《机械设计基础课程》课件

机械设计基础课程欢迎来到机械设计基础课程！作为一门技术基础课程，本课程旨在培养学生的机械设计能力，帮助你掌握设计机械系统所需的核心知识和技能本课程注重基本知识、理论、方法和创新思维的培养，将带领你深入了解机械设计的各个方面我们将全面介绍机械设计的核心原理与应用，从基础概念到实际案例，为你的工程技术生涯打下坚实基础课程概述课程性质学科地位本课程是工程技术领域的技术基础作为工程技术专业的必修课，本课核心课程，注重培养学生的机械设程是机械工程、自动化、机电一体计思维和实践能力课程内容涵盖化等专业学生必须掌握的基础学从机械原理到具体设计方法的全面科它是连接理论与实践的重要桥知识体系梁学习目标通过本课程学习，学生将掌握机械设计的基本能力，包括机构分析、传动设计、强度计算以及标准零部件选用等关键技能，为后续专业课程奠定基础学习方法指导理论学习系统掌握机械设计的基础理论知识，包括机构学、力学、材料学等相关理论，建立完整的知识框架实践应用通过设计实验、习题练习和实际设计项目，将理论知识转化为实际应用能力，培养动手解决问题的技能创新思维在掌握基础知识的前提下，学会用创新的眼光看待机械设计问题，尝试提出新的设计方案和解决思路机械设计的研究对象机械产品机械系统包括各类机器、设备和装置，如机床、泵、由多个机械装置组成的系统，关注整体功能风机、车辆等这些是机械设计最直接的研实现和系统协调性，如生产线、自动化系统究对象等机械机构机械零部件实现特定运动和功能的组合体，如连杆机构成机械的基本单元，包括标准件和非标准构、凸轮机构等，是机械设计的基础研究对件，如轴、齿轮、轴承、螺栓等象第一章机械设计概论机械设计的定义与目标创造满足特定需求的机械产品设计过程的基本阶段从需求分析到最终方案确定现代机械设计的特点数字化、智能化与集成化机械设计是创造性地构思和确定机械产品的过程，目的是设计出能够满足特定功能要求，同时经济合理、安全可靠的机械系统设计过程通常包括问题定义、方案设计、详细设计和设计评价等基本阶段机械设计的基本原则工作可靠性原则技术经济合理性原则机械产品必须能够在规定条件下可靠工作，满足强度、刚度和稳在满足功能要求的前提下，追求经济合理性，包括制造成本、使定性等要求，确保使用安全这是机械设计的首要原则用成本和维护成本的综合考量，实现价值最大化环保与可持续发展原则制造工艺性原则设计应考虑环境影响，选择环保材料，降低能耗，减少污染，并设计必须考虑现有制造工艺能力，确保产品能够被经济、高效地考虑产品全生命周期的环保性能生产制造，避免不必要的复杂结构机械设计方法论传统设计方法现代设计方法基于经验和类比的设计方法，从已有产品和设计方案出发，通过基于系统工程思想和计算机技术的设计方法，强调对设计问题的改进和优化来实现新的设计这种方法依赖设计师的经验积累和系统分析和结构化解决这类方法提倡创新思维和系统优化，利工程直觉，强调渐进式创新用现代技术手段提高设计效率•修改设计法•参数化设计•类比设计法•模块化设计•经验设计法•仿生设计机械设计流程需求分析阶段收集和分析用户需求，明确设计目标和约束条件包括市场调研、用户访谈、竞品分析等活动，形成产品设计规格书方案设计阶段提出多种可行的设计方案，进行比较分析和初步评估通过功能分析、创意构思和方案筛选，确定最优设计方向技术设计阶段将选定方案转化为详细的技术文档包括零部件设计、材料选择、强度计算、工艺分析等，生成完整的技术图纸和说明生产准备阶段为产品制造做准备，包括工艺规程制定、工装设计、生产计划安排等，确保设计能够顺利转化为产品第二章平面机构运动分析12自由度分析方法机构的运动自由度是衡量其灵活性的重要指标包括瞬心法、图解法和解析法等多种分析手段3应用领域广泛应用于各类机械设备的运动设计平面机构是机械设计中最基础的研究对象之一，它是由多个构件通过运动副连接而成的运动系统机构的基本概念包括构件、运动副、自由度等，理解这些概念是进行机构分析的前提自由度计算是机构运动分析的第一步，常用公式为F=3n-2PL-PH，其中n为活动构件数，PL为低副数，PH为高副数瞬心法是分析平面机构瞬时运动状态的有效工具，而图解法和解析法则可以更准确地计算机构的运动学参数杆系机构分析杆系机构是机械设计中最常见的机构类型，包括铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮机构和棘轮机构等这些机构通过不同的构件组合和连接方式，实现各种复杂的运动形式和功能铰链四杆机构是最基本的闭链机构，由四个构件通过转动副连接而成根据各杆长度关系，可分为双曲柄、曲柄摇杆、双摇杆和特殊情况曲柄滑块机构则是由铰链四杆演变而来，常用于往复运动的实现，如内燃机的曲柄连杆机构平面连杆机构详解凸轮机构设计凸轮廓线设计运动规律确定根据从动件的运动规律，设计凸轮的理论廓线和工凸轮类型选择设计从动件的位移、速度和加速度曲线，常用的运作廓线需要考虑基圆大小、压力角限制和尖点避根据应用场景选择盘形凸轮、筒形凸轮或槽形