《机械设计基础》第1章：绪论

机械设计基础课程是研究常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点及基本的设计理论和设计分析的方法,这些知识将通过一些机构和零件进行讲授。

第1章 绪 论

(时间：1次课，2学时)

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第1章 绪 论教学目标： 机械设计基础课程是研究常用机构和通用零部件的工作原 理、结构特点及基本的设计理论和设计分析的方法，这些 知识将通过一些机构和零件进行讲授。 对于一般的机器，我们在日常生活中已有了不同程度的认 识。但是，一部机器是怎样组成的？如何完成既定的功能？ 其中哪些问题与本课程有关？等等。对于这些问题，我们 可以通过对典型机械的分析来认识。 通过本章的学习，要求读者了解本课程研究的内容、性质 和任务。/webnew/

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第1章 绪 论教学重点和难点：机器的组成及其分析方法。 本课程的性质、内容以及学习方法。 机械设计的一般程序。 机械零件设计的一般程序。 机械、机器、机构、构件以及零件的概念。

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第1章 绪 论案例导入： 案例导入：如图1-1所示的是一台自动组装机，由工业编程控制器进行 如图 所示的是一台自动组装机， 所示的是一台自动组装机 控制、安全监测、质量检测、计数的六工位组装机； 控制、安全监测、质量检测、计数的六工位组装机；它可以 根据需要设计相应的夹具及工装，代替人完成装配动作。 根据需要设计相应的夹具及工装，代替人完成装配动作。在 我们的生产、生活中有许许多多的机器， 我们的生产、生活中有许许多多的机器，有哪些内容和机械 设计基础课程有关？如何认识机器、分析机器？这些将要在 设计基础课程有关？如何认识机器、分析机器？ 本书的内容中逐步得到解答。 本书的内容中逐步得到解答。

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第1章 绪 论

图1-1 自动组装机 1—载物工作台；2—PLC控制箱；3—电源；4—气动控制箱；5—信号采集发生器

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第1章 绪 论1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 机器的组成 机械设计的基本要素 机械零件材料选用原则 机械零件的制造工艺性及标准化 本课程的内容、 本课程的内容、性质和任务 实验与实训 习 题/webnew/

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1.1 机器的组成1.1.1 机器的组成和分析 1.1.2 机器的组成要素

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1.1 机器的组成机械制造业为人类提供了日常生活、各行各业生产所需要的机械。 机械制造业为人类提供了日常生活、各行各业生产所需要的机械。机械 能代替、减轻人们的体力劳动和脑力劳动， 能代替、减轻人们的体力劳动和脑力劳动，提高劳动生产率和保证产品 的质量；也只有机械化的生产才能进行严格的分工和科学的管理。因此， 的质量；也只有机械化的生产才能进行严

格的分工和科学的管理。因此， 机械的发展水平也代表了国家工业、科学技术的发展水平。 机械的发展水平也代表了国家工业、科学技术的发展水平。 在装备制造业中，机械设计是第一步，是产品成败的关键。 在装备制造业中，机械设计是第一步，是产品成败的关键。

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1.1.1 机器的组成和分析在如图1-1所示的自动组装机中，各个工位根据设定的程序与动作，通过气动元件和机械运动完成其相 所示的自动组装机中，各个工位根据设定的程序与动作， 在如图 所示的自动组装机中 应的组装功能。载物工作台与各个工位相配合完成严格的协调动作，只有在各工位全部完成装配动作后， 应的组装功能。载物工作台与各个工位相配合完成严格的协调动作，只有在各工位全部完成装配动作后， 由控制发出指令，工作台将转动一个工位后停止，再进行下一个动作的循环。 由控制发出指令，工作台将转动一个工位后停止，再进行下一个动作的循环。图1-2所示为自动组装机 所示为自动组装机 的传动系统图，电机1通过皮带 和变速箱4可以将电机的转速改变 电磁离合器3则可以通过控制自动 通过皮带2和变速箱 可以将电机的转速改变； 的传动系统图，电机 通过皮带 和变速箱 可以将电机的转速改变；电磁离合器 则可以通过控制自动 离合；槽轮机构5把连续的转动运动改变为工作台的间歇运动 链传动6与主运动同步转动带动 把连续的转动运动改变为工作台的间歇运动； 与主运动同步转动带动PLC信 离合；槽轮机构 把连续的转动运动改变为工作台的间歇运动；链传动 与主运动同步转动带动 信 号采集器7,使信息的采集、反馈与机械的转动同步；各工位可根据需要设计结构， 号采集器 ，使信息的采集、反馈与机械的转动同步；各工位可根据需要设计结构，其中一个位置的工 作装置是通过凸轮机构8、齿轮10与齿条 组成，完成一个工位的组装动作；夹具11与工装位置相对应 与齿条9组成 与工装位置相对应， 作装置是通过凸轮机构 、齿轮 与齿条 组成，完成一个工位的组装动作；夹具 与工装位置相对应， 根据需要可以夹持或固定零件。这一系列运动的配合是通过信号的接收、 根据需要可以夹持或固定零件。这一系列运动的配合是通过信号的接收、信息的反馈和控制器的处理来 完成。信息采集发生器通过链传动与工作台的主轴同步转动， 完成。信息采集发生器通过链传动与工作台的主轴同步转动，这样使整机的运动循环可以随机械传动速 度的快慢同步进行。转动速度通过对电机进行变频调速来完成无级变速。 度的快慢同步进行

