1、机械设计指导书讲解机械设计基础课程学习指导书 课程的性质和任务本课程是高校工科有关专业的一门重要的技术基础课，它在教学计划中起着承上启下的作用。通过本课程的教学，学生将初步受到有关机械设计的基础理论、设计方法和设计技能的系统训练，从而为进一步学习有关专业课和今后从事机械技术工作打下基础。 课程的内容和基本要求本课程实际上是“机械原理”和“机械零件”两门课程的合二为一。本课程着重讨论机械运动理论、常用机构、机器动力学基本知识和机械中一般参数、一般工况的通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。1要求掌握的基本知识机械设计的基本要求。常用机构的特点及其应用。机械零件的主要类型、特点与
2、应用。润滑和密封的基础知识。机械零件的常用材料，有关标准和规范等。2要求掌握的基本理论和方法基本理论：机构组成原理和运动分析。机械速度波动调节和转子平衡的原理。机械零件的受力分析、应力状态、失效形式。机械零件工作能力和计算准则（强度，刚度，摩擦、磨损与润滑，寿命，热平衡等）。计算方法（计算载荷，条件性计算，等强度计算，当量法，试算法等）。提高零件工作能力的措施（改善载荷和应力分布不均匀的方法，提高零件疲劳强度的措施，降低或增强摩擦的途径，提高零部件工艺性的途径和方法，以及预应力、变形协调原则在设计中的应用）。3要求掌握的基本技能简单机器的机构运动简图绘制。结构设计和制图技能。查阅技术资料，编制
3、有关技术文件的技能等。 学习材料1、 基本教材机械设计基础（高教第4版）杨可桢、程光蕴主编2、 辅导教材机械设计基础学习指导，岳大鑫编（本书）3、 参考资源机械设计基础网络课件，岳大鑫、陈晓勇编著4、 授课光盘西南科技大学制作的24学时的机械设计基础教学实录课程。 学习方法机械设计基础是一门理论与工程实际相结合的课程，具有如下特点：1多科综合性本课程涉及的常用机构、通用零件，从分析研究到设计计算，直至完成工作图，要用到多门基础课和技术基础课的知识（如机械制图、工程材料、机械制造基础、理论力学和材料力学等）。2表面上各章内容联系不紧，显得零乱不系统因本课程涉及机构和零件较多，要用到较多的理论基础
4、。学习者如用习惯的基础课系统性来看待本课，就会产生“不系统”、“没有统一研究规律”的错觉。实际上，本课程的全部内容可归结为两个问题：“机器怎样才能实现人们需要的、理想的运动”，“零件怎样才能正常工作”。学习中注意把握这两个思路，就能在学习中逐步适应本课程的学习规律。3设计步骤和结果不唯一与基础课问题结论的唯一性不同，对于机械设计问题，由于设计者考虑问题的角度、着重点不同，因而从机构选型、到选择材料、确定参数，往往都可在一定范围内变化，设计计算步骤也因具体情况而变，设计结果往往是不唯一的。要注意：如果说基础课比较关心理论上的“是”、“非”问题，那么专业课更关心的是工程结果的“优”、“劣”问题。学
5、习本课程的任务之一，就是学生要完成这样一个指导思想的转变。4机械设计中，计算重要但不唯一学习者必需逐步培养把理论计算和结构设计、工艺考虑等结合起来解决问题的能力。一般情况下，计算结果仅是必要条件，最终结果要视具体结构和工艺而定。推荐学习程序和方法：1首先浏览光盘上的课件，熟悉课件结构、功能和主要内容，以备需要时学习。2按照本学习指导的要求，快速阅读印刷教材或学习课件内容。3完成在线思考题、测试题，从中了解自己掌握方法、知识的情况。4对照发现的问题，精读相关学习内容，再上机测试。如此反复，必收效显著。 学习内容与学时安排教 学 内 容学 时教 学 内 容学 时绪论1第10章 联接56第1章 平面
