《机械设计基础》课件

机械设计基础机械设计基础是工程技术领域的重要课程，涵盖了机械设计的基本理论与方法，主要机械零部件设计原理，以及机械设计的实践与应用本课程旨在培养学生系统掌握机械设计的核心知识，建立工程思维，为未来从事机械工程相关工作奠定坚实基础通过本课程的学习，学生将了解机械设计的基本原则和方法论，掌握各类机械零部件的设计计算技能，并能够将理论知识应用于实际工程问题的解决课程概述课程性质教学目标机械设计基础是一门重要的技术基础课程，为后续专业课程培养学生的机械设计能力，使其能够独立分析和解决机械设学习提供必要的知识支持和技能培养计中的实际问题课程内容学习重点涵盖基础理论、零件设计、传动系统设计三大核心模块，系着重培养学生掌握基本知识、基本理论、设计方法以及创新统介绍机械设计的关键知识点思维能力第一章绪论机械设计基础的性质与地位作为工程设计的重要分支，机械设计基础连接了理论力学与实际工程应用，是机械工程专业核心课程之一，其掌握程度直接影响后续专业课程的学习效果课程研究对象与内容主要研究机械产品设计的基本原理、方法和过程，包括机械零部件的结构设计、强度计算、材料选择以及传动系统的分析与综合机械设计的一般过程从需求分析、方案设计、结构设计到详细设计，机械设计遵循特定流程，确保设计成果既满足功能要求，又具有可制造性和经济性机械设计的发展趋势随着新材料、新工艺和计算机技术的发展，机械设计朝着智能化、模块化、轻量化和绿色化方向发展，数字化设计工具的应用日益普及机械设计的基本要求工作性能确保设计产品能够完全实现预期功能，达到效率要求可靠性合理设置安全系数，确保寿命设计符合使用要求经济性合理选用材料，优化加工工艺，降低生产成本人机工程学考虑操作便捷性、舒适性和安全性在进行机械设计时，工程师必须全面考虑这四个方面的要求良好的设计应当在保证工作性能的前提下，兼顾可靠性和经济性，同时充分考虑人机工程学因素，实现人与机械的和谐交互机械设计方法理论计算设计法传统经验设计法基于力学理论和数学模型进行严格计算的设计方法基于历史经验和工程案例积累的设计方法，适用于成熟领域优化设计法通过特定目标函数和约束条件，寻求最优解的设计方法有限元分析方法计算机辅助设计通过数值模拟计算零部件受力变形情况的先进设计方法利用CAD软件进行三维建模和仿真分析的现代设计方法现代机械设计通常将这几种方法有机结合，取长补短，以达到最佳的设计效果随着计算机技术的发展，CAD和FEA已成为机械设计不可或缺的工具第二章机械零件的强度强度计算的基本概念应力与应变关系静载荷强度计算强度是指机械零件抵抗破坏的能力，是应力是单位面积上的内力，应变是变形针对恒定载荷或缓慢变化载荷的强度计机械设计中最基本的安全要求强度计量与原尺寸的比值二者之间的关系通算，主要关注材料的屈服强度和极限强算旨在确保零件在载荷作用下不会发生过材料的本构方程表示，是强度计算的度，确保零件不发生塑性变形或断裂有害变形或破坏理论基础疲劳强度计算接触强度计算针对交变载荷作用的强度计算，考虑材料在循环应力下的疲劳针对两表面接触部位的强度计算，主要关注接触面的赫兹应极限和疲劳寿命，防止零件因累积损伤而失效力，确保不出现点蚀或表面疲劳剥落现象应力类型与分析拉伸与压缩应力剪切应力弯曲应力扭转应力当外力沿构件轴线方向作用当外力垂直于构件轴线方向作当零件承受弯矩作用时产生的当零件承受扭矩作用时产生的时，构件内部产生的抵抗拉长用时，构件内部产生的使相邻应力，使构件产生弯曲变形应力，使构件产生扭转变形或缩短的内力称为拉应力或压部分相对滑移的内力称为剪应计算公式为σ=M/W，其中M计算公式为τ=T/Wp，其中T为应力计算公式为σ=F/A，其力计算公式为τ=F/A，其中F为弯矩，W为截面抗弯模量扭矩，Wp为极截面模量中F为轴向力，A为截面积为剪切力，A为剪切面积典型应用梁、轴、曲柄等典型应用轴、螺旋弹簧、扭典型应用拉杆、压杆、螺栓典型应用销钉连接、键连杆等连接等接、铆接等强度理论最大正应力理论适用于脆性材料，认为当构件中的最大主应力达到材料的极限强度时，构件就会发生破坏此理论最早由兰克提出，也称为第一强度理论最大切应力理论适用于塑性材料，认为当构件中的最大切应力达到材料的屈服极限时，构件会发生屈服此理论由库仑提出，也称为第三强度理论最大畸变能理论也称为第四强度理论或冯·米塞斯理论，认为当构件中的畸变能密度达到临界值时，材料会发生屈服此理论与实际情况吻合度较高强度理论的应用范围不同强度理论适用于不同材料和应力状态，工程师需根据材料性质和受力特点选择合适的强度理论进行计算和校核疲劳强度设计疲劳曲线与寿命预测S-N曲线描述了应力幅值与循环次数的关系，是预测零件疲劳寿命的重要工具曲线通常在对数坐标系下表示，有助于工程师确定零件在特定应力水平下的使用寿命影响疲劳寿命的因素包括表面质量、尺寸效应、载荷类型、环境条件等多种因素这些因素通过修正系数引入计算，使理论预测更接近实际情况零件的几何不连续性，如过渡圆疲劳强度修正系数角、孔洞等，会导致应力集中，是疲劳破坏的常见起源通过引入尺寸系数、表面系数、载荷系数等修正因子，将标准试样的疲劳强度转换为实际零件的疲劳强度这些系数的确定通常基于大量实验数据和经验公式累积损伤理论在变幅载荷作用下，零件的疲劳破坏是累积过程线性累积损伤理论（Miner法则）是工程中常用的累积损伤计算方法，虽然有一定局限性，但操作简便，应用广泛表面强化处理表面热处理方法化学热处理技术表面机械处理包括火焰淬火、感应淬火、激通过化学元素渗入金属表面改利用机械能改变金属表面层状光淬火等局部加热快速冷却的变其性能的处理技术，包括渗态的处理方法，如喷丸、滚处理方法这些工艺能在保持碳、渗氮、渗硼等这些工艺压、超声波处理等这些工艺零件内部韧性的同时，提高表能形成硬化层，显著提高零件通过引入残余压应力和表面硬面硬度和耐磨性，适用于轴、的耐磨性和疲劳强度，广泛用化，提高零件的疲劳强度和耐齿轮等需要高表面硬度的零于重载荷工况下的机械零件腐蚀性，工艺成本较低，应用件广泛表面强化效果评估通过硬度测试、显微组织分析、残余应力测量等方法评估表面强化效果科学的评估方法有助于优化处理工艺参数，确保强化效果满足设计要求，为零件的使用性能提供保障第三章机械零件的刚度与稳定性倍30%