。转动速度通过对电机进行变频调速来完成无级变速。 如图1-3所示的内燃机由气缸 、活塞 、连杆 、曲轴 、小齿轮 与大齿轮 、凸轮 与顶杆 等组成。 所示的内燃机由气缸1、活塞2、连杆3、曲轴4、小齿轮5与大齿轮 与大齿轮6、凸轮7与顶杆 等组成。 与顶杆8等组成 如图 所示的内燃机由气缸 当内燃机工作时，燃气推动活塞做往复移动，经连杆变为曲轴的连续转动。 当内燃机工作时，燃气推动活塞做往复移动，经连杆变为曲轴的连续转动。凸轮与顶杆用来控制进气和 排气。曲轴经过齿数比为1∶ 的齿轮 的齿轮5与 ，带动凸轮轴转动，使得曲轴每转两周， 排气。曲轴经过齿数比为 ∶2的齿轮 与6,带动凸轮轴转动，使得曲轴每转两周，进、排气门各启闭 一次。这样的协调运动的配合，就把燃气热能转变为曲轴连续旋转的机械能。 一次。这样的协调运动的配合，就把燃气热能转变为曲轴连续旋转的机械能。 从以上两个示意图可以看出，比较复杂的现代化机器中，包含着机械、电气、 液 动 从以上两个示意图可以看出，比较复杂的现代化机器中，包含着机械、电气、气(液)动、控制监测等系 统的部分或全部组成，但是不管多么现代化的机械，在工作过程中都要执行机械运动， 统的部分或全部组成，但是不管多么现代化的机械，在工作过程中都要执行机械运动，进行机械运动的 传递和变换。因此，机械的主体是机械系统。从功能组成分析，机器的基本组成部分有： 传递和变换。因此，机械的主体是机械系统。从功能组成分析，机器的基本组成部分有：原动部分是整 机的驱动部分，如组装机中的电机、压力气源；执行部分是完成机器的预定功能的组成部分， 机的驱动部分，如组装机中的电机、压力气源；执行部分是完成机器的预定功能的组成部分，如组装机 中的夹具、工装；传动部分完成运动形式、运动及动力参数的转变，如带传动、链传动、减速器、 中的夹具、工装；传动部分完成运动形式、运动及动力参数的转变，如带传动、链传动、减速器、间歇 机构等；控制部分及其他辅助系统对机器的自动化控制与管理是必不可少的重要组成部分， 机构等；控制部分及其他辅助系统对机器的自动化控制与管理是必不可少的重要组成部分，如信号采集 发生器、编程控制器。 发生器、编程控制器。

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1.1.1 机器的组成和分析

图1-2 自动组装机传动系统图 1—电机；2—皮带；3—电磁离合器；4—变速箱；5—槽轮机构；6—链传动； 7—信号采集器；8—凸轮机构；9—齿条；10—齿轮；11—夹具/webnew/