6、机构运动简图及自由度34第11章 齿轮传动45第2章 平面连杆机构45第12章 蜗杆传动34第3章 凸轮机构34第13章 带、链传动78第4章 齿轮机构7第14章 轴56第5章 轮系34第15章 滚动轴承45第6章 间歇运动机构23第16章 滑动轴承45第7章 机械速度波动的调节2第17章 联轴器与离合器23第8章 回转件的平衡23第18章 弹簧2第9章 机械零件设计概述34合计6680第1章 平面机构自由度及速度分析 学习目的和要求1知道自由度、运动副、主动件、机架、复合铰链、局部自由度、虚约束等概念。2能正确计算平面机构的自由度。3能绘制简单机械的机构运动简图。 考核目标考核知识点 平面机
7、构的自由度计算 机构运动简图绘制考核要求 能正确计算平面机构的自由度 能绘制简单机器的机构运动简图 重点与难点重点：机构运动简图的绘制。机构自由度计算及具有确定相对运动的条件。难点：机构运动简图的绘制。 补充说明1自由度计算中，应注意三杆铰接的情况，此时应将三杆铰接视为一个构件参与组成三个转动副。事实上，计算右图b)的自由度知，三杆铰接的自由度等于0。2画机构运动简图，只关心相对运动的性质（转动还是平动、），不关心构件形状和运动副的尺寸。例如，只要转动角速度不变，构件是圆、是方，回转副直径是大还是小，都认为是相同的构件和运动副。3虚约束往往是结构需要的产物，机构运动简图中画出的两个运动副往往实
8、际上是一个运动副。例如右图图a)的箱体中间要容纳齿轮，回转副不可能做得太长，只能将中间挖空；图b)导路太短，推杆刚度太小，图c)将移动副做得很长又不经济，图d)是不得以只好将移动副中间挖空的情况。 思考题1机构中复合铰链、局部自由度、虚约束通常出现在什么地方。2试总结计算机构自由度的步骤。第2章 平面连杆机构 学习目的和要求1明确如下概念：行程速比系数、压力角和传动角、死点。2知道平面连杆机构的优缺点。3知道铰链四杆机构存在曲柄的条件是什么？4对机构演变的方法有所了解。5掌握四杆机构设计的前两种方法。 考核目标考核知识点 平面连杆机构的特点 铰链四杆机构的运动特性考核要求 知道平面连杆机构的特
9、点 会求行程速比系数、压力角和传动角，知道死点存在条件及其位置 知道铰链四杆机构存在曲柄的条件 重点与难点重点：铰链四杆机构的基本形式；铰链四杆机构的运动特性；曲柄存在条件。难点：最小传动角位置判定；平面四杆机构的演化；四杆机构的图解设计。 补充说明1急回特性不仅曲柄摇杆机构有，曲柄滑块机构、摆动导杆机构等都有急回特性。总之，从动件作往复运动，而连杆的极位夹角不等于0的机构，都有急回特性。2四杆机构设计的关键是抓住连架杆上特殊点的轨迹（通常是圆弧或直线）。3机构演变诸方法中，变更机架法的本质是“相对运动不因参照系的改变而改变”，后面凸轮机构、轮系要用到的“反转法”也就是变更机架法。4机构演化往
10、往是多种方法的联合应用（下图），应用得当，可演变出许多新型、有用的机构。 思考题1何谓平面连杆机构，它有哪些优、缺点？2行程速比系数是一个周期中最大速度与最小速度之比吗？3给出机构运动简图，您能求出机构的行程速比系数吗？4何谓“压力角”、“传动角”？若机架为最长杆，曲柄摇杆机构的最小传动角出现在什么位置？5消除平行四边形机构运动不确定性的方法有哪些？6曲柄滑块机构是否具有急回特性？是否存在死点？其最小传动角出现在什么位置？7机构演化的方法有哪些？请列举应用。第3章 凸轮机构 学习目的和要求1明确概念：基圆、理论廓线、柔性冲击、刚性冲击、反转法、自锁。2知道凸轮机构的类型，明确凸轮机构的优缺点及