2.575%刚度不足导致的失效刚度安全系数振动引起的故障在机械设计中，约30%的功能失效源于刚度对精密机械，推荐的刚度安全系数应达到大约75%的机械故障与振动相关，其中相当不足导致的过大变形，影响正常工作精度

2.5倍以上，以确保长期稳定工作部分可通过合理的刚度和稳定性设计避免机械零件的刚度是指其抵抗变形的能力，是保证机械精度和工作稳定性的关键参数刚度设计不仅关注静态变形控制，还需考虑动态响应特性，避免共振现象稳定性则关注零件在载荷作用下保持平衡状态的能力，特别是对于细长构件，需要进行屈曲分析第四章摩擦、磨损与润滑摩擦机理与类型磨损形式与机制摩擦是运动或将要运动的两个接触表面之间的磨损是表面在相对运动过程中材料的逐渐损阻力现象，分为静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦失，常见的磨损形式包括黏着磨损、磨粒磨三种基本类型微观上，摩擦源于表面分子间损、疲劳磨损和腐蚀磨损的吸引力、表面微观凸峰的机械啮合和变形•黏着磨损微观焊接和剪切导致材料转移•磨粒磨损硬颗粒刮擦软表面造成的损伤•静摩擦表面相对静止状态下的摩擦力•疲劳磨损表面层反复应力导致的剥落•滑动摩擦表面相对滑动时的摩擦力•腐蚀磨损化学作用和机械磨损共同影响•滚动摩擦物体在表面滚动时的摩擦力润滑理论基础润滑的主要目的是减少摩擦和磨损，同时辅助散热和防腐蚀润滑状态可分为流体润滑、边界润滑和混合润滑三种基本类型•流体润滑最理想状态，摩擦表面完全分离•边界润滑靠吸附分子形成保护膜•混合润滑流体润滑和边界润滑并存润滑系统设计油润滑系统脂润滑系统利用液体润滑油进行润滑的系统，包括飞溅润使用润滑脂进行润滑的系统，润滑脂是由基础滑、压力润滑、喷射润滑等多种方式油、增稠剂和添加剂组成的半固体润滑剂•适用于高速、重载工况•适用于中低速、中等载荷工况•具有良好的散热和清洁能力•具有良好的密封和防尘性能•需要密封系统防止泄漏•补充间隔较长，维护简便固体润滑气体润滑使用固体润滑剂如石墨、二硫化钼、聚四氟乙利用气体作为润滑介质的系统，常见的气体润烯等进行润滑的方式滑介质包括空气、氮气和惰性气体等•适用于极端温度、真空或辐射环境•适用于高精度、高速、轻载工况•可在无补给条件下长期工作•无污染，适合洁净环境•摩擦系数较高，使用寿命有限•承载能力较低，设计要求高第五章机械传动概述机械传动的分类按接触方式和传动元件分类传动比与传动效率速度比关系与能量转换效率各类传动的特点与应用选择合适传动形式的依据传动系统的布置原则科学合理的空间布局方法机械传动是将动力源的运动和能量传递给工作机构的装置，是机械系统的核心组成部分根据接触方式，传动可分为摩擦传动（带传动、摩擦轮）和啮合传动（齿轮、链条）；根据运动形式，可分为旋转运动传动、直线运动传动和复合运动传动传动比是输出轴与输入轴转速之比，是传动设计的关键参数传动效率表示功率传递过程中的能量损失情况，影响系统的经济性和热平衡设计中需综合考虑传动比、效率、结构紧凑性和使用环境等因素，选择最合适的传动方式第六章齿轮传动

（一）齿轮传动基本原理渐开线齿形特点齿轮几何参数齿轮传动是通过齿轮啮合将运动和动力从渐开线是圆上一点在直线上纯滚动时所描重要的齿轮参数包括模数、压力角、齿一轴传递到另一轴的机械传动方式齿轮绘的轨迹渐开线齿形具有以下优点制数、分度圆直径、齿宽等模数是表示齿啮合遵循啮合定律，即啮合齿廓的公法线造简单，可用直线刀具加工；中心距变化轮大小的基本参数，定义为分度圆直径与必须始终通过节线上的固定点（节点），不影响传动比；具有自修正性能和良好的齿数之比压力角影响齿根强度和啮合性以保证传动比恒定承载能力能，标准压力角为20°齿轮传动具有传动比准确、效率高、寿命因此，渐开线齿形已成为标准齿形，被广这些参数决定了齿轮的尺寸、强度和传动长、可靠性好等特点，是最常用的传动形泛应用于各类齿轮传动中性能，是齿轮设计的基础式之一齿轮传动

