機械設(shè)計基礎(chǔ)知識點總結(jié)與練習(xí)機械設(shè)計基礎(chǔ)，這門課程如同機械工程領(lǐng)域的基石，它為我們打開了理解機械世界運作原理的大門。無論是簡單的杠桿機構(gòu)，還是復(fù)雜的精密機械，其設(shè)計都離不開這些基礎(chǔ)理論的支撐。掌握好這些知識，不僅能幫助我們分析現(xiàn)有機械的工作特性，更能為創(chuàng)新設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。下面，我們將對核心知識點進行梳理，并輔以練習(xí)，以加深理解與應(yīng)用。一、機械設(shè)計基本概念與一般過程1.1機械設(shè)計的定義與重要性機械設(shè)計是指根據(jù)使用要求，對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的制造圖紙和技術(shù)文件的過程。它是機械工程的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能、可靠性、經(jīng)濟性和安全性。1.2機械設(shè)計的基本要求設(shè)計任何機械，都必須滿足一系列基本要求，這包括：*功能要求：首要的是實現(xiàn)預(yù)定的工作功能。*性能要求：如強度、剛度、精度、效率、壽命等。*可靠性要求：在規(guī)定條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。*經(jīng)濟性要求：包括設(shè)計、制造、使用、維護乃至回收的全過程成本。*結(jié)構(gòu)工藝性要求：易于制造、裝配、拆卸和維修。*安全環(huán)保要求：操作安全，對環(huán)境友好，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1.3機械設(shè)計的一般過程一個完整的機械設(shè)計過程通常包含以下階段，盡管實際中可能有所交叉或反復(fù)：1.明確設(shè)計任務(wù)：了解需求，確定設(shè)計目標(biāo)和約束條件。2.方案設(shè)計：進行功能分析，構(gòu)思多種可行方案，進行評價和選擇。3.技術(shù)設(shè)計：確定具體結(jié)構(gòu)、尺寸，進行必要的計算和校核。4.施工設(shè)計：繪制詳細零件圖、裝配圖，編制技術(shù)文件。5.試制、試驗與改進：制作樣機，進行測試，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計。二、機械零件的強度與剛度基礎(chǔ)2.1材料的力學(xué)性能機械零件工作時會受到各種力的作用，材料的力學(xué)性能是零件設(shè)計的根本依據(jù)。關(guān)鍵指標(biāo)包括：*強度：材料抵抗破壞的能力，如屈服極限、強度極限。*剛度：材料抵抗變形的能力，通常與彈性模量相關(guān)。*塑性：材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。*韌性：材料在沖擊載荷下抵抗破壞的能力。*硬度：材料表面抵抗局部變形或壓痕的能力。2.2載荷與應(yīng)力*載荷：作用在零件上的力或力矩，按性質(zhì)可分為靜載荷、變載荷、沖擊載荷。*應(yīng)力：零件內(nèi)部單位面積上的內(nèi)力，是導(dǎo)致零件失效的直接原因?；緫?yīng)力類型有：拉伸/壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。*應(yīng)力集中：由于零件幾何形狀突然變化（如圓角、槽、孔）導(dǎo)致局部應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象，設(shè)計中需特別注意，通常通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如增大圓角半徑）來緩解。2.3強度計算準(zhǔn)則與安全系數(shù)*強度計算準(zhǔn)則：判斷零件在載荷作用下是否安全的依據(jù)，常見的有：極限應(yīng)力準(zhǔn)則（如屈服準(zhǔn)則、斷裂準(zhǔn)則）、疲勞強度準(zhǔn)則等。*安全系數(shù)：為保證零件安全可靠工作，實際承載能力與設(shè)計計算承載能力之比。它是考慮材料性能、載荷、應(yīng)力計算、制造工藝等多種不確定因素后的綜合儲備。選擇合適的安全系數(shù)是設(shè)計中的關(guān)鍵，過大則浪費材料，過小則不安全。2.4剛度計算簡介剛度計算旨在控制零件在工作時的變形量不超過允許值。對于精密機械或有導(dǎo)向要求的零件，剛度尤為重要。剛度計算通?；诓牧狭W(xué)中的變形公式，如梁的彎曲變形、軸的扭轉(zhuǎn)變形等。