11、适用的工业场合。3能正确绘制从动件常用运动规律的位移线图。4掌握反转法，能用图解法绘制凸轮轮廓线。5明确影响凸轮机构工作性能和空间尺寸的有关因素。 考核目标考核知识点 凸轮机构的类型及其特点。 从动件常用运动规律的位移线图。 反转法与凸轮廓线绘制。 影响凸轮机构性能的有关因素。考核要求 知道基圆、理论廓线、柔性冲击、刚性冲击、反转法的概念。 能正确绘制从动件常用运动规律的位移线图。 知道压力角、基圆对凸轮机构工作性能的影响。 重点与难点重点：从动件常用运动规律；凸轮廓线的图解设计；影响凸轮机构性能的因素。难点：凸轮廓线的图解设计。 思考题1解释：基圆、压力角、刚性冲击、柔性冲击、运动失真。2若
12、给出凸轮机构运动简图，您能正确作出给定的推程角、给定位置的压力角吗？3简述对心直动滚子从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的绘制步骤。4试分析：凸轮机构的滚子半径、基圆半径对凸轮机构性能的影响。若您所设计的凸轮机构的最大压力角超标，那么，可从哪些方面采取措施加以改进？第4章 齿轮机构 学习目的和要求1知道齿轮机构的类型和特点。2知道渐开线的特性。3知道齿轮机构连续平稳运转的三个条件。4会计算齿轮机构几何尺寸，知道主要参数对齿轮性能的影响。5知道渐开线齿轮切齿原理，各种加工方法的优缺点。6知道变位对轮齿的影响。7知道直齿、斜齿圆柱齿轮和圆锥齿轮的联系与各自的特点。 考核目标考核知识点 齿轮机构的类型和特点
13、。 渐开线的特性。 正确啮合条件。 主要参数影响及齿轮机构几何尺寸计算。 斜齿圆柱齿轮机构的特点。考核要求 知道下列概念：基圆、节圆、分度圆、压力角、啮合角、模数、标准齿轮、根切、最小齿数、当量齿数。 知道齿轮机构的类型和特点。 知道正确啮合条件。 知道主要参数的影响。 会计算齿轮机构几何尺寸。 知道斜齿圆柱齿轮机构的特点。 重点和难点重点：齿轮机构连续平稳运转的条件；齿轮尺寸计算；加工方法；斜齿圆柱齿轮的特点；当量齿轮与当量齿数。难点：加工方法；根切现象与最少齿数；变位齿轮；当量齿轮与当量齿数。 补充说明1学习本章应以直齿圆柱齿轮为重点，对于斜齿圆柱齿轮和直齿圆锥齿轮机构，学习时应注意将它们
14、与直齿圆柱齿轮联系和对比。2齿轮参数m、z对齿轮机构的工作平稳性、所占据的空间尺寸、加工制造成本、承载能力等都有影响，要注意这两个参数的取值问题。3掌握齿轮几何尺寸的计算公式属于基本要求，记忆时应将直齿圆柱齿轮、平行轴斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮三者相结合。 思考题1 齿轮机构有哪些优缺点？2 一对齿廓定比啮合的条件是什么？3 “渐开线”有哪些性质？证明“渐开线齿廓满足定比啮合的条件”？4 齿轮机构的“正确啮合条件”是什么？5 何谓标准齿轮？何谓标准中心距？6 说明齿轮模数、齿数改变对轮齿大小、形状的影响（假定分度圆直径不变）。7 对标准齿轮标准中心距安装来讲，齿轮压力角与啮合角有何关系？8 什
15、么叫“根切”？正常齿制标准齿轮不产生根切的最小齿数是多少？9 斜齿圆柱齿轮正确啮合条件是什么？其法向压力角、模数与端面压力角、模数有什么样的关系？其当量齿数与实际齿数有什么样的关系？10直齿圆锥齿轮传动比与两齿轮分度圆锥的锥角有何关系？其当量齿数与实际齿数有什么样的关系？第5章 轮系 学习目的和要求1基本概念：定轴轮系、周转轮系、行星轮系、差动轮系、转化轮系。2知道轮系的用途。3会计算轮系传动比，会正确判定两轮的相对转向。 考核目标考核知识点 定轴轮系的传动比计算。 周转轮系的传动比计算。考核要求 能正确区分定轴轮系和周转轮系。 能正确计算轮系的传动比，会正确判定两轮的相对转向。 重点与难点重