（二）齿轮传动

（三）

1.2-

1.620°直齿圆柱齿轮安全系数标准压力角一般工况下推荐的弯曲强度安全系数范围，重载荷工况可提高至

2.0一般工业用齿轮采用的标准压力角，平衡了承载能力和平稳性级15°-30°6-8斜齿轮螺旋角精密传动精度等级常用的斜齿轮螺旋角范围，过大会增加轴向力，过小则重合度提高不明显高速精密传动常用的齿轮精度等级，普通传动一般为8-9级直齿圆柱齿轮结构简单，制造容易，但啮合冲击大，噪声高，适用于低速传动斜齿圆柱齿轮因齿线倾斜，啮合平稳，承载能力高，但产生轴向力，需配合推力轴承使用锥齿轮用于相交轴传动，常见于汽车差速器等场合，设计计算相对复杂齿轮精度等级直接影响传动的平稳性、噪声、振动和寿命，需根据使用要求合理选择齿轮传动

（四）点蚀失效点蚀是齿面接触疲劳的表现形式，表面出现小坑，逐渐扩大并连成大面积剥落主要由高接触应力和润滑不良引起，可通过提高表面硬度、改善润滑条件或选用高强度材料来预防断齿失效断齿是最严重的齿轮失效形式，通常由齿根弯曲疲劳或过载造成预防措施包括合理设计齿根过渡圆角，表面强化处理或提高材料强度等断齿后会导致传动系统完全失效，造成严重后果高精度加工齿轮加工方法包括滚齿、插齿、剃齿和磨齿等高精度齿轮通常需要热处理后进行精加工，如磨齿或珩齿数控加工设备和先进测量技术的应用大大提高了齿轮制造精度，满足现代高速传动的要求第七章蜗杆传动蜗杆传动的特点与应用蜗杆传动是一种特殊的空间交错轴齿轮传动，由蜗杆和蜗轮组成其特点包括传动比大（可达100以上）、自锁性好、运转平稳，但效率较低，发热量大广泛应用于需要大传动比和自锁性的场合，如升降机、分度头、阀门传动等蜗杆传动的几何参数主要几何参数包括模数、蜗杆头数、导程角、分度圆直径和蜗杆轴中心距等导程角是影响传动效率的关键参数，增大导程角可提高效率但会降低自锁性蜗杆传动的齿形通常采用阿基米德蜗杆ZA、渐开线蜗杆ZI或锥形蜗杆ZK等蜗杆传动的效率计算蜗杆传动效率较低（40%-90%），主要受导程角、摩擦系数和传动方向影响效率计算公式为η=tanγ/tanγ+μ，其中γ为导程角，μ为当量摩擦系数提高效率的措施包括增大导程角、改善材料配对、优化润滑条件和提高加工精度等蜗杆传动的设计计算设计计算主要包括传动方案设计、几何尺寸确定、接触强度和弯曲强度校核等由于摩擦发热严重，通常以接触强度作为主要设计准则，并需进行热平衡校核，确保传动系统不会因过热而失效蜗杆传动设计受力分析温升计算材料选择润滑设计分析蜗杆与蜗轮上的作用力，包括计算传动过程中的温升，确保不超选择合适的材料配对以减小摩擦和确定合适的润滑方式和润滑剂类型切向力、径向力和轴向力过允许温度限值磨损蜗杆传动的受力分析是设计轴和轴承的基础蜗杆上的切向力会产生传递扭矩，而径向力和轴向力将产生附加弯矩和轴向推力，需要轴承系统承受蜗杆传动的温升是关键设计考虑因素，过高的温度会导致润滑剂性能下降，加速磨损，甚至造成烧结温升计算基于摩擦功率和散热能力，一般控制在40°C以下材料配对通常采用硬钢蜗杆与青铜蜗轮，以获得良好的耐磨性和嵌入性对于高载荷传动，需采用强制循环式油润滑，并配备冷却装置第八章带传动带传动的类型与特点带传动的工作原理带传动的受力分析带传动是利用柔性带将运动和动力从主动带传动依靠带与轮之间的摩擦力传递扭带传动的主要受力包括初拉力和有效拉轮传递到从动轮的机械传动方式根据带矩为了产生足够的摩擦力，带需要以一力初拉力是安装时施加的预紧力，有效的截面形状，带传动可分为平带传动、V定的初拉力安装，形成紧边和松边在传拉力是传递扭矩的力根据欧拉公式，紧带传动、多楔带传动和同步带传动等类动过程中，由于弹性变形，带在轮上会发边拉力F1与松边拉力F2之比与摩擦系数和型生蠕动现象，导致传动比存在微小变化包角有关F1/F2=e^μα带传动的主要特点包括结构简单，工作带的打滑是影响带传动可靠性的重要因带的寿命与最大应力和弯曲次数密切相平稳，可实现远距离传动，具有过载保护素，应通过合理设计和使用环境控制避免关，过大的应力或过多的弯曲都会加速带能力，但传动比不准确（同步带除外），打滑发生的疲劳破坏寿命较短，需要定期检查和调整带传动设计V带传动设计需确定带的型号、根数、中心距和带轮尺寸等参数根据传递功率和转速选择带的型号（如A、B、C等），再通过设计系数和修正系数确定带的根数带轮的节圆直径应符合标准，并考虑制造和安装的便利性同步带传动能保证准确的传动比，适用于精密传动场合设计时需选择合适的齿形（如梯形齿、圆弧齿等）和带宽带轮设计应注意轮缘高度和形状，保证带不会脱离带轮张紧装置是带传动的重要组成部分，可采用螺栓调节式、重锤式或弹簧式等形式，确保带在工作过程中保持适当的张力第九章链传动高可靠性应用重载荷、恶劣环境下的动力传输精密同步要求需要保持准确传动比的场合工业基础应用中小功率的普通机械传动农业机械应用田间作业设备的传动系统链传动是一种靠链节与链轮啮合来传递运动和动力的机械传动方式与带传动相比，链传动具有传动比准确、效率高（达96%-98%）、可在高温和油污环境下工作等优点，但噪声和振动较大，需要良好的润滑和维护链传动的类型主要包括滚子链、套筒链、齿形链和无声链等其中滚子链应用最为广泛，具有标准化程度高、互换性好、承载能力强等特点链传动的受力分析需考虑链条张力、离心力和悬垂重量，这些因素共同决定了链条的工作状态和使用寿命链传动的设计计算包括链型选择、链轮设计和校核计算等环节链传动设计实例滚子链传动设计套筒链传动设计链轮设计要点滚子链是最常用的链型，由内链节和外链节套筒链结构比滚子链简单，成本低，但承载链轮设计需确定齿数、分度圆直径、齿形参组成设计时首先根据功率和转速选择链能力和耐磨性较差，主要用于轻载荷场合数等齿形设计应确保与链条良好啮合，减号，常用的标准链号有08A、10A、12A设计时应特别注意链与链轮的配合间隙，以少冲击链轮材料通常选用中碳钢或合金等计算设计链轮齿数（一般不少于17齿以减少冲击和噪声套筒链传动适用于小功钢，经热处理后使用对于低速传动，可使减少多边形效应）和中心距（通常为链节距率、低速工况，如家用电器和轻型农机等领用铸铁链轮以降低成本链轮的安装需确保的30-50倍）对于长距离传动，需考虑设域两轮在同一平面内，偏差不应超过链宽的置导向轮或托链轮1%第十章机械零件连接键连接与花键连接紧固连接用于轴与轮毂之间的连接，传递转矩并通过过盈配合产生的连接，包括压力配允许轴向移动合、热配合和冷配合•键连接结构简单，但承载能力有限•结构紧凑，密封性好螺纹连接销连接•花键连接强度高，适合变速设备•无应力集中，疲劳强度高利用螺纹副实现的连接方式，包括螺栓利用销钉实现的定位或传递小载荷的连•都属于可拆卸连接•拆卸不便，需专用工具连接、螺钉连接、螺柱连接等接方式•可拆卸，便于装配与维修•结构简单，安装方便•结构简单，标准化程度高•主要用于定位或防止相对转动•成本低，适用范围广•承载能力有限螺纹连接设计螺纹类型与标准根据应用场合选择合适的螺纹类型，如公制螺纹、英制螺纹、管螺纹等标准螺纹规格包括粗牙螺纹和细牙螺纹，通常采用国际标准ISO或国家标准GB规定的螺纹参数粗牙螺纹加工简单，而细牙螺纹自锁性好、承载能力高螺纹连接受力分析分析螺纹连接所承受的外载荷类型，包括轴向拉伸载荷、剪切载荷和组合载荷计算预紧力的大小和分布，以及外载荷作用下螺栓和连接件的应力状态预紧力通常取螺栓屈服极限的60%-70%，以保证足够的装配刚度和疲劳寿命防松设计针对振动、温度变化等工况，采取适当的防松措施，如弹簧垫圈、防松垫片、防松螺母、点焊或铆接等除了机械防松装置，还可通过提高预紧力、使用自锁螺纹或涂覆螺纹锁固剂等方式增强防松性能防松装置的选择应考虑工作环境和使用要求螺纹连接的强度计算计算螺栓的拉伸强度、剪切强度和组合强度，确保安全系数满足设计要求对于动载荷工况，还需进行疲劳强度校核高强度连接通常采用高强度螺栓材料（如