三、常用機構(gòu)與機械傳動3.1平面連桿機構(gòu)由若干剛性構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）連接而成的機構(gòu)，廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換和動力傳遞。*基本形式：鉸鏈四桿機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)）。*特性：急回特性、死點位置、壓力角與傳動角。理解這些特性對機構(gòu)的合理設(shè)計和應(yīng)用至關(guān)重要。3.2凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件和機架組成，能實現(xiàn)復(fù)雜的預(yù)期運動規(guī)律。*凸輪類型：盤形凸輪、移動凸輪、圓柱凸輪等。*從動件類型：尖頂從動件、滾子從動件、平底從動件等。*工作過程：推程、遠休止、回程、近休止。設(shè)計時需合理選擇基圓半徑、滾子半徑，避免運動失真和壓力角過大。3.3齒輪傳動最重要、應(yīng)用最廣泛的機械傳動之一，用于傳遞任意兩軸間的運動和動力。*特點：傳動比準(zhǔn)確、效率高、功率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠。*基本參數(shù)：模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、分度圓、齒頂圓、齒根圓等。模數(shù)和壓力角是標(biāo)準(zhǔn)化的重要參數(shù)。*常見類型：直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪（承載能力更高，傳動平穩(wěn)）、錐齒輪（用于相交軸傳動）、蝸桿蝸輪（用于交錯軸、大傳動比傳動）。*失效形式：輪齒折斷、齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合、塑性變形。設(shè)計時需針對主要失效形式進行強度校核。3.4帶傳動與鏈傳動*帶傳動：依靠帶與帶輪之間的摩擦力傳遞運動和動力。*特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能緩沖吸振、過載打滑（有保護作用），但傳動比不準(zhǔn)確、效率較低。*主要類型：V帶傳動（應(yīng)用最廣）、平帶傳動、同步帶傳動（可實現(xiàn)準(zhǔn)確傳動比）。*鏈傳動：依靠鏈條與鏈輪輪齒的嚙合傳遞運動和動力。*特點：傳動比準(zhǔn)確、效率較高、壓軸力小、能在惡劣環(huán)境下工作，但運轉(zhuǎn)時沖擊和振動較大，有噪聲。3.5間歇運動機構(gòu)能將主動件的連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為從動件周期性停歇的機構(gòu)，如棘輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)等，常用于自動化機械中。四、連接設(shè)計機械中零件與零件之間、部件與部件之間的連接是必不可少的。4.1螺紋連接應(yīng)用最廣泛的可拆卸連接。*螺紋類型：三角形螺紋（主要用于連接）、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋（后三者主要用于傳動）。普通螺紋和管螺紋是連接中最常用的。*螺紋連接的基本形式：螺栓連接、雙頭螺柱連接、螺釘連接、緊定螺釘連接。*螺紋連接的防松：由于振動等原因，螺紋連接可能松動，常用的防松方法有：摩擦防松（如彈簧墊圈、雙螺母）、機械防松（如開口銷與槽形螺母、止動墊圈）、永久防松（如沖點、焊接）。*螺栓組連接的受力分析與強度計算：是螺紋連接設(shè)計的核心內(nèi)容，需根據(jù)接合面受力情況（如受軸向力、橫向力、傾覆力矩等）計算單個螺栓的受力，進而進行強度校核。4.2鍵連接與銷連接*鍵連接：用于軸和軸上零件（如齒輪、帶輪）之間的周向固定，以傳遞扭矩。常見類型：平鍵、半圓鍵、楔鍵、花鍵（承載能力高，對中性好）。*銷連接：主要用于定位，也可用于連接或安全裝置中的過載剪斷元件。常見類型：圓柱銷、圓錐銷。4.3焊接與鉚接（簡介）*焊接：通過局部加熱或加壓，使被連接件形成原子間結(jié)合的不可拆連接。強度高、工藝簡單，但會產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。*鉚接：利用鉚釘將被連接件鉚合在一起的連接。目前在機械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用逐漸減少，但在某些特定領(lǐng)域（如橋梁、壓力容器）仍有應(yīng)用。五、軸系零部件5.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算軸是機械中的重要零件，用于支承回轉(zhuǎn)零件并傳遞運動和動力。