16、点：轮系的分类；主从动轮转向的判定；定轴轮系传动比的计算；周转轮系传动比的计算。难点：左、右手定则的熟练应用；反转法原理的熟练应用。 补充说明1反转法的本质是：相对运动与选定的参照系无关。也就是说，无论参照系如何变化，相对运动是不变的。2周转轮系的求解关键是将定轴轮系的传动比公式应用于周转轮系的转化轮系，这种情况下的传动比是各轮相对于行星架的转速比，相对转向也是相对于行星架而言的。 思考题1解释：“定轴轮系”、“周转轮系”、“复合轮系”。2简述“左（右）手定则”的方法？3i13和的含义有何不同？5简述计算复合轮系传动比的方法？6轮系有哪些用途？第6章 间歇运动机构 学习目的和要求本章属于了解性
17、质，着重掌握各机构的工作原理和特点。第7章 机械运动速度波动的调节 学习目的和要求1知道产生速度波动的原因及速度波动的危害。2知道两类速度波动的调节原理。3掌握飞轮近似设计方法，知道飞轮转动惯量、飞轮转速、速度不均匀系数之间的关系。4会确定最大盈亏功。 考核目标考核知识点 飞轮近似设计方法。考核要求 知道产生速度波动的原因及速度波动的危害。 能正确计算所需飞轮的转动惯量。 重点与难点重点：飞轮转动惯量、转速、速度不均匀系数之间的关系，飞轮转动惯量的确定。难点：飞轮转动惯量的确定。 思考题1速度波动会带来哪些不良后果？能举例吗？2在机器中加装飞轮，除了可降低速度波动外，还有其它作用吗？3公式 说
18、明了哪些问题？4剪板机主轴转速n192（r/min），剪板功率4.8kW，剪切时间0.2秒， 0.1。若采用3kW的电机作动力，应加装多大转动惯量的飞轮？第8章 回转件的平衡 学习目的和要求1明确概念：静平衡、静不平衡、动平衡、动不平衡。2能正确进行平衡理论计算。3会作静平衡试验。4知道机械式框架动平衡机的动平衡原理。 考核目标考核知识点 平衡的理论分析与计算。考核要求 知道静平衡、静不平衡、动平衡、动不平衡的概念。 能正确分析、计算不平衡转子所需添加或去出的质径积。 重点与难点平衡分析计算。 思考题1导致回转件不平衡的可能原因有哪些？2解释：静平衡、静不平衡、动平衡、动不平衡。3简述双面平衡
19、的原理。4做静平衡实验时，如何才能消除摩擦力对平衡精度的影响？第9章 机械零件设计概论 学习目的和要求1明确概念：失效、工作能力、承载能力、计算准则、强度、公差、间隙配合、过渡配合、过盈配合。2会根据零件所受的载荷和工作情况判断零件的应力性质。3知道影响零件疲劳强度的主要因素。4知道提高耐磨性的原则措施。 考核目标考核知识点 零件应力性质的判断。 影响零件强度的主要因素。 提高耐磨性的原则措施。考核要求 知道失效、承载能力、公差、间隙配合、过渡配合、过盈配合等概念。 会根据零件所受的载荷和工作情况判断零件的应力性质。 会分析比较两零件强度的大小。 重点与难点重点：零件失效形式；零件的强度及其影
20、响因素。难点：疲劳强度及其影响因素。 补充说明1关于失效的概念失效是指“产品因某种或某些原因而不能正常工作的现象”。注意，“正常工作”的意思是产品的技术性能指标完全达到设计指标要求。例如，一辆载重卡车只要尾气排放超标，哪怕其他功能皆正常，这辆卡车还是失效了。2多计算准则零件的设计问题有些零件有多种失效形式，设计准则也就不止一个。对这样的零件，一般是先根据最主要的设计准则进行设计，初步确定零件结构、尺寸后再校核其他设计准则是否满足。3关于疲劳断裂断口的识别疲劳断裂的断口性状与应力集中程度、作用应力的大小等因素有关。应力集中严重时，疲劳源出现早、数目多，裂纹扩展表面快、中间慢，前沿线趋于平直或凹弧