8.8级、

10.9级等），并通过控制拧紧扭矩来保证预紧力的准确性焊接连接焊接接头类型焊接结构设计原则焊缝尺寸计算焊接接头按形式可分为对接接头、T形接焊接结构设计应遵循以下原则

①减少焊焊缝尺寸计算主要包括焊缝宽度、高度、头、角接接头、搭接接头和十字接头等缝数量和焊接量；

②避免焊缝交叉和重长度和喉厚等参数的确定对于角焊缝，按焊缝形式可分为平焊缝、角焊缝和填角叠；

③避免应力集中；

④考虑焊接变形和常用焊缝厚度（喉厚）进行强度计算焊缝等不同接头类型适用于不同的结构残余应力；

⑤保证可达性和可检测性；

⑥τ=F/

0.7h·l，其中h为焊脚尺寸，l为焊缝需求和载荷情况合理安排焊接顺序长度对接接头强度高，适合受拉伸和压缩的构良好的焊接结构设计不仅能降低制造成焊缝的尺寸应既能满足强度要求，又不过件；角接接头加工方便，但强度较低；T形本，还能提高产品质量和使用寿命在设大造成浪费一般角焊缝的焊脚尺寸不应接头常用于框架结构中垂直元件的连接计中应充分考虑焊接工艺的可行性和经济小于被连接件较薄一件厚度的

0.5倍，也选择合适的接头类型对提高焊接质量和结性不宜小于3mm或大于

1.2倍板厚构可靠性至关重要铆接与胶接铆接的特点与应用铆接是利用铆钉变形将工件连接在一起的永久性连接方式其特点包括

①结构可靠，能承受冲击和振动；

②适用于不同材料的连接；

③不产生热应力和变形；

④可实现气密和液密连接铆接广泛应用于航空航天、船舶、桥梁等领域，特别是在铝合金等不适合焊接的材料结构中应用更为普遍随着新技术发展，自冲铆接等新工艺也在扩大应用范围铆接强度计算铆接强度计算主要包括铆钉的剪切强度、被连接件的挤压强度和撕裂强度三方面铆钉的排列方式（单排或多排）和间距对连接强度有显著影响铆接设计时应注意