*軸的類型：心軸（只承受彎矩）、傳動軸（主要承受扭矩）、轉(zhuǎn)軸（同時承受彎矩和扭矩）。*軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：應(yīng)滿足軸上零件的定位、固定、裝拆、加工工藝性等要求。合理的軸肩、軸環(huán)、退刀槽、越程槽設(shè)計至關(guān)重要。*軸的強度計算：根據(jù)軸的受力情況（彎矩圖、扭矩圖），確定危險截面，進行彎扭組合強度校核。對于重要的軸或承受變載荷的軸，還需進行疲勞強度校核。5.2滾動軸承滾動軸承是現(xiàn)代機械中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)件，用于支承軸并減少摩擦。*基本構(gòu)造：內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架。*主要類型：向心軸承（主要承受徑向載荷，如深溝球軸承、圓柱滾子軸承）、推力軸承（主要承受軸向載荷，如推力球軸承）、角接觸軸承（同時承受徑向和軸向載荷）。*選擇依據(jù)：載荷大小、方向和性質(zhì)，轉(zhuǎn)速，工作溫度，安裝空間，精度要求等。*壽命計算：滾動軸承的壽命通常指其額定動載荷下的基本額定壽命（可靠度為90%），是選擇軸承型號的重要依據(jù)。*組合設(shè)計：包括軸承的軸向固定（兩端固定、一端固定一端游動）、間隙調(diào)整、預(yù)緊等。5.3聯(lián)軸器與離合器*聯(lián)軸器：用于連接兩根軸，使它們一起回轉(zhuǎn)并傳遞扭矩。在機器運轉(zhuǎn)時，聯(lián)軸器一般不能分離（特殊情況除外，如安全聯(lián)軸器）。常見類型：剛性聯(lián)軸器（如凸緣聯(lián)軸器）、撓性聯(lián)軸器（如十字滑塊聯(lián)軸器、彈性套柱銷聯(lián)軸器，可補償兩軸間的相對位移）。*離合器：用于連接兩根軸或軸與回轉(zhuǎn)件，可在機器運轉(zhuǎn)過程中隨時實現(xiàn)分離與接合。常見類型：牙嵌離合器、摩擦離合器（如單片、多片離合器）。六、練習(xí)題與解析（一）選擇題1.在機械設(shè)計中，選擇材料的首要原則是（）。A.經(jīng)濟性B.工藝性C.使用性能D.環(huán)境友好性（答案：C。解析：材料的使用性能應(yīng)首先滿足零件的工作條件和功能要求，這是設(shè)計的根本。）2.下列哪種機構(gòu)存在“死點”位置？（）A.曲柄搖桿機構(gòu)，以曲柄為主動件B.曲柄搖桿機構(gòu)，以搖桿為主動件C.雙曲柄機構(gòu)D.雙搖桿機構(gòu)（答案：B。解析：當(dāng)曲柄搖桿機構(gòu)以搖桿為主動件，且連桿與曲柄共線時，會出現(xiàn)死點位置，此時曲柄無法主動轉(zhuǎn)動。）3.普通三角形螺紋的牙型角為（）。A.30°B.45°C.60°D.55°（答案：C。解析：普通三角形螺紋（米制）的牙型角為60°，英制惠氏螺紋牙型角為55°。）（二）簡答題1.簡述鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件。（答案：鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件是：1.最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和（桿長之和條件）。2.連架桿或機架中必有一桿是最短桿。）2.什么是螺紋連接的預(yù)緊？預(yù)緊的目的是什么？（答案：螺紋連接在承受工作載荷之前，通過擰緊螺母使螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力，稱為預(yù)緊。預(yù)緊的目的是：增強連接的剛性、緊密性和防松能力，防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或相對滑移。）（三）分析計算題（簡化）1.一傳動軸傳遞的功率為P（單位：kW），轉(zhuǎn)速為n（單位：r/min），試寫出其傳遞的扭矩T（單位：N·m）的計算公式。若P=5kW，n=300r/min，試估算其扭矩（計算結(jié)果保留整數(shù)）。（答案：扭矩計算公式T=9550*P/n。代入數(shù)據(jù)：T=9550*5/300≈159N·m。）2.一簡支梁（軸的簡化模型），跨距L，在跨中受一垂直向下的集中力F。已知梁由45鋼制成，許用彎曲應(yīng)力為[σ]，截面為圓形，直徑為d。試寫出梁危險截面的最大彎曲應(yīng)力σ的計算公式，并簡述若計算出的σ>[σ]，可采取哪些措施（至少列舉兩項）。（答案：最大彎曲應(yīng)力σ=M/W；其中，跨中彎矩M=F*L/4；圓形截面抗彎截面系數(shù)W=π*d3/32≈0.1d3。故σ≈(F*L/4)/(0.1d3)=2.5FL/d3。若σ>[σ]，