凸轮动规律包括等速运动、简谐运动、余弦加速度运动免等因素，确保凸轮机构的可靠运行等不同类型每种凸轮都有其特定的优势和适用范等合理的运动规律可以减少冲击，提高机构的平围，如盘形凸轮结构简单但只能实现单向推动，而稳性槽形凸轮可以强制控制从动件运动凸轮机构的尺寸计算是设计的重要环节，包括基圆半径确定、最小压力角计算、从动件尺寸设计等合理的尺寸设计能够降低磨损，延长机构使用寿命，提高运行精度间歇运动机构槽轮机构槽轮机构是通过槽轮上的导槽引导销钉运动，实现间歇转动的机构它具有结构紧凑、传动平稳的特点，常用于包装机械、自动化生产线等需要精确间歇运动的场合棘轮机构棘轮机构由棘轮和棘爪组成，能够实现单向间歇运动它具有结构简单、操作可靠的优点，但存在一定的冲击和噪声，主要应用于计数器、绞盘等简单机械中不完全齿轮机构不完全齿轮机构利用部分齿轮啮合传动的原理，通过齿轮上齿数的不连续分布，实现驱动轴连续旋转下的从动轴间歇运动，适用于需要精确定位的分度装置间歇运动机构在自动化设备中有着广泛的应用，选择合适的间歇机构需要综合考虑间歇比、精度要求、工作频率等因素近年来，随着电子控制技术的发展，传统机械式间歇机构正逐渐被伺服控制系统取代，但在某些特定场合，机械式间歇机构因其简单可靠的特性仍有不可替代的优势第三章带传动高效灵活带传动效率高达98%，且具有缓冲减震能力结构多样平带、V带、同步带等多种形式适应不同需求传动原理依靠摩擦力或啮合力传递动力和运动带传动是一种利用柔性带将运动和动力从主动轮传递到从动轮的机构，是机械传动中应用最广泛的形式之一带传动的工作原理主要依靠带与轮之间的摩擦力或者啮合力实现动力传递，具有结构简单、运行平稳、可跨距离传动等优点带的种类多样，包括平带、V带、多楔带、同步带等其中平带结构简单但易打滑；V带利用楔形截面增大摩擦，传动能力强；同步带则通过齿形结构实现啮合传动，避免了滑动，保证了精确的传动比带传动的受力分析包括紧边张力、松边张力、环向力等，是设计计算的基础带传动计算链传动链传动的工作原理链条种类与选用链传动通过链条与链轮的啮合实现动力传递，属于啮合传动链常用的链条包括滚子链、套筒链、销轴链等，其中滚子链应用最条的节距与链轮的齿数决定了传动比，传动过程中不存在弹性滑为广泛链条选用需要考虑功率、速度、冲击负荷等因素，并参动，能保证精确的传动比考国家标准选择合适的规格链条在工作时，链节与链轮齿形成滚动接触，减小了摩擦损耗，链条的材料选择对耐久性有重要影响，常用材料包括碳钢、合金提高了传动效率由于链条是柔性构件，可以适应较长的传动距钢等在恶劣环境下，还需考虑采用特殊材料或表面处理以提高离，且具有一定的缓冲减震能力耐腐蚀性和耐磨性链轮设计是链传动的关键环节，包括齿形设计、齿数确定和轮毂结构设计链轮齿数不宜过少（一般不少于17齿），以减小多边形效应和冲击链传动的张紧装置有固定式和可调式两种，可调式包括调心轴承座、偏心轮和张紧轮等形式，能够补偿链条的磨损和伸长链传动计算1传动比确定链传动的传动比由主动链轮和从动链轮的齿数比决定，即i=z₂/z₁为获得平稳传动，应避免两链轮齿数的最大公约数过大，理想情况下两链轮齿数互质2链条选择根据传递功率、工作速度和冲击系数选择链条型号工作环境恶劣时需考虑修正系数标准中常提供链条的许用功率图表或计算公式，便于进行初步选型3链轮参数计算链轮参数包括分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径等分度圆直径d=p/sin180°/z，其中p为链条节距，z为齿数根据计算结果确定链轮的加工尺寸4中心距与链条长度链条长度L=2a+z₁+z₂/2+[z₂-z₁/2π]²/a，其中a为中心距（以节距p为单位）实际应用中通常根据标准链条长度反推确定合适的中心距链传动的计算过程需要考虑多种因素，包括功率、速度、工作环境等合理的计算和选型可以确保链传动系统的可靠性和使用寿命在链传动系统设计中，还需考虑润滑方式的选择，常用的有滴油、油池浸润和喷油等方式，应根据运行速度和负荷条件合理选择第四章齿轮传动基础基本原理主要特点1齿轮传动基于啮合原理，通过啮合齿形接触传动比准确，效率高，寿命长，结构紧凑，传递动力和运动适应性广齿廓理论渐开线性质基于啮合基本定律设计，渐开线是最常用的具有中心距变动不影响传动比等优良特性齿廓曲线齿轮传动是机械传动中最重要的形式之一，它通过啮合作用传递运动和动力，具有传动比准确、效率高、承载能力大、结构紧凑等显著优点齿轮传动的基本原理是通过两轮上的齿互相啮合，产生推力和约束运动，实现旋转运动的传递齿廓曲线理论是齿轮设计的核心，目前应用最广泛的是渐开线齿廓渐开线齿廓具有独特的几何性质，包括啮合点连线为直线（啮合线）、中心距在一定范围内变化不影响传动比等，这些性质使得渐开线齿轮在制造和使用中具有显著的优势标准直齿圆柱齿轮参数符号计算公式说明模数m d/z基本尺寸参数分度圆直径d mz与模数和齿数相关齿顶圆直径da d+2m外圆直径齿根圆直径df d-