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1.1.1

机器的组成和分析

图1-3 内燃机结构图 1—气缸；2—活塞；3—连杆；4—曲轴；5—小齿轮；6—大齿轮；7—凸轮；8—顶杆

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1.1.2 机器的组成要素只能实现机械运动和力的传递与变换的装置称为机构，例如。内燃机中由曲轴、连杆、 只能实现机械运动和力的传递与变换的装置称为机构，例如。内燃机中由曲轴、连杆、活 塞和气缸组成曲柄滑块机构，齿轮机构，凸轮机构等。 塞和气缸组成曲柄滑块机构，齿轮机构，凸轮机构等。 运动的基本单元称为构件，构件可以是单一的零件，如曲轴(如图 运动的基本单元称为构件，构件可以是单一的零件，如曲轴 如图1-3所示 ，也可以是由 所示), 如图 所示 一些零件通过连接组成的刚性体，如内燃机连杆(如图 如图1-4所示 。 所示)。 一些零件通过连接组成的刚性体，如内燃机连杆 如图 所示 零件是制造的基本单元，在各种机器中都可以用到的零件，叫通用零件，如螺栓、 零件是制造的基本单元，在各种机器中都可以用到的零件，叫通用零件，如螺栓、键、带 齿轮等；在特定类型的机器使用的零件叫专用零件，如内燃机中的活塞、曲轴、 轮、齿轮等；在特定类型的机器使用的零件叫专用零件，如内燃机中的活塞、曲轴、洗衣 机中的波轮、风扇中的叶轮等。 机中的波轮、风扇中的叶轮等。 部件是一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体，如减速器等。 部件是一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体，如减速器等。 这些零、部件从机器的全局出发，相互关联、互相影响组成一部完整的机器。 这些零、部件从机器的全局出发，相互关联、互相影响组成一部完整的机器。 一部完整的机器都是由一个或一些机构组成，能够实现机械运动， 一部完整的机器都是由一个或一些机构组成，能够实现机械运动，做有用的机械功或实现 能量、物料、信息的传递与变换的装置。 能量、物料、信息的传递与变换的装置。 对能量进行转换，实现其他种类的能量转换为机械能的机器是动力机械，如内燃机、 对能量进行转换，实现其他种类的能量转换为机械能的机器是动力机械，如内燃机、水轮 电动机、气动马达、液压马达等。 机、电动机、气动马达、液压马达等。 对物料进行转换，完成某种工作或工艺过程的机器是工作机器，如各种切削加工设备、 对物料进行转换，完成某种工作或工艺过程的机器是工作机器，如各种切削加工设备、运 输机械、食品加工机械等；还包括球磨机、摇号机等随机运动的机器。 输机械、食品加工机械等；还包括球磨机、摇

号机等随机运动的机器。 对信息进行转换，实现电、 压力、 对信息进行转换，实现电、热、压力、变形等形式的信息与机械运动信息之间的传递与转 换的机器，称为信息机器，如检测装置、计量装置等。 换的机器，称为信息机器，如检测装置、计量装置等。 机械是机器与机构的总称。 机械是机器与机构的总称。 /webnew/

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1.1.2 机器的组成要素

(a) 连杆 图1-4 内燃机连杆

(b) 连杆拆分件

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1.2 机械设计的基本要素1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 机械设计的基本要求 机械设计的一般程序 机械零件设计的一般步骤 机械零件的设计方法

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1.2 机械设计的基本要素

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1.2.1 机械设计的基本要求机械设计的目的是创造性地实现具有预期功 能的新机械或改进现有机械的功能。 能的新机械或改进现有机械的功能。 机械设计应满足的基本要求主要有： 机械设计应满足的基本要求主要有：在实现 预期使用功能的前提下，尽可能性能好、 预期使用功能的前提下，尽可能性能好、效 率高、成本低，具有一定的可靠性； 率高、成本低，具有一定的可靠性；应考虑 到操作方便、维护简单、便于运输等。 到操作方便、维护简单、便于运输等。

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1.2.2 机械设计的一般程序设计机械的程序视具体情况而定，一般分为产品规划、方案设计、 设计机械的程序视具体情况而定，一般分为产品规划、方案设计、技术设计和加工设计四 个阶段。 个阶段。

1. 2.

产品规划阶段 方案设计阶段

在根据市场预测、用户需求调查和可行性分析后，制定出机器的设计任务书， 在根据市场预测、用户需求调查和可行性分析后，制定出机器的设计任务书，明确设计要 求。 方案设计包括了机械产品的功能原理设计，确定机器的工作原理和技术要求，初步拟定机 方案设计包括了机械产品的功能原理设计，确定机器的工作原理和技术要求， 器的总体布置、传动方案和机构运动简图等，对机构进行运动分析与设计。从多种方案中， 器的总体布置、传动方案和机构运动简图等，对机构进行运动分析与设计。从多种方案中， 经优化筛选与评价，选取较理想的方案。 经优化筛选与评价，选取较理想的方案。

3.

技术设计阶段

主要工作包括：总体设计、结构设计、施工设计、商品化设计、模型试验等。要在方案设 主要工作包括：总体设计、结构设计、 施工设计、 商品化设计、模型试验等。 计的基础上，进行结构和主要零部件工作能力的设计，完成装配图、 计的基础上，进行结构和

主要零部件工作能力的设计，完成装配图、零件图及编写设计计 算说明书、使用说明书等技术文件。 算说明书、使用说明书等技术文件。

4.

