机械设计基础教材

第一章机械设计概述第一节本课程的性质和研究对象一、课程概述机械设计是根据社会需求所提出的机械设计任务，综合应用当代各种先进技术成果，运用各种适用的设计方法，设计出满足使用要求，技术先进、经济合理、外形美观、综合性能好，并能集中反映先进生产力的产品；也可能是在原有的机械设备基础上作局部改进，以优化结构，增大机械的工作能力，提高效率，降低能耗，减少污染等，这些都是机械设计范畴应该考虑的问题。

机械设计是一门综合的技术，是一项复杂、细致和科学性很强的工作，涉及许多方面，要设计出合格的产品，必须兼顾众多因素。

下面简述几个与机械设计有关的基本问题。

1、机械设计应满足的基本要求使用要求——具有可靠稳定的工作性能，达到设计要求。

使用要求包括功能要求和可靠性要求。

经济要求——要达到机器本身成本低，用该机器生产的产品成本也要低。

外观要求——保证人身安全，操作方便、省力。

此外还有：噪音、起重、运输、卫生、防腐蚀、防冻等方面的要求。

二、机械零件的失效形式和设计准则1、零件的失效形式失效——零件失去设计时指定的效能称为零件失效。

失效和破坏不是一回事，失效并不等于破坏，也就是说有些零件理论上是失效了，如齿轮的齿面点蚀、胶合、磨损等失效形式出现后，零件还可以工作，只不过是工作的状况不如原来的好，可能会出现噪声等。

一般情况下零件破坏后就不能再工作了，也可以说破坏是绝对的失效，如齿轮的轮齿折断是失效，也是破坏。

2、常见的零件失效形式有：强度失效、刚度失效、磨损、失稳和其他。

具体的失效形式有①整体断裂；②过大的残余变形；③零件表面破坏（腐蚀、磨损、接触疲劳）。

失效尤以腐蚀、磨损、疲劳破坏为主（有资料介绍再1378项机械零件的失效中，腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%断裂仅占4.79%）。

三、本课程的基本要求和学习方法1、本课程的基本要求本课程的任务是使学员掌握常用机构和通用零件的基本理论和基本知识，初步具有分析、设计能力，并获得必要的基本技能训练，同时培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。

通过本课程的教学，应使学生达到下列基本要求：（1）熟悉常用机构的组成、工作原理及其特点，掌握通用机构的分析和设计的基本方法。

（2）熟悉通用机械零件的工作原理、结构及其特点，掌握通用机械零件的选用和设计的基本方法。

（3）具有对机构分析设计和零件设计计算的能力，并具有运用机械设计手册、图册及标准等有关技术资料的能力。

（4）具有综合运用所学知识和实践的技能，设计简单机械和简单传动装置的能力。

2、本课程的学习方法本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。

因此，学员在学习过程中，必须多观察、细思考、勤练习、常总结。

观察生活、生产中遇到的各种机械，熟悉典型结构，增强感性认识；思考明晰本课程的基本概念，注意各种知识的联系，融会贯通；勤练基本技能，提高分析能力和综合能力；及时总结、消化掌握课程内容，归纳学到的各种技术方法。

特别应注重实践能力和创新精神的培养，提高全面素质和综合职业能力。

四、本课程的学习内容和任务本课程的基本内容可分为机械原理和机械零件设计两大部分，是综合应用各先修课程的基础理论知识，结合生产实践知识，研究机械中的常见机构和一般工作条件下的常用参数范围内的通用零、部件，研究其工作原理、特点、应用、结构和基本设计理论、基本计算方法，研究机械设计的一般原则和设计步骤，研究常用零部件的选用和维护等共性问题。

因此，本课程是工科类各专业一门重要的技术基础课，起着“理论过渡到实际、从基础过渡到专业“的承前启后的桥梁作用。

通过本课程的学习和实践性训练，要求达到：1、了解使用、维护和管理常用机械设备的一些基础知识。

2、初步掌握常用机构的性能、应用场合、使用维护等基础知识。

3、具备正确选择常用机械零件的类型、代号等基础知识。

4、初步具备机械设计传动的运用手册设计简单机械的能力。

第二节平面机构的自由度一、机构的组成1.1 运动副的概念1.运动副当由构件组成机构时，为了使各构件间具有一定的相对运动，需要以一定的方式把各个构件彼此联接起来，而且每个构件至少必须与另一构件相联接。

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。

如轴1与轴承2的配合(图15-1a)，齿轮1与齿轮2的轮齿间的啮合(图15-1b)，滑块2与导轨1的接触(图15-1c)等等，就都构成了运动副。

(a) (b) (c)图 1-12.运动副分类运动副根据两构件间的接触特性可分为高副和低副。

高副指两构件通过点接触或线接触组成的运动副，如图1-2中齿轮1与2、凸轮3与从动杆4、车轮5与轨道6分别在A处组成高副。

这时，两构件的相对运动是绕A点的转动和沿切线方向的移动，而沿法线方向的移动被运动副限制了。

低副指两构件通过面接触组成的运动副，如图1-3所示。

图1-2 高副(a) 移动副 (b) 转动副图1-3 低副运动副还常根据构成运动副的两构件之间的相对运动的不同来分类。

如图1-4所示,把相对运动为移动的运动副称为移动副，两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动副，相对运动为齿轮啮合的运动副称为齿轮副，相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副，相对运动为球面运动的运动副称为球面副等等。