2.5m内圆直径齿高h

2.25m齿顶至齿根的高度标准直齿圆柱齿轮是齿轮传动中最基本的类型，其基本参数包括模数、齿数、压力角等模数是齿轮大小的基本度量单位，国家标准规定了优先采用的模数系列标准齿轮的压力角通常为20°，这是正常齿廓与特殊齿廓的分界线渐开线齿廓的主要特性包括啮合线为直线、啮合时滚动与滑动并存、中心距变化不影响传动比等这些特性使得渐开线齿轮易于标准化生产，并在使用中具有良好的适应性模数选择是齿轮设计的首要步骤，需要考虑承载能力、工艺条件和标准化等因素齿轮制造与精度齿轮加工方法齿轮精度等级•成形法滚刀、插齿、剃齿•1-4级精密仪器用齿轮•展成法铣齿、插齿、磨齿•5-7级高速精密机械用齿轮•特种加工电火花、线切割•8-9级普通机械用齿轮不同加工方法适用于不同的生产规模和精度•10-12级低速农机用齿轮要求，合理选择可以提高生产效率并降低成精度等级选择需考虑转速、负荷和噪声要求，本过高的精度会显著增加制造成本齿轮误差及检测•齿距误差单个齿距、累积齿距•齿形误差渐开线偏差•径向跳动装配误差•侧隙消除热膨胀和补偿误差齿轮检测方法包括专用仪器检测和运转检查，通过系统检测确保齿轮品质齿轮的制造精度直接影响其工作性能，包括传动平稳性、噪声水平、承载能力和使用寿命齿轮精度分级标准为设计和制造提供了统一的指导，各精度等级对应不同的应用场景和要求斜齿轮传动斜齿轮的特点与优势斜齿轮的几何参数斜齿轮是指齿线与轮轴成一定角度（螺旋角）的圆柱齿轮由于斜齿斜齿轮相比直齿轮多了螺旋角这一关键参数，通常取值在8°~20°之的存在，相邻齿逐渐进入啮合，使得载荷传递更加平稳，显著减小了间螺旋角越大，啮合平稳性越好，但轴向力也越大，需要合理选冲击和振动择•啮合平稳，噪声小斜齿轮的主要几何参数包括•承载能力大，寿命长•法面模数mn•适用于高速重载场合•端面模数mt=mn/cosβ•同尺寸下啮合重叠系数大•法面压力角αn•端面压力角αt当量齿数是斜齿轮设计中的重要概念，它考虑了螺旋角对实际啮合特性的影响，计算公式为zv=z/cos³β当量齿数的引入使得直齿轮的计算方法可以直接应用于斜齿轮的设计中，大大简化了计算过程斜齿轮在传动过程中会产生轴向力，需要采用适当的轴承来承受和消除这一附加载荷为了消除轴向力，有时采用人字齿轮设计，即两组螺旋角方向相反的斜齿组合在一起，使轴向力相互抵消锥齿轮传动直齿锥齿轮齿线沿锥体母线方向的锥齿轮，结构简单，制造较容易，但啮合性能较差，一般用于低速传动场合其分度锥角取决于传动比，垂直传动时两轮分度锥角之和为90°弧齿锥齿轮齿线为圆弧形的锥齿轮，具有较好的啮合性能和承载能力格里森弧齿锥齿轮是最常用的类型，适用于中高速传动制造精度要求高，成本较高螺旋锥齿轮齿线为螺旋线的锥齿轮，啮合性能介于直齿和弧齿之间螺旋角通常在25°~40°之间，能够平稳传递较大功率，但存在轴向力，设计和安装更复杂锥齿轮传动主要用于相交轴之间的运动传递，轴线交角最常见的是90°，但也可以设计成其他角度锥齿轮的几何参数较为复杂，包括外锥距、平均锥距、锥角等，设计计算需要考虑这些特殊参数锥齿轮的安装调整是确保其正常工作的关键，包括背隙调整、接触区检查等由于锥齿轮的啮合精度对安装位置极为敏感，通常需要通过专用工装辅助安装，并进行蓝靛接触检查，确保接触区位置和形状合适蜗杆传动工作原理1类似于螺旋和螺母，实现垂直交错轴间的传动特点分析大传动比、自锁性、高平稳性，但效率较低参数计算模数、线数、中心距、传动比等关键参数确定效率与发热考虑摩擦损失、热平衡设计和散热措施蜗杆传动是一种特殊的齿轮传动形式，用于实现垂直交错轴之间的运动传递蜗杆与丝杠类似，而蜗轮则类似于带有特殊齿形的齿轮当蜗杆旋转时，其螺旋面推动蜗轮的齿面，使蜗轮绕其轴线旋转蜗杆传动具有独特的优势，包括体积小、传动比大（单级可达100:1）、运行平稳、噪声低等但同时也存在效率较低（通常为30%~90%）、发热量大、易磨损等缺点蜗杆传动的参数计算包括模数、齿数、传动比、中心距等，需要考虑强度和热平衡要求材料配对通常采用硬钢蜗杆和铜合金蜗轮，以获得良好的抗磨性和嵌入性齿轮传动强度计算