①选择合适的铆钉材料和尺寸；

②合理安排铆钉排列；

③考虑应力分布均匀性；

④预留足够的边距和间距；

⑤考虑制造和检验的便利性胶接原理与工艺胶接是利用粘合剂在被连接件表面间形成粘结力的连接方式其原理包括机械锁合、物理吸附和化学键合三种机制胶接工艺主要包括表面处理、胶粘剂选择、涂胶、组装、固化和质量检验等步骤胶接的优点包括重量轻、密封性好、减震隔音、可连接异种材料、不产生应力集中等缺点是耐热性差、老化问题和质量检验困难胶接接头设计胶接接头设计应遵循以下原则

①增大粘接面积；

②使胶层主要承受剪切力；

③避免剥离力；

④保持均匀的应力分布；

⑤考虑温度和环境因素常见的胶接接头形式包括搭接、阶梯搭接、斜接、燕尾接和双面搭接等不同接头形式适用于不同的载荷条件和材料特性，设计时应根据实际需求合理选择第十一章轴系设计传动轴主要传递扭矩，结构简单，通常为直轴典型应用包括车辆传动系统、通用机械设备中的动力传递轴等设计重点是扭转刚度和强度心轴支承旋转零件，承受弯矩为主，扭矩较小典型应用如机床主轴、电机转子轴等设计时需特别注意弯曲刚度和精度要求曲轴将往复运动转变为旋转运动或反之具有复杂的形状，主要用于内燃机、压缩机等设计难度大，需考虑疲劳强度和动态平衡凸轮轴通过凸轮将旋转运动转变为特定规律的往复运动广泛用于内燃机配气机构、自动机械等设计重点是凸轮轮廓和轴的刚度轴是机械中支承旋转零件并传递转矩和运动的机械零件，是大多数机械的重要组成部分轴的设计涉及材料选择、结构形式确定、强度计算和刚度校核等多个方面轴的材料通常选用中碳钢或合金钢，如45钢、40Cr等，经调质或正火处理后使用轴的强度计算需考虑复杂应力状态，包括弯曲应力、扭转应力及其组合对重要轴件，还需进行疲劳强度校核、刚度校核和振动分析，确保轴在使用过程中的安全可靠轴设计细节轴的结构形式主要有实心轴和空心轴两种实心轴制造简单，成本低，适用于普通机械；空心轴重量轻，刚性好，但制造复杂，主要用于大型或高速机械轴的直径变化处应设计合适的过渡圆角，以减少应力集中一般情况下，过渡圆角半径R应不小于轴径差的10%，且不应小于2mm键槽和螺纹对轴的强度有显著影响，会产生应力集中和降低疲劳强度键槽的设计应避免锐角，可采用端圆键槽或键销孔代替普通键槽以减小应力集中螺纹设计应注意选择合适的牙型和尺寸，并避免在高应力区域设置螺纹轴的疲劳强度校核应考虑这些结构因素导致的应力集中效应，必要时采用局部强化处理提高疲劳强度第十二章滑动轴承液体动力润滑最理想的润滑状态，轴与轴承完全分离混合润滑部分区域流体润滑，部分区域边界润滑边界润滑靠分子吸附形成的超薄润滑膜干摩擦最不理想状态，应极力避免滑动轴承是轴与轴承表面直接接触并相对滑动的轴承，广泛应用于重载、高速、精密和特殊环境的机械设备中滑动轴承的基本原理是依靠轴与轴承之间的润滑油膜承载负荷，减少摩擦和磨损液体动力润滑理论是滑动轴承设计的理论基础，由雷诺方程描述油膜压力分布根据承载方向，滑动轴承可分为径向轴承（承受径向载荷）、推力轴承（承受轴向载荷）和推力-径向轴承（承受组合载荷）根据结构特点，又可分为整体式、剖分式、可调式等类型在高速重载工况下，应采用强制润滑以确保形成稳定的油膜，提高轴承的承载能力和使用寿命滑动轴承设计第十三章滚动轴承球轴承使用钢球作为滚动体的轴承，包括深沟球轴承、角接触球轴承、推力球轴承等球轴承接触面积小，摩擦阻力小，适合高速低载荷工况深沟球轴承是应用最广泛的一种轴承，能同时承受径向载荷和一定的轴向载荷，结构简单，使用方便滚子轴承使用圆柱形、锥形、球面或针状滚子的轴承，包括圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承和针roller轴承等滚子轴承的接触面积大，承载能力高，适合重载工况圆锥滚子轴承能承受径向和单向轴向联合载荷，广泛用于汽车车轮等场合轴承代号系统滚动轴承采用国际标准代号系统，通过数字和字母组合表示轴承的类型、尺寸系列、直径系列和具体规格例如，6205表示深沟球轴承，内径为25mm熟悉轴承代号系统对于正确选择和使用轴承至关重要轴承代号通常包含基本型号和附加代号两部分，后者表示特殊要求或改进设计滚动轴承应用设计轴承定位与支撑方式轴承预紧与游隙调整轴承密封与润滑轴承的定位对于保证轴系正常工作至关重预紧是指对轴承施加预先的轴向载荷，以良好的密封对保护轴承免受污染和防止润要常见的支撑方式有固定-浮动支撑和固消除轴承内部间隙，提高刚度和旋转精滑剂泄漏至关重要常用的密封装置包括定-固定支撑两种固定-浮动支撑中，一度预紧通常用于精密机床主轴和高速运迷宫密封、唇形密封圈、毡圈密封和组合端轴承固定轴的轴向位置，另一端轴承允转的轴系预紧力的大小应适当，过大会密封等密封方式的选择应考虑工作环许轴向移动，适用于轴较长或温差大的场增加摩擦和发热，过小则达不到预紧效境、转速和密封要求等因素合；固定-固定支撑则两端轴承均固定轴的果轴承润滑方式主要有脂润滑和油润滑两轴向位置，适用于精度要求高的短轴游隙调整是指通过特定方法调整轴承内部种脂润滑结构简单，维护方便，适用于轴承的轴向固定可通过轴肩、挡圈、轴承间隙，以适应不同的工作条件常用的调一般工况；油润滑散热性好，适用于高速座端盖等方式实现设计时应考虑轴的热整方法包括垫片调整、锁紧螺母调整和轴或高温工况润滑油（脂）的选