21、线形；反之，应力集中小时，疲劳源出现少，裂纹扩展速度较为一致，前沿线呈凸弧线形。应力越大，疲劳区越小、也不太光滑，前沿线少而明显；应力小，疲劳区大而光滑，前沿线多而模糊。4关于零件的设计寿命一般来说，受重量和尺寸限制少、更新慢、长期连续使用的固定式或大型机器，设计寿命应取长些；要求重量轻、尺寸小、更新换代快、间断或偶尔使用的机器，设计寿命应取短些；对于易损件，出于经济性或结构尺寸方面的要求，可用预定期限作为设计寿命。 思考题1概念：失效、承载能力、磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、公差、配合、基轴制、基孔制。2根据应力循环特性，应力分为哪几种？下图中齿轮1、2、3的齿根弯曲应力各为什么循环特性？齿
22、面接触应力呢？3简述提高零件疲劳强度的因素。4举例说明安全系数与材质、重要度有关。5试根据赫兹公式和接触强度判定条件简述提高零件接触疲劳强度的措施。6简述提高零件耐磨性的原则措施。第10章 联 接 学习目的和要求1应知：影响螺纹副效率（或自锁）的因素； 受拉、受剪螺栓联接的结构特点； 防松原理与装置； 提高联接螺栓强度的措施； 平键、楔键、花键联接的工作原理、结构、特点。2应会：判定螺旋线的旋向； 螺栓的强度计算； 键联接类型的正确选择。 考核目标考核知识点 机械中常用的螺纹；螺纹联接的类型；螺纹联接的拧紧与放松；螺栓强度计算；提高螺栓强度的措施；平键、楔键联接的原理。考核要求 知道：自锁条件
23、，粗牙、细牙螺纹的特点，各种联接类型的应用场合，受拉、受 剪螺栓联接的结构特点，防松原理与常用方法，平、楔键联接的原理，提 高联接螺栓强度的措施。 应会：螺栓组联接的受力分析与强度计算，键联接类型的正确选择。 重点与难点重点：螺纹参数与类型；螺纹副受力与效率分析；机械制造常用螺纹和螺纹联接类型；拧紧与防松；螺栓联接强度计算与增强措施；键、花键联接的工作原理及特点。难点：螺纹副受力与效率分析；螺栓组联接的受力分析与强度计算。 补充说明1紧螺栓联接不控制预紧力时不宜采用小于M12的螺栓的问题参见公式（10-10），标准扳手的有效力臂L15d，设工人加于扳手上的力P200N，于是拧紧力矩T20015
24、d，若采用M10的螺栓，并以螺纹小径横截面为危险截面，可求得危险截面的计算应力为 350MPa。而常用的5.6级的螺栓的 min300MPa。显然M10的螺栓已不足以承受人力所施加的拧紧力矩了。2关于适当增大预紧力能提高螺栓疲劳强度的问题受轴向载荷的紧螺栓联接，适当增大预紧力也能提高螺栓疲劳强度。原因是：因为，螺栓的总拉力随着预紧力F 0的增大而增大，所需螺栓的直径dc也随之增大，应力幅就相应减小，故疲劳强度得以提高。 思考题1何谓“自锁”？简述螺纹副的自锁条件。2细牙螺纹常用在什么情况下？3铰制孔用螺栓与普通受拉螺栓的工作原理和结构有何不同？4在螺栓联接中，为什么有时要采用细光杆螺栓或空心杆
25、螺栓？5“制造和装配精度足够高，则螺纹旋合后各圈螺纹牙的受力就相等”。这种说法正确吗？为什么？6有一螺栓组联接。被联接件的刚度c2是螺栓刚度c1的3倍，而预紧力F =5000N。问： 螺栓承受的总拉力F 0多大时，螺栓伸长量刚好是被联接件压缩量的5倍。 螺栓承受的工作载荷F为多大时，被联接件的弹性变形等于零？7简述平键、楔键的工作原理及键的选择步骤（如何确定键类型、截面尺寸、长度）。第11章 齿轮传动 学习目的和要求1应知：齿轮的主要失效形式及其机理；常用齿轮材料；影响齿轮接触疲劳强度、 弯曲疲劳强度的主要因素。2应会：计算作用力的大小、判定作用力的方向；根据给定条件正确设计齿轮传动。 考核目