2351.2失效形式计算系数安全系数齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳是主要失效形式多种修正系数考虑各类影响因素接触安全系数SH和弯曲安全系数SF的典型取值齿轮传动的强度计算是齿轮设计的核心内容，主要考虑两种失效形式齿面接触疲劳（点蚀）和齿根弯曲疲劳（断齿）齿面接触强度计算基于赫兹接触应力理论，考虑齿面所承受的接触应力是否超过材料的接触疲劳极限计算公式考虑了齿轮几何参数、载荷特性和使用条件等多种因素齿根弯曲强度计算则基于弯曲应力理论，分析齿根危险截面的应力状态，防止齿根断裂计算中需考虑齿形系数、应力集中和尺寸效应等多种影响因素实际计算中引入了大量修正系数，包括载荷系数、动载系数、分布系数等，以反映实际工作条件对强度的影响安全系数的确定需要考虑齿轮的重要性、使用条件和可靠性要求等因素第五章轴系设计轴的分类与功能轴的结构设计原则轴是机器中支承和传递转矩的重要轴的结构设计需考虑强度、刚度、零件，根据承受载荷特性可分为振动特性和装配工艺等因素通常主轴（承受转矩和弯矩）、心轴采用阶梯状结构，以适应不同零件（仅承受弯矩）、传动轴（仅传递的安装需求，同时注意过渡处的圆转矩）根据结构形式又可分为直角处理，避免应力集中轴、曲轴、挠性轴等轴的材料选择轴材以中碳钢和中碳合金钢为主，如45钢、40Cr等重要轴件可采用调质处理提高强度，轴颈等局部可进行表面硬化处理提高耐磨性材料选择需综合考虑强度、韧性和经济性轴的标准化设计是提高设计效率和制造经济性的重要手段国家标准规定了轴径的优先数系列、轴端的标准形式、键槽和花键的标准尺寸等，设计中应优先采用这些标准化元素此外，轴的结构设计还需考虑零件的定位、固定、装配和拆卸的便利性轴的受力分析轴的强度计算安全设计确保轴在各种工况下安全可靠运行疲劳强度考虑循环载荷和应力集中的长期使用安全性静强度验证轴在峰值载荷下不会发生塑性变形轴的强度计算主要包括静强度计算、疲劳强度计算、刚度计算和临界转速计算静强度计算主要验证轴在极限载荷下不会发生屈服或断裂，计算基于第三强度理论（最大切应力理论）或第四强度理论（畸变能理论），合成应力σ=√σ²+3τ²≤[σ]疲劳强度计算是轴设计中最关键的部分，因为轴通常在循环载荷下工作，容易发生疲劳破坏计算中需考虑尺寸效应、表面质量、应力集中等多种影响因素刚度计算确保轴在工作时不会产生过大的挠曲和扭转变形，影响精度和运动稳定性临界转速计算则是为了避免轴在工作转速接近临界转速时发生剧烈振动，通常要求工作转速应避开临界转速的±25%范围轴的结构设计轴肩与过渡设计键槽与花键设计轴端固定结构轴系装配设计轴肩是轴上的台阶，用于键连接用于传递较小转矩，轴端结构包括螺纹、环槽轴系装配设计需考虑零件轴向定位零件过渡处应结构简单但降低轴的疲劳等，用于轴向固定零件的装配顺序、定位方式和设计合适的圆角或倒角，强度花键连接适用于较设计时需考虑装配和拆卸固定方法合理的装配设减小应力集中圆角半径大转矩传递，并可实现轴的便利性，以及防松脱措计可简化生产工艺，提高一般取为轴径差的

0.1倍，向移动键槽和花键加工施标准轴端可简化设计装配效率和维修便利性最小不小于1mm应符合标准规范和制造过程轴的结构设计是一项综合性工作，既要满足强度、刚度和振动要求，又要考虑制造工艺性和装配维修便利性设计中应尽量简化结构，采用标准化元素，减少特殊加工要求，降低制造成本同时，应注意预留适当的调整余量，便于后期精度调整和维护第六章轴承轴承的分类与选用滚动轴承寿命计算轴承是支承机械旋转体并使其相对其他部件转动的机械元件，按滚动轴承的寿命通常以能完成的总转数或工作小时数表示，基于照工作原理可分为滑动轴承和滚动轴承两大类疲劳理论进行计算轴承基本额定寿命的计算公式为滑动轴承基于液体动压或静压润滑原理，适用于高速、重载、精L₁₀=C/Pᵖ×10⁶转密或特殊环境工况；滚动轴承利用滚动体减小摩擦，应用更为广式中L₁₀为基本额定寿命（90%的轴承能达到或超过的寿泛，标准化程度高命）；C为基本额定动载荷；P为当量动载荷；p为寿命指数（球•径向载荷深沟球轴承、圆柱滚子轴承轴承p=3，滚子轴承p=10/3）•轴向载荷推力球轴承、推力滚子轴承修正后的寿命计算还需考虑可靠度、材料和工作条件等因素，通•复合载荷角接触球轴承、圆锥滚子轴承过引入修正系数进行调整轴承的选用需综合考虑载荷特性、转速要求、安装条件、环境因素及经济性等多方面因素，合理的轴承选择是确保机械系统可靠运行的关键环节滚动轴承选型滚动轴承选型是机械设计中的重要环节，需要熟悉轴承型号体系和各类参数含义轴承型号通常包含系列代号、类型代号、尺寸代号等信息，如6308表示深沟球轴承、内径40mm、外径90mm、宽度23mm轴承精度等级从高到低依次为P

2、P

4、P

0、P

6、P5，普通机械多采用P0级，高精度机床主轴可能需要P4或P2级轴承游隙是指轴承安装前内、外圈相对径向或轴向可能的位移量，分为径向游隙和轴向游隙游隙的选择需考虑温升、过盈量和工作要求等因素轴承配合设计则需根据载荷情况确定内圈与轴、外圈与孔的配合方式，一般内圈与轴采用过盈配合，外圈与孔则根据载荷特性选择固定或滑动配合滚动轴承计算轴承类型径向系数X轴向系数Y e值深沟球轴承

0.