择应考虑膨胀和装配要求承座调整环等对于成对安装的角接触球轴承类型、工作温度和载荷条件等因素，轴承或圆锥滚子轴承，游隙调整尤为重并按规定周期进行更换要第十四章联轴器与离合器刚性联轴器挠性联轴器万向联轴器刚性联轴器结构简单，传动效率挠性联轴器能补偿两轴之间的轻万向联轴器能传递两个交角较大高，但对轴的同轴度要求严格，微偏差，减小冲击和振动，主要的轴之间的转动，主要包括单万不能补偿轴的偏差，主要包括法包括弹性套联轴器、十字滑块联向节和双万向节两种单万向节兰联轴器、套筒联轴器和壳体联轴器、齿式联轴器和膜片联轴器传动的输出转速不均匀，双万向轴器等适用于低速、重载且轴等广泛应用于中高速传动系节可以消除这一缺点广泛应用线精度高的场合，如重型机械传统，如泵、风机和压缩机等于汽车传动系统和各类工程机械动系统中特殊联轴器特殊联轴器包括安全联轴器、伸缩联轴器和流体联轴器等安全联轴器可在过载时自动断开保护传动系统；流体联轴器利用液体传递动力，具有减震和过载保护功能，在大型机械中应用广泛离合器设计离合器类型选用根据工作特性、环境条件和技术要求选择合适的离合器类型，如摩擦式、爪式、液力式或电磁式摩擦式离合器应用最广泛，适用于各种功率和转速；爪式离合器只能在停止状态下接合；液力离合器平稳，但效率较低；电磁离合器控制方便，响应快摩擦式离合器设计摩擦式离合器的关键设计参数包括摩擦片材料、摩擦面积、压紧力和冷却方式设计时首先确定传递扭矩，然后计算所需摩擦面积和压紧力摩擦片材料应具有高摩擦系数、良好的耐热性和耐磨性对于频繁接合的离合器，需特别注意热散失设计自动离合器设计自动离合器可根据转速、离心力或其他物理量自动接合或分离，无需人工操作主要类型包括离心式自动离合器和超越离合器（单向离合器）设计时需精确计算触发条件，确保在预期的工作状态下可靠运行这类离合器广泛应用于自动化设备和需要防反转的机构中过载保护装置过载保护装置是一种特殊的离合器，在载荷超过设定值时自动断开传动链，保护机械系统常见类型包括剪切销、摩擦式限矩器和机械过载保护器等设计时需准确设定触发力矩，并考虑复位机构的可靠性这类装置在贵重设备和重要传动系统中应用广泛第十五章制动器制动器类型与工作原理制动器是用来减速或使机械停止运动的装置，根据作用形式可分为摩擦式、电磁式、液压式和气动式等多种类型•摩擦式制动器利用摩擦力制动，包括块式、带式和盘式•电磁式制动器利用电磁力或涡流制动•液压制动器利用液体压力产生制动力•气动制动器利用压缩空气驱动制动元件机械制动器设计机械制动器设计的关键参数包括制动力矩、摩擦系数、摩擦表面积和散热条件等•块式制动器结构简单，但压力分布不均•带式制动器接触面积大，但摩擦片磨损不均•盘式制动器散热好，制动平稳，广泛应用•锥式制动器自强制作用，但结构复杂液压制动器设计液压制动器利用不可压缩液体传递压力，具有传动力大、响应快的特点•主要组成主缸、制动管路、制动分泵和制动元件•工作原理利用帕斯卡原理增大力或压力•关键参数油缸直径、工作压力和油液选择•设计重点系统密封性和排气设计电磁制动器设计电磁制动器通过电磁力实现制动，响应速度快，控制方便•直流电磁制动器结构简单，响应快•交流电磁制动器成本低，但发热量大•涡流制动器无摩擦，制动平稳，但体积大•永磁制动器断电制动，安全可靠第十六章弹簧弹簧是利用材料弹性变形储能和释放能量的机械元件，广泛应用于各类机械中根据形状和受力方式，弹簧可分为螺旋弹簧（压缩、拉伸、扭转）、板簧、环形弹簧、碟形弹簧和橡胶弹性元件等多种类型弹簧的主要功能包括产生力或力矩、储存和释放能量、减震和隔振、测量力值等螺旋弹簧是最常见的弹簧类型，具有结构简单、制造方便、性能可靠等特点板簧和环形弹簧多用于车辆悬架系统，具有良好的缓冲性能碟形弹簧在小变形下能产生大力，适合空间受限的场合橡胶弹性元件具有减震性能好、无需润滑的特点，但耐温性和耐油性较差弹簧的设计需考虑材料选择、尺寸确定和强度校核等多个方面弹簧设计计算第十七章密封装置完全密封100%防止泄漏的最高级密封液体密封防止液体泄漏的中高级密封气体密封防止气体泄漏的基本密封防尘密封防止固体颗粒进入的基础密封密封装置是防止流体泄漏或固体杂质侵入的机械元件，按工作状态可分为静密封和动密封两大类静密封用于相对静止的接合面，如管道连接、容器盖板等；动密封用于相对运动的零件之间，如轴与轴承座、活塞与缸体等密封装置的设计关系到机械的可靠性、经济性和环保性密封材料的选择是设计的关键因素，需根据工作介质、温度、压力和运动状态等条件综合考虑常用的密封材料包括橡胶、塑料、金属、石墨、陶瓷和复合材料等橡胶和塑料具有良好的适应性和密封性能，但耐温性和耐化学性较差；金属密封耐高温高压，但需精密加工；特种材料如PTFE、石墨和陶瓷等在特殊环境下具有优异性能密封形式的选择需考虑密封可靠性、装拆维护便利性和经济性等方面密封装置设计实例填料密封设计形圈密封设计机械密封设计O填料密封是一种古老而可靠的密封方式，O形圈是最常用的弹性密封元件，具有结机械密封是依靠两个高精度平面（静环和利用填料在压盖作用下产生的径向压力实构简单、密封可靠、成本低等优点O形动环）相对滑动实现密封的装置，广泛应现密封填料材料多采用石棉、石墨、圈依靠自身弹性变形和介质压力共同作用用于泵、压缩机和搅拌设备等PTFE或其混合物，形状通常为方形截面的实现密封设计要点包括