26、标考核知识点 齿轮的主要失效形式；作用力分析；接触疲劳强度计算；弯曲疲劳强度计算。考核要求 知道齿轮的主要失效形式与增强措施。 会分析计算作用力。 知道影响齿轮接触疲劳强度、弯曲疲劳强度的主要因素。 重点与难点重点：齿轮主要失效形式；各类齿轮传动的作用力计算与作用力方向判定；接触疲劳强度计算；弯曲疲劳强度计算。难点：齿轮接触疲劳强度、弯曲疲劳强度影响因素。 补充说明1关于参数选择的问题选择齿数应考虑对强度、工作平稳性、制造成本等方面的影响。一般说来：对长期连续工作的闭式软齿面齿轮，可取z1=2840，这样可增大重合度，提高传动平稳性，并可减少金属切削加工量，节省制造费用；对长期连续工作的闭式硬
27、齿面齿轮，可取z1=2028，以保证齿根弯曲疲劳强度足够；对开式齿轮，取z1=1722为好。2关于设计中的数值圆整问题设计齿轮传动时，有些参数是应该圆整的（例如齿宽b、斜齿圆柱齿轮传动的中心距a以及齿轮轮芯部分的结构尺寸），有些参数是不能圆整的（如分度圆、齿顶圆、齿根圆直径，斜齿圆柱齿轮的螺旋角 ，圆锥齿轮几个圆锥的参数以及标准直齿轮传动的中心距等a），有些参数则必须是标准值（如压力角 、模数m、齿顶高系数ha和顶隙系数c*）。圆柱斜齿轮传动中心距的圆整过程如下：如果是按齿根弯曲强度设计的，则因z1、z2已确定，0也初定了，故由弯曲强度设计式计算出模数mnc后，先将模数取为标准值mn，然后按右
28、边第一式计算出计算中心距a0，将中心距圆整为a，再按右边第二式求出 就行了；如是按接触疲劳强度设计的，则根据强度计算得到d1c后，确定z1、z2，进而确定mn后校核齿根弯曲强度，最后再按上述步骤圆整中心距。 思考题1齿轮常用热处理方法有哪些？各适合于什么场合？2齿轮传动的可能失效形式有哪些？开、闭式齿轮失效形式有何异同？3一对相互啮合的标准齿轮，若大小齿轮的材质完全相同，那么两轮的齿根弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度关系怎样？若小齿轮的材质远优于大齿轮，弯曲疲劳强度和接触疲劳强度又怎样变化？4今有材质完全相同的两对标准齿轮，将它们用于完全相同的工况下，两对齿轮的参数如下：、z1=20、z2=80
29、、m=4 ；、z1=32、z2=128、m=2.5。问：在高速闭式传动工况下，哪一对齿轮更好些？5怎样判定斜齿轮传动、蜗杆传动作用力三个分量的方向？6一根轴上装有两个斜齿轮（一个主动，一个从动），要使两个齿轮的轴向力相互抵消一些，两轮的螺旋线方向应该怎样？第12章 蜗杆传动 学习目的和要求 知道：蜗杆传动的特点、类型与适用场合；蜗杆传动的失效形式以及对蜗杆蜗轮 副材料组合的要求。 应会：传动尺寸计算；正确分析作用力；正确选材和确定蜗轮结构；正确设计蜗 杆传动；热平衡计算。 考核目标考核知识点 蜗杆传动的类型和特点 蜗杆传动的失效形式及对蜗杆蜗轮副材料组合的要求 蜗杆传动的计算（几何尺寸计算、强度计算、热平衡计算）考核要求 知道：蜗杆传动的类型和特点；失效形式；材料要求。 会：蜗杆传动的几何尺寸计算、强度计算、热平衡计算。 重点与难点重点：蜗杆传动的参数与尺寸；失效形式和材料选择；受力分析和强度计算；效率和热平衡计算。 补充说明1含锡青铜的抗胶合机理胶合的本质是接触的金属表面在局部产生高温而导致粘着，摩擦功耗（与摩擦系数 、速度v和压