561.

80.22角接触球轴承

0.

441.

00.3圆锥滚子轴承

0.

40.4·ctgα

0.4推力球轴承

01.0-滚动轴承的计算核心是寿命计算，首先需要确定基本额定寿命，即在规定条件下90%的同批轴承能够达到或超过的寿命，通常以百万转为单位实际工作中，需要将基本额定寿命转换为工作小时数L₁₀h=10⁶/60n·L₁₀，其中n为轴承转速（r/min）当量动载荷计算是轴承计算的关键步骤，对于同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa的轴承，当量动载荷P=XFr+YFa，其中X和Y分别为径向系数和轴向系数，取值根据轴承类型和Fa/Fr的比值确定考虑到高可靠度要求、特殊材料或工作条件，实际计算中还需引入可靠度修正系数a₁、材料修正系数a₂和工作条件修正系数a₃，计算修正后的寿命Lna=a₁·a₂·a₃·L₁₀轴承安装与润滑安装方式固定方法包括直接安装、轴承座安装、挡圈限位等多种形式螺母、端盖、挡圈等不同固定结构的选用原则密封设计润滑类型迷宫密封、唇形密封、组合密封等防护措施油润滑、脂润滑的特点与适用条件轴承的安装方式直接影响其工作性能和使用寿命轴承安装通常遵循内圈与转动零件压紧，外圈与固定零件压紧的原则常见的安装方式包括直接压装、轴承座安装、调心安装等对于需要精确定位的场合，如机床主轴轴承，通常采用定位—浮动支承的组合方式，即一端轴承限制轴向位移，另一端轴承允许有轴向窜动，以适应热膨胀轴承润滑是保证轴承正常工作的关键油润滑适用于高速、高温场合，散热性好，但密封要求高；脂润滑结构简单，维护方便，适用于中低速条件轴承密封设计则是防止润滑剂泄漏和外部污染物进入的重要措施，包括接触式密封和非接触式密封两大类合理的密封设计可以显著延长轴承使用寿命，降低维护成本第七章联轴器与离合器刚性联轴器挠性联轴器万向联轴器结构简单、传动效率高，主要用于连接同轴含有弹性元件，能缓冲冲击、减振降噪，并适用于两轴线有较大交角的情况，通过万向度较高的两轴包括套筒式、凸缘式和夹壳补偿轴系的径向、轴向和角向偏差常见的节实现动力传递单十字轴万向节在传动过式等类型不能补偿轴系的制造误差和安装有轮胎式、蛇形弹簧式、膜片式等，广泛应程中输出轴的角速度不均匀，双万向节可以误差，对轴系同轴度要求高用于各类机械传动系统消除这一缺点，实现等速传动离合器是一种可以随时接合或分离动力传递的装置，按工作原理可分为摩擦式、流体式、电磁式等摩擦离合器利用摩擦力传递转矩，结构简单可靠；液力离合器利用液体动量传递动力，启动平稳；电磁离合器则通过电磁力控制接合状态，操作简便离合器的选择需根据传递转矩大小、使用频率、控制方式等因素综合考虑联轴器选型与计算联轴器类型选择根据工作条件选择合适的联轴器类型需考虑传递转矩大小、工作转速、偏差补偿能力、减振要求、工作环境等因素一般来说，高精度传动优选刚性联轴器，有冲击载荷时优选弹性联轴器，轴线夹角大时选用万向联轴器公称转矩计算联轴器的公称转矩应大于等于实际工作转矩乘以适当的选择系数，即T≥KTs选择系数K根据工作条件确定，通常为

1.2~

2.5工作条件越恶劣，冲击和过载越严重，选择系数越大考虑到启动过程可能出现的峰值转矩，有时还需进行启动转矩校核联轴器尺寸确定根据计算得到的公称转矩，查表选取标准联轴器，并确定其主要尺寸参数标准联轴器通常以公称转矩为基本参数编号，使用标准件可降低设计和制造成本对于特殊工况，可能需要进行定制设计和强度校核计算联轴器的安装调整直接影响其工作性能和使用寿命安装时需注意轴系对中，通常使用千分表或激光对中仪检测轴的同心度和平行度对于弹性联轴器，偏差值应控制在允许范围内；对于刚性联轴器，则要求更高的对中精度安装完成后，需进行试运行检查，包括温升、噪声、振动等指标，确保联轴器工作正常离合器设计计算第八章弹簧设计弹簧的分类与应用弹簧材料选择•按形状螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、•碳素弹簧钢

65、

70、85等，成本低但耐碟形弹簧等热性差•按载荷类型拉伸、压缩、扭转、弯曲弹•合金弹簧钢60Si2Mn、50CrVA等，综簧等合性能好•按材料金属弹簧、橡胶弹簧、复合材料•不锈钢1Cr18Ni9Ti等，耐腐蚀性好弹簧等•铜合金适用于导电和防磁场干扰场合弹簧广泛应用于缓冲减震、储能释能、测力称材料选择需考虑工作温度、腐蚀环境和疲劳要重、控制运动等场合求等因素弹簧设计要点•圆柱螺旋弹簧计算刚度、应力和变形量•板弹簧多用于汽车悬架，需计算挠度和应力•特殊弹簧碟形弹簧可获得非线性特性，波形弹簧空间紧凑设计中需注意防止共振、防止疲劳断裂和考虑制造工艺要求弹簧设计的核心是满足特定的力-变形关系要求，同时确保强度和寿命满足使用条件设计中需平衡刚度、强度、尺寸和制造工艺等多方面因素，合理选择材料和结构形式现代弹簧设计通常借助计算机辅助分析，进行参数优化和可靠性评估螺旋弹簧计算815%设计因素静应力螺旋弹簧设计中需考虑的主要技术参数最大静应力相对材料屈服强度的典型比例30%