此外，运动副根据的两构件之间的相对运动为平面运动还是空间运动分为平面运动副和空间运动副。

图1-4 运动副1.2 自由度和运动副约束如图1-5所示，设有任意两个构件，当构件1尚未与构件2构成运动副之前，即构件1相对于构件2共有6个相对独立的运动。

构件的这种独立运动的可能性称为构件的自由度。

可见，空间自由运动的构件具有6个自由度，而作平面自由运动的构件具有3个自由度。

若将两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的限制，这种限制称为运动副约束。

自由度将因运动副引入的约束而减少，而且其减少的数目就等于其引入的约束数目。

如高副约束了构件的一种相对独立运动，低副约束了构件的两种相对独立运动。

图1-51.3运动链和机构组成机构的各构件是通过相应的运动副而彼此相联的。

我们把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统称为运动链。

如果运动链的各构件构成了首末封闭的系统，如图1-6a、b所示，则称为闭式运动链，或简称闭链。

反之，如运动链的构件未构成首末封闭的系统，如图1-6c、d所示，则称为开式运动链，或简称开链。

在各种机械中，一般采用闭链。

（a）（b）（c）（d）图1-6 运动链在运动链中，如果将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链便成为机构。

机构中的其余构件均相对于机架而运动。

机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件；而其余活动构件则称为从动件，从动件的运动规律由原动件的运动规律决定。

二、平面机构的运动简图2.1 机构运动简图的概念实际机构的外形和结构都很复杂。

为了便于分析和设计，通常不考虑构件的外形、截面尺寸以及运动副的实际结构，而用简单的线条和规定的符号表示构件（图1-7）和运动副（图1-4），并按一定的比例画出各运动副间的相对运动关系的简图称为机构运动简图。

(a) (b) (c) (d) (e)三、平面机构的自由度3.1 平面机构自由度的计算平面机构自由度是指平面机构具有独立运动参数的数目。

设某平面机构有n个活动构件，有PL个低副和PH个高副。

因一个没有受任何约束的构件有3个自由度，一个低副有两个约束，一个高副带来一个约束，因此，机构自由度F可按下式计算F=3n-2PL-PH (1-1)例1-1试计算图1-9所示铰链四杆机构的自由度。

解：此机构有3个活动构件(构件1、2、3)、4个低副(转动副A、B、C、D)，没有高副。

按式(1-1)求得机构自由度为F=3n-2P L-P H=3×3-2×4-0=1图1-93.2 计算机构自由度的注意事项使用式(1-1)计算机构自由度时，对于下列情况应给予注意、处理，才能使计算结果与实际一致。

1．复合铰链图1-10a为三个构件在A处组成转动副。

由俯视图1-10b中可以看出，A处实际上存在两个转动副。

这种由两个以上的构件在一处组成的转动副，称为复合铰链，其转动副的数目应是在该处汇交构件(包括固定件)的数目减1。

（a）（b）图1-10 复合铰链2．局部自由度图1-1la所示的凸轮机构中，在从动件3的端部装有滚子2，滚子的作用是将B处的滑动摩擦变为滚动摩擦，减少功率损耗，降低磨损。

由F=3n-2P L-P H=3×3-2×3-1=2可知，凸轮机构有两种独立的运动，这与实践相矛盾。

如图1-11b所示，设想将滚子2与安装滚子的构件3焊成一体，此时， n=2，P L=2，P H=1 凸轮机构的自由度为F=3×2-2×2-1=1，计算结果与实际情况相符。

可见滚子绕C轴转动的自由度对从动件3的运动没有影响。

这种不影响整个机构运动的、局部的独立运动称为局部自由度。

计算机构自由度时，应将局部自由度除去不计。

否则计算结果与实际情况不相符。

（a）（b）图1-11 凸轮机构3．虚约束图l5-12a所示缝纫机刺布机构，上下两个移动副D和D/同时约束针杆的上下移动，其约束效果与图1-12b一样。

移动副D/对机构的运动只起重复限制的作用。

这种起重复限制作用的约束称为虚约束。

在计算机构自由度时，虚约束应当除去。

否则计算结果与实际情况不相符。

图1-12b中， n=3，P L=4，P H=0，得F=3×3-2×4-0=1。

（a）（ b）图1-l 2 缝纫机刺布机构中移动副导路重合平面机构的虚约束常出现于下列情况中：(1)被联接件上点的轨迹与机构上联接点的轨迹重合时，这种联接将出现虚约束，如图1-13所示。

(2)机构运动时，如果两构件上两点间的距离始终保持不变，将此两点用构件和运动副联接，则会带进虚约束，如图1-14所示的A、B两点。

(3)如果两个构件组成的移动副（图1-12）相互平行，或两个构件组成多个轴线重合的转动副时，如图1-1所示，只需考虑其中一处，其余各处带进的约束均为虚约束。

4)机构中起重复作用的对称部分是虚约束。

如图1-16所示的行星轮系中，由与中心完全对称的三部分组成，每一部分的作用相同。

因此，可以认为其中两个部分的约束为虚约束。

图1-13 图1-14图1-15 图1-16 行星轮系虚约束虽然对机构的运动没有影响，但可以改善机构的受力情况，增加构件的刚度。

虚约束是在特定的几何条件下存在的，否则，虚约束将会变为实际约束，并将阻碍机构的正常运动1.3.3 机构具有确定运动的条件由图1-9可知，原动件每给定一个值，从动件2、3便有一个确定的位置。

可见，自由度为1的机构在具有一个原动件时，运动是确定的。

图1-17所示为铰链五杆机构，自由度F=3×4-2×5-O=2。