样机试制和鉴定

根据图纸、技术文件进行样机的试制；对样机进行性能检测、修改和改进； 根据图纸、技术文件进行样机的试制；对样机进行性能检测、修改和改进；组织鉴定并进 行经济技术评价。通过后，才可批量投产或交付用户使用，还需要收集反馈的信息， 行经济技术评价。通过后，才可批量投产或交付用户使用，还需要收集反馈的信息，作为 将来进一步改进的依据。 将来进一步改进的依据。

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1.2.3 机械零件设计的一般步骤(1) 根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的结 根据零件的使用要求， 构。 (2) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 (3) 根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件的失效形 根据零件的类型、结构和所受载荷， 确定零件的设计准则。 式，确定零件的设计准则。 (4) 根据零件的工作条件，选择材料。 根据零件的工作条件，选择材料。 (5) 根据设计准则进行计算，确定零件的基本尺寸。 根据设计准则进行计算，确定零件的基本尺寸。 (6) 绘制出零件工作图并编写设计说明书。 绘制出零件工作图并编写设计说明书。

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1.2.4 机械零件的设计方法机械零件的设计方法，通常把过去长期采用的设计方法称为常规设计方法， 机械零件的设计方法，通常把过去长期采用的设计方法称为常规设计方法，近 几十年发展起来的设计方法称为现代设计方法。 几十年发展起来的设计方法称为现代设计方法。此处仅介绍本书使用的常规设 计方法。 计方法。 1. 理论设计 按照机械零件的结构及其工作情况，将其简化成一定的物理模型，运用力学、 按照机械零件的结构及其工作情况，将其简化成一定的物理模型，运用力学、 弹性力学、热力学、 弹性力学、热力学、摩擦学等理论推导出来的设计公式和用实验数据进行设计 的方法称为理论设计。这些设计公式有两种不同的使用方法。 的方法称为理论设计。这些设计公式有两种不同的使用方法。 (1) 设计计算。按设计公式直接求得零件的有关尺寸。 设计计算。按设计公式直接求得零件的有关尺寸。 (2) 校核计算。已知零件的各部分尺寸，校核它是否能满足有关的设计准则。 校核计算。已知零件的各部分尺寸，校核它是否能满足有关的设计准则。 2. 经验设计 根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式

和数据， 根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式和数据，或者用类比 法进行的设计称为经验设计。对于某些典型零件，这是很有效的设计方法。 法进行的设计称为经验设计。对于某些典型零件，这是很有效的设计方法。经 验设计也用于某些目前尚不能用理论分析的零件设计中。 验设计也用于某些目前尚不能用理论分析的零件设计中。 对于尺寸很大，结构复杂，工况条件特殊， 对于尺寸很大，结构复杂，工况条件特殊，又难以进行理论计算和经验设计的 重要零件，可采用模型或样机，通过实验考核其性能，并取得必要数据后， 重要零件，可采用模型或样机，通过实验考核其性能，并取得必要数据后，再 根据实验结果修改原有设计。但这种方法费时、成本高，只用于特别重要的设 根据实验结果修改原有设计。但这种方法费时、成本高， 计。/webnew/

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1.3 机械零件材料选用原则机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等， 机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌 性能及热处理知识可查阅机械设计手册。 号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。 在机械设计中选择材料是一个重要环节。随着材料科学的不断发展， 在机械设计中选择材料是一个重要环节。随着材料科学的不断发展，机 械制造业对零件的要求在提高。因此，设计者在选择材料时， 械制造业对零件的要求在提高。因此，设计者在选择材料时，应充分了 解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。 解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。

1.

使用要求

为保证机械零件不失效，根据载荷作用情况， 为保证机械零件不失效，根据载荷作用情况，对零件尺寸的限制和零件 重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性、 重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性、阻尼性和 吸振性等力学性能方面的相应要求。同时， 吸振性等力学性能方面的相应要求。同时，由于零件工作环境等其他需 对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、 求，对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和 化学性能方面的要求等。 化学性能方面的要求等。

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1.3 机械零件材料选用原则2. 工艺要求选择零件材料时必须考虑到加工制造工艺的影响。 选择零件材料时必须考虑到加工制造工艺的影响。铸造毛坯应考虑材料 的液态流动性、产生缩孔或偏折的可能性等； 的液态流动性、产生缩孔或偏折

的可能性等；锻造毛坯应考虑材料的延 展性、热脆性和变形能力等； 展性、热脆性和变形能力等；焊接零件应考虑材料的可焊性和产生裂纹 的倾向等；对进行热处理的零件应考虑材料的可淬性、 的倾向等；对进行热处理的零件应考虑材料的可淬性、淬透性及淬火变 形的倾向等；对于切削加工的零件应考虑材料的易切削性、 形的倾向等；对于切削加工的零件应考虑材料的易切削性、切削后能达 到的表面粗糙度和表面性质的变化等。 到的表面粗糙度和表面性质的变化等。

3.

经济性

从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能选用价廉的材料， 从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能选用价廉的材料， 以降低材料费用。另外，还应综合考虑到生产批量等因素的影响， 以降低材料费用。另外，还应综合考虑到生产批量等因素的影响，如大 量生产宜用铸造毛坯；单件生产采用焊接件，可以降低制造费用。 量生产宜用铸造毛坯；单件生产采用焊接件，可以降低制造费用。

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