1.2疲劳损伤弹性极限疲劳载荷下弹簧失效的主要原因比例弹簧材料屈服强度与抗拉强度的典型比值螺旋弹簧计算的核心内容包括刚度计算、变形计算和应力计算圆柱螺旋压缩弹簧的刚度计算公式为k=Gd⁴/8D³n，其中G为材料的剪切模量，d为丝径，D为平均圈径，n为有效圈数弹簧的变形量与外力关系为F=kf，其中f为弹簧的压缩量弹簧的应力计算需考虑剪切应力和扭转应力的组合效应，通常引入应力修正系数K进行修正，修正后的最大应力为τ=KF/πd²/16×D/2，其中K=4C-1/4C-4+

0.615/C，C为弹簧指数，C=D/d弹簧的疲劳寿命评估需考虑材料的疲劳极限、表面质量、尺寸效应等因素，通常通过Goodman图或Soderberg图进行安全评估第九章螺纹连接螺纹连接是机械设计中最常用的可拆卸连接形式，广泛应用于各类机械设备螺纹标准与规格包括螺纹类型（三角形、梯形、锯齿形等）、螺纹系列（粗牙、细牙）、公称直径和螺距等参数公制螺纹是最常用的标准，如M10×

1.5表示公称直径10mm、螺距

1.5mm的公制螺纹螺纹连接的特点包括连接可靠、拆装方便、标准化程度高等螺纹连接的预紧是确保连接可靠性的关键，通常通过扭矩扳手控制拧紧力矩实现特定的预紧力螺纹连接的防松措施包括弹簧垫圈、尼龙嵌入螺母、双螺母锁紧、点焊或铆接等，根据工作条件和振动程度选用不同的防松方式螺纹连接强度计算轴向载荷计算螺栓在拉伸和压缩作用下的应力状态横向载荷分析螺栓在剪切力作用下的受力情况复合载荷考虑多向力和力矩的综合作用效果螺栓组研究多个螺栓共同作用的力分布规律螺纹连接的强度计算是确保连接可靠性的基础轴向载荷计算考虑螺栓在拉伸状态下的应力，计算公式为σ=F/A₁，其中F为轴向载荷，A₁为螺栓应力截面积对于预紧连接，还需考虑预紧力产生的初始应力和外载引起的附加应力，以及垫片和连接件的刚度影响横向载荷计算涉及两种工作状态依靠摩擦力传递载荷和依靠螺栓剪切强度传递载荷前者要求足够大的预紧力以产生必要的摩擦力；后者则直接考验螺栓的剪切强度复合载荷计算需采用适当的强度理论综合评估螺栓的安全性螺栓组计算则需考虑载荷在各螺栓间的分配，通常假设载荷按螺栓刚度或距离比例分配第十章键连接与花键连接键连接花键连接键连接是通过键与轴和轮毂上的键槽配合，传递转矩的一种连接方式根花键连接是轴上加工多个键，与轮毂上的键槽啮合传递转矩的连接方式据键的形状可分为普通矩形键、半圆键、楔键和切向键等类型根据齿形可分为直齿花键和渐开线花键两大类矩形键是最常用的类型，具有以下特点花键连接相比键连接具有以下优势•结构简单，装拆方便•承载能力大，可传递较大转矩•标准化程度高，制造成本低•轴的应力集中小，强度高•传递转矩能力较小•定心性好，同轴度高•会引起轴的应力集中•允许轴向移动，适合变位机构键连接的强度计算主要考虑挤压强度和剪切强度，计算公式分别为花键连接设计需考虑的主要参数包括挤压强度σp=2T/dlh≤[σp]•模数、压力角和齿数•齿根高度系数和齿顶高度系数剪切强度τ=2T/dbh≤[τ]•有效长度和配合方式键连接和花键连接的选择需根据转矩大小、工作条件和精度要求等因素综合考虑一般情况下，转矩较小、要求简单时选用键连接；转矩较大、要求精度高或需轴向移动时选用花键连接实际应用中，键连接和花键连接常结合其他固定方式，如端盖、卡环等，确保连接的可靠性第十一章过盈配合过盈配合原理过盈配合是利用孔与轴之间的尺寸干涉，通过弹性变形产生压力和摩擦力，实现固定连接的方法过盈量δ是指配合前轴的直径减去孔的直径，这一差值决定了连接的紧固程度和承载能力过盈量确定过盈量的确定需考虑工作载荷、材料性能、接触面尺寸和表面粗糙度等因素过大的过盈量会导致装配困难和零件塑性变形；过小则无法提供足够的连接强度通常通过计算确定理论过盈量，然后选择合适的配合等级装配与拆卸方法过盈配合的装配方法包括压力装配、热装配和冷装配压力装配直接通过机械压力使零件装合；热装配利用热膨胀原理，加热外件或冷却内件后装配；冷装配则利用液氮等低温介质收缩内件实现装配拆卸通常采用专用拔具或加热法强度计算过盈连接的强度计算包括接触压力计算、传递力矩计算和应力计算接触压力p与过盈量δ的关系为p=Eδ/[d1/k+1/c]，其中E为弹性模量，d为名义直径，k和c为几何系数传递力矩T=πpdLμ/2，其中L为接触长度，μ为摩擦系数过盈配合广泛应用于轴承与轴、齿轮与轴、轮毂与轴等连接场合，具有结构简单、承载能力大、定心准确等优点但其拆装不便，且对加工精度要求高在设计中，需合理选择过盈量和配合等级，确保连接可靠性同时避免过盈过大导致的应力集中和塑性变形问题第十二章焊接连接对接焊缝对接焊缝是将两个工件的端面对齐后进行焊接，适用于承受拉伸、压缩和弯曲载荷的连接根据坡口形式可分为I型、V型、X型、U型等不同类型，选择合适的坡口形式可以确保焊缝质量和减少焊接变形角焊缝角焊缝是在两个相交工件的角部进行焊接，是最常用的焊接形式角焊缝主要承受剪切载荷，计算时以焊缝喉高为基准角焊缝可以是连续的，也可以是间断的，间断焊缝可减少焊接变形和节约材料搭接焊接搭接焊接是将两个工件重叠后在边缘进行焊接，结构简单，对工件加工精度要求低搭接焊接通常采用角焊缝，在轻载荷情况下也可采用点焊由于搭接增加了结构厚度，在空间有限的场合应谨慎使用焊接连接是最常用的永久性连接方式，具有强度高、密封性好、成本低等优点，但也存在焊接变形和残余应力等问题焊接接头设计需考虑载荷类型、焊接工艺和检验方法等因素，合理选择焊缝类型和尺寸焊接变形控制是保证焊接质量的关键，常用方法包括合理的焊接顺序、对称焊接、预变形、夹具固定等焊接质量检验方法分为无损检测和破坏性检测，常用的无损检测包括目视检查、渗透检测、超声波检测和射线检测等，应根据结构重要性和安全要求选择合适的检测方法焊接强度计算1对接接头计算对接焊缝的强度计算相对简单，通常假设应力在接头截面上均匀分布对于拉伸载荷，计算公式为σ=F/bt≤[σ]，其中F为拉力，b为焊缝宽度，t为板厚对接焊缝的许用应力通常取为母材许用应力的