①密封面材料配对应具有环状设计要点包括

①O形圈内径应略小于安良好的摩擦性能，常用碳化钨、碳化硅和设计要点包括

①填料箱深度应足够容纳装槽直径，产生预压缩；

②截面压缩率静氧化铝陶瓷等；

②弹簧压力要适当，确保多道填料环；

②压盖压力适中，过大会增密封为15%-30%，动密封为5%-15%；

③密封面接触；

③辅助密封选择合适的O形加摩擦和磨损；

③轴表面光洁度要求高，安装槽设计要便于O形圈安装且防止扭圈或波纹管；

④考虑冲洗和冷却系统机通常Ra≤

0.8μm；

④需要定期检查和调曲；

④考虑温度变化对O形圈的影响O械密封设计需综合考虑密封性能、使用寿整填料密封适用于中低速、低精度要求形圈材料多采用丁腈橡胶、氟橡胶或硅橡命和经济性等因素的场合，如泵、阀、活塞杆等胶等，根据工作介质和温度选择第十八章机械振动与减振设计第十九章机械传动系统设计传动系统方案设计传动系统结构布置根据功能需求和工作条件确定传动链结构与传动方优化零部件空间位置，确保紧凑性和维修便利性式传动系统效率优化传动系统可靠性分析减少能量损失，提高传动效率评估系统各环节的可靠性，预测使用寿命机械传动系统是将动力源的运动和功率传递给工作机构的组合装置，通常由多级传动组成传动系统方案设计首先要确定整体传动链结构，选择合适的传动方式（如齿轮传动、带传动、链传动等）并确定各级传动比方案选择应综合考虑技术要求、使用环境和经济因素等传动系统结构布置需合理安排各部件的空间位置，确保系统紧凑、轻便且维修方便轴系设计是传动系统的骨架，需科学确定轴的尺寸和形状，并合理布置轴上零件可靠性分析贯穿设计全过程，通过计算各关键部件的寿命，预测系统整体可靠性传动效率优化涉及减少摩擦损失、选择高效传动方式和优化润滑系统等多方面措施机械传动系统实例机床主传动系统车辆传动系统风力发电机传动系统机床主传动系统将电动机的动力传递给主轴，汽车传动系统将发动机动力传递给车轮，同时风力发电机传动系统将风轮的低速大扭矩转化实现切削工具或工件的旋转运动现代机床主实现速度和转矩的变换典型的传动链包括离为发电机所需的高速小扭矩传统设计采用多传动通常采用变频调速电机与多级传动组合，合器、变速器、传动轴、差速器和半轴等现级行星齿轮增速器，现代设计趋向于直驱式以获得宽广的转速范围和足够的输出扭矩传代汽车变速器类型多样，包括手动、自动、（无齿轮箱）或混合式传动传动系统设计需动链通常包括电机、联轴器、减速器（通常为CVT和双离合器等设计重点是传动效率、考虑风载变化大、工作环境恶劣和维护难度高齿轮变速箱）和主轴系统设计关注点是系统换挡平顺性和可靠性电动汽车传动系统则更等特点，重点关注疲劳寿命、润滑冷却和密封刚度、精度和效率为简化，通常只需单级减速器防护先进的状态监测系统有助于提高风机传动系统的可靠性第二十章机械设计中的材料选择常用工程材料及性能机械制造中常用的工程材料主要包括金属材料、非金属材料和复合材料三大类•金属材料铁基合金（碳钢、合金钢、铸铁）、铜合金、铝合金、镁合金、钛合金等•非金属材料工程塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等•复合材料纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料等不同材料具有各自独特的力学性能、物理性能和化学性能，需根据使用条件合理选择材料选择的基本原则材料选择应遵循以下基本原则•满足工作性能要求强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性等•考虑制造工艺因素可加工性、焊接性、热处理性能等•兼顾经济性材料成本、加工成本和使用维护成本•关注可持续性材料的可再生性、环保性和回收利用性零件材料的合理选择不同零件根据其功能和工作条件选择合适的材料•轴类零件通常选用中碳钢（45钢）或合金钢（40Cr）•齿轮常用40Cr、20CrMnTi等渗碳钢或45钢等调质钢•弹簧多采用高碳钢（65Mn）或弹簧钢（60Si2Mn）•轴承轴承钢（GCr15）或轴承青铜（ZQSn10-1）新型材料应用新型材料在机械设计中的应用不断拓展•高性能工程塑料替代金属零件，减轻重量•纳米材料提高表面硬度和耐磨性•形状记忆合金用于智能控制和驱动•碳纤维复合材料高比强度，用于轻量化设计第二十一章机械制造工艺性30%70%制造成本占比设计决定的成本机械产品总成本中制造成本的平均占比，设计时的工艺考虑可显著降低此比例产品总成本中由设计阶段决定的比例，表明设计阶段对成本控制的重要性倍525%后期修改成本倍数工艺性改进节省生产阶段修改设计的成本比设计阶段修改的成本高出的倍数通过优化设计的工艺性，可实现的平均制造成本节省比例机械制造工艺性是指机械产品在设计阶段就充分考虑其制造加工的可行性和经济性具有良好工艺性的设计可以简化制造过程，降低生产成本，提高生产效率和产品质量机械加工工艺基础包括切削原理、刀具选择、工艺规程制定和夹具设计等内容，这些都是机械设计师需要了解的基础知识铸造工艺是金属零件成形的重要方法，设计时需考虑浇注系