任意力系平衡方程的形式 （1）基本形式
B A
FR