0.85~

1.0倍，具体取值与焊接质量等级和检测方法有关2角焊缝计算角焊缝主要承受剪切应力，计算基于焊缝喉高对于承受剪切力的角焊缝，计算公式为τ=F/

0.7kL≤[τ]，其中k为焊脚尺寸，L为焊缝长度，

0.7k表示喉高角焊缝的许用应力通常取为母材许用应力的

0.6~

0.8倍，具体取值需考虑焊接位置和载荷特性3焊接件的疲劳强度焊接结构的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，主要受焊缝形状、残余应力和组织缺陷影响疲劳设计中应避免应力集中，如避免焊缝突变、减少焊缝交叉和优化过渡区域焊接疲劳强度计算通常采用S-N曲线和累积损伤理论，并引入各种修正系数考虑实际工况4焊接结构优化焊接结构优化的目标是提高强度、减轻重量和降低成本常用的优化方法包括合理选择焊缝位置和类型、减少焊缝数量和长度、避免应力集中部位焊接等对于重要结构，还可通过有限元分析优化焊接设计，确保结构的整体性能满足要求焊接强度计算是确保焊接结构安全可靠的基础，需综合考虑材料特性、焊接工艺、载荷特性和工作环境等多种因素在实际设计中，除了理论计算外，对于重要结构还应进行模型试验验证和使用前的无损检测，确保焊接质量满足设计要求第十三章机械零件设计通则材料选择原则尺寸与公差设计表面质量要求材料选择是机械设计的首要问尺寸设计应遵循功能化原则，表面质量包括表面粗糙度、表题，需综合考虑强度、刚度、确保零件能够实现预期功能面硬度和表面完整性等方面，耐磨性、耐腐蚀性、工艺性和公差设计则需考虑功能要求和直接影响零件的配合性能、摩经济性等因素常用材料包括加工能力，合理选择尺寸公差擦磨损特性和疲劳寿命表面各类钢材、铸铁、有色金属及带和形位公差标准化和系列粗糙度的选择应根据零件的功其合金、工程塑料等，应根据化尺寸的应用可以降低设计和能要求和经济合理性综合考零件功能和工作条件合理选制造成本虑择工艺性设计原则工艺性设计是确保零件能够经济高效地生产的关键，包括考虑材料的可加工性、结构的可制造性、装配的便利性和维修的易行性等设计中应尽量采用标准工艺和通用设备能够实现的结构机械零件设计通则是指导各类零件设计的共性原则和方法，它强调功能、强度、工艺和经济性的统一合理的零件设计不仅需要满足功能和强度要求，还需考虑制造工艺的可行性和经济合理性，这要求设计者具备多学科知识和系统思维能力第十四章机械系统设计系统性能优化满足功能要求的同时实现效率与可靠性的平衡子系统集成2传动、支承、操纵等子系统的协调设计总体布局确定系统基本结构与主要部件的空间位置关系方案构思基于需求分析提出多种可行的系统设计方案机械系统设计是将各类机械零部件和机构组合为完整功能系统的过程，它需要从系统层面进行规划和设计总体方案设计是机械系统设计的首要环节，包括功能分析、方案构思、技术经济比较和方案确定等步骤好的系统方案应具备功能完善、结构合理、经济适用等特点传动系统设计需要确定动力源、传动链结构和各级传动参数；支承系统设计重点考虑轴系布局和轴承选择；操纵系统设计则关注人机交互和控制方式机械系统设计是一个综合性工作，需要运用机械设计的各项基础知识，同时考虑系统整体性能和协调性，实现功能、性能、可靠性和经济性的最佳平衡特种机械设计考虑高速机械设计重载机械设计•动平衡设计减小振动和噪声•强度设计提高承载能力•轴承选择考虑高速适应性•刚度设计减小变形•润滑系统确保可靠润滑•耐磨设计延长使用寿命•材料选择考虑高速下的强度和疲劳特性•冷却设计散热降温高速机械设计需特别注意临界转速、振动控制和重载机械通常采用更高安全系数，并考虑冲击载热平衡问题，以确保系统在高转速下稳定运行荷和交变载荷对零部件疲劳寿命的影响特殊环境机械设计•耐高温设计材料选择与热膨胀考虑•耐低温设计防脆化措施•防腐蚀设计材料和表面处理•防辐射设计专用材料和屏蔽措施特殊环境下的机械设计需针对环境特点采取专门的设计对策，确保设备在极端条件下可靠工作特种机械设计需要针对特定的工作条件和要求，采取有针对性的设计策略精密机械设计强调高精度和稳定性，需要精细化设计和精确加工，包括热变形控制、振动隔离和精密调整机构等特殊设计在特种机械设计中，常规的设计方法和标准可能需