统、冷却条件、收缩率和内应力等因素铸件设计应避免厚薄不均、尖角和急剧变化的截面，保证均匀冷却和无缺陷成形锻造工艺利用金属塑性变形成形，能改善金属流线结构，提高零件强度锻件设计要考虑成形工艺的可行性，避免过于复杂的形状和过小的圆角焊接工艺是连接零件的常用方法，设计时应减少焊缝、避免应力集中，同时考虑焊接变形的影响设计与制造工艺切削加工与设计切削加工是机械制造中最常用的方法，包括车削、铣削、钻削、磨削等设计时应考虑刀具接近性、装夹定位、加工基准和尺寸精度等因素零件结构应尽量使用标准刀具可加工的形状，避免深孔、窄槽和复杂曲面等难加工特征为提高生热处理与设计产效率，应考虑零件的一次装夹多面加工可能性热处理能改变材料内部组织结构，提高机械性能常用的热处理方法包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等设计时应考虑热处理变形和开裂风险，避免表面处理与设计截面突变和尖角对于需要局部硬化的零件，应预留足够的硬化深度和过渡区热处理后的精加工余量也需在设计时考虑表面处理能改善零件的耐腐蚀性、耐磨性和外观常见的表面处理包括电镀、氧化、喷涂、渗碳氮化等设计时应考虑处理层厚度对配合尺寸的影响，避免药液积聚区域，并设计合适的挂具点表面处理前的清洁度要求也应在设计和工艺文设计经济性评价件中明确规定设计经济性评价是衡量设计方案优劣的重要标准，包括材料成本、制造成本、装配成本和使用维护成本的综合考量评价方法包括价值工程分析、成本预测模型和竞品对标等设计师应在满足功能要求的前提下，通过优化结构、简化工艺和标准化零部件等手段降低产品全生命周期成本第二十二章机械设计创新方法理论简介形态分析法脑力激发法TRIZTRIZ是发明问题解决理论的俄文缩写，是形态分析法是通过将设计问题分解为功能单脑力激发法包括头脑风暴、思维导图和六顶思一种系统化的创新方法论TRIZ理论认为创元，并为每个功能列出多种实现方案，然后通考帽等方法，通过集体智慧和多角度思考促进新设计问题具有普遍性，可以通过40个发明过组合不同功能的实现方案来生成完整设计方创新这类方法的关键在于创造开放、宽容的原理、39个技术参数和矛盾矩阵等工具系统案的创新方法这种方法能产生大量潜在解决讨论环境，鼓励参与者自由发表想法而不担心化解决TRIZ方法能帮助设计师跳出思维定方案，扩大设计空间，发现常规思维难以想到批评，然后对这些想法进行筛选和优化脑力式，发现不同领域的相似解决方案，大大提高的创新组合形态分析适合于复杂系统的创新激发法特别适合于概念设计阶段，能够产生大设计创新效率设计，如机械产品的整体方案创新量创意和解决思路计算机辅助设计与分析CAD系统应用计算机辅助设计CAD系统是现代机械设计的重要工具，包括二维绘图和三维建模功能主流CAD软件如AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、UG等各有特点和应用场景CAD系统不仅提高了设计效率和精度，还实现了设计信息的数字化管理和共享，支持并行工程和协同设计高级CAD系统还集成了运动仿真、装配干涉检查和公差分析等功能参数化设计方法参数化设计是通过建立几何模型与参数之间的关联，使设计模型能够根据参数变化自动更新的设计方法参数可以是尺寸、位置、数量等属性，通过参数控制实现设计的快速变更和优化参数化设计特别适用于标准件系列化设计和频繁变更的产品，能大幅提高设计效率和一致性高级参数化设计还可引入设计意图和工程知识，形成知识驱动的设计系统有限元分析简介有限元分析FEA是一种数值计算方法，通过将复杂结构离散为有限个单元进行分析计算在机械设计中，有限元分析主要用于强度分析、热分析、振动分析和疲劳分析等有限元分析能够预测零件在各种工况下的性能表现，减少实物试验，缩短开发周期使用有限元分析时需注意模型简化、网格划分、边界条件和结果验证等关键环节，确保分析结果的准确性仿真优化技术仿真优化是将计算机仿真与优化算法相结合，自动寻找最佳设计方案的技术常用的优化方法包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化和多目标优化等仿真优化能够在满足强度、刚度等性能要求的前提下，实现重量最轻、成本最低或性能最优的设计目标现代优化技术已广泛应用于航空航天、汽车和机械设备等领域的轻量化设计和性能提升综合案例与展望通过典型机械设计案例分析，我们可以将课程所学的理论知识与实际应用相结合这些案例涵盖了从传统机械到现代智能装备的各个领域，展示了机械设计的综合性和系统性案例分析不仅帮助理解设计原理和方法，还揭示了设计过程中需要考虑的各种因素和可能遇到的问题机械设计正经历由传统向智能化、绿色化的转变新材料如高性能复合材料、超级合金和纳米材料等的应用拓展了设计空间；新技术如3D打印、虚拟现实和人工智能等正改变设计方法和流程绿色设计和可持续发展理念要求产品全生命周期的环保性，包括材料选择、能源效率、回收利用等方面智能制造时代的机械设计将更加注重系统集成、信息互联和智能控制，未来的机械工程师需要跨学科知识和创新思维，以适应这一变革。