要调整，设计者需要更深入地了解特定应用场景和极限工况，确保机械系统的可靠性和适应性机械设计案例分析1234需求分析方案设计详细设计优化验证以减速器设计为例，首先明确输入根据需求选择合适的传动类型（如计算各传动零件的尺寸和强度，设通过有限元分析、样机试验等方法转速、输出转速、传递功率和使用齿轮传动、蜗杆传动或行星传动），计轴系和支承系统，选择合适的润验证设计的可靠性，优化结构和参环境等基本需求，确定减速比、效确定传动级数和布局，进行初步的滑冷却方式，进行各零部件的详细数，确保产品满足各项技术要求和率和寿命等技术指标结构设计和空间规划设计和装配关系确定使用需求机床主轴箱设计强调高速精度和刚性，需要精心设计轴承支承系统和冷却装置；起重机构设计则更注重安全性和可靠性，包括制动器、限位器等安全装置的设计；自动化生产线设计则需要系统考虑各工位的协调性和柔性化要求通过案例分析可以看出，机械设计是理论与实践相结合的过程，需要灵活运用各类设计方法和理论知识，综合考虑技术实现性和经济合理性优秀的机械设计案例通常体现了设计师的创新思维和系统优化能力，值得学习和借鉴在机械设计中的应用CAD/CAE建模技术有限元分析运动仿真技术3D三维CAD建模是现代机械设计的基础工具，支持参数化有限元分析（FEA）是评估机械结构强度、刚度和振动运动仿真技术用于分析机械系统的运动特性，包括位移、设计、特征建模和装配设计主流软件如Solidworks、特性的重要工具通过将复杂结构离散为有限元网格，速度、加速度和动力学载荷等多体动力学分析可以模Creo、NX等提供了强大的建模功能，能够快速创建复计算各节点的位移和应力，可以预测结构在各种载荷条拟连杆机构、凸轮机构等复杂系统的运动，预测系统响杂的三维模型，并支持工程图自动生成、干涉检查和运件下的行为静力学分析、模态分析、热分析和疲劳分应和性能，发现潜在问题并优化设计参数动仿真等功能析是常见的FEA应用优化设计方法结合CAD/CAE技术，能够系统地改进设计方案拓扑优化可以在满足强度和刚度要求的前提下，找到最佳的材料分布；参数优化则通过调整设计变量，寻找满足多目标要求的最优解这些方法大大提高了设计效率和产品性能CAD/CAE技术的应用已经成为现代机械设计不可或缺的环节，它不仅提高了设计效率，减少了实物试验的需求，还促进了创新设计和性能优化掌握这些技术工具，结合传统的机械设计理论，是现代机械工程师的必备技能课程复习重点章节重点内容关键公式机构分析自由度计算、运动分析F=3n-2PL-PH带传动带长计算、传动比i=n₁/n₂=d₂/d₁齿轮传动几何参数、强度计算σH=ZE√Ft/bdₙ·u±1/u轴设计强度计算、结构设计σ=√σb²+3τ²≤[σ]轴承寿命计算、选型L₁₀=C/Pᵖ·10⁶机械设计课程的复习应注重基本原理的理解和计算方法的掌握重点公式包括自由度计算公式、齿轮模数关系式、轴的强度计算公式、轴承寿命计算公式等，这些都是解决设计问题的基础工具典型计算题主要涉及传动系统设计、轴系设计和联接件设计等方面，掌握这些计算方法对理解机械设计核心内容至关重要常见问题包括机构类型判断、传动方案选择、零件失效分析等，复习时应注意这些问题的分析方法和解决思路考试复习建议从理解基本概念入手，通过解题强化计算能力，最后进行综合训练提高设计能力重视实际案例分析，将理论知识与工程实践相结合，培养综合设计思维学习资源与参考教材与参考书目视频学习资源提供系统化的理论知识和设计方法直观展示设计原理和实际案例实践操作指导网络学习平台培养动手能力和工程实践经验提供互动交流和在线答疑的机会本课程推荐的主要教材包括《机械设计》（第10版，邱宣怀主编）和《机械设计手册》等权威参考书这些教材系统地介绍了机械设计的基本理论和方法，是学习和复习的主要资料此外，还可参考《机械设计案例分析》、《工程材料手册》等专业书籍，拓展知识面和应用能力除了传统教材，网络上有丰富的视频教程和在线课程，如中国大学MOOC平台的相关课程、B站的机械设计教学视频等各大CAD/CAE软件官网也提供了丰富的学习资源和案例库实践方面，鼓励参与机械设计竞赛、学校实验室项目和企业实习，将理论知识应用到实际问题中，培养综合设计能力和创新思维。