机械设计基础作业指导书

机械设计基础作业指导书

第一章绪论.......................................................................2

1.1机械设计概述............................................................2

1.2机械设计的基本原则.......................................................3

第二章机械设计的基本概念........................................................3

2.1零件与部件...............................................................3

2.2设计计算与强度计算.......................................................4

2.3设计规范与标准...........................................................4

第三章机械零件设计...............................................................5

3.1轴承设计.................................................................5

3.1.1轴承概述...............................................................5

3.1.2轴承设计原则..........................................................5

3.1.3轴承设计步骤..........................................................5

3.2齿轮设计................................................................5

3.2.1齿轮概述..............................................................6

3.2.2齿轮设计原则..........................................................6

3.2.3齿轮设计步骤..........................................................6

3.3传动带设计..............................................................6

3.3.1传动带概述............................................................6

3.3.2传动带设计原则........................................................6

3.3.3传动带设计步骤........................................................7

第四章连接件设计.................................................................7

4.1螺纹连接.................................................................7

4.2键连接...................................................................7

4.3销连接...................................................................8

第五章机械传动设计..............................................................8

5.1传动方式的选择..........................................................8

5.2传动系统设计.............................................................8

5.3传动装置设计.............................................................9

第六章弹簧设计...................................................................9

6.1弹簧的类型与特性........................................................9

6.1.1弹簧的类型.............................................................9

6.1.2弹簧的特性...........................................................10

6.2弹簧设计计算............................................................10

6.2.1弹簧设计的基本参数....................................................10

6.2.2弹簧设计计算方法......................................................10

6.3弹簧的制造与检验........................................................11

6.3.1弹簧的制造............................................................11

6.3.2弹簧的检验............................................................11

第七章机械动力学................................................................11

7.1动力学基本概念..........................................................11

7.2机械振动分析............................................................12

7.3机械平衡设计............................................................12

第八章机构设计..................................................................13

8.1平面机构设计............................................................13

8.1.1设计原则与要求........................................................13

8.1.2设计方法...............................................................13

8.1.3设计实例..............................................................13

8.2空间机构设计............................................................14

8.2.1设计原则与要求........................................................14

8.2.2设计方法...............................................................14

8.2.3设计实例..............................................................14

8.3机构动力学分析..........................................................14

8.3.1分析目的与意义........................................................14

8.3.2分析方法..............................................................14

8.3.3分析内容..............................................................15

第九章机械系统设计.............................................................15

9.1机械系统的组成.........................................................15

9.2机械系统的设计方法.....................................................15

9.3机械系统的功能评价.....................................................16

第十章设计实践与案例分析.......................................................16

10.1设计实践概述..........................................................16

10.2设计案例分析...........................................................17

10.3设计经验总结与展望....................................................17

第一章绪论

1.1机械设计概述

机械设计作为匚程技术领域的重要分支，旨在运用科学原理和工程技术，创

造性地设计出满足特定功能要求的机械系统。机械设计涵盖了从需求分析、方案

设计、结构设计到制造、调试等全过程。在这一过程中，设计师需要综合考虑机

械系统的功能、功能、可靠性、经济性、安全性等多方面因素。

机械设计的主要任务包括以下几个方面：

（1）明确设计目标：根据市场需求和用户要求，确定机械系统的功能、功

能、结构等基本参数。

（2）方案设计：根据设计目标，提出多种设计方案，并进行比较、筛选，

确定最优方案。

（3）结构设计：在方案设计的基础上，对机械系统的各个组成部分进行详

细设计，包括尺寸、形状、材料、连接方式等。

（4）强度校核：对设计出的机械系统进行强度、刚度、稳定性等方面的校

核，保证其满足使用要求。

（5）制造与调试：根据设计图纸，进行制造、组装、调试，保证机械系统

达到预期功能。

1.2机械设计的基本原则

机械设计的基本原则是指在设计过程中应遵循的基本准则，以下为几个主要

原则：

（1）满足功能要求：机械设计应以实现预定的功能为核心，保证机械系统

在各种工况下能够稳定、可靠地工作。

（2）优化设计：在满足功能要求的前提下，应尽量简化结构、降低成本、

提高功能，实现设计优化,

（3）可靠性原则：机械设计应保证在规定的使用条件下，机械系统具有足

够的可靠性，防止因故障而影响生产或造成安全。

（4）安全性原则：机械设计应充分考虑操作人员的安全，保证在异常情况

下，机械系统不会对操作人员造成伤害。

（5）经济性原则：在满足功能要求的前提下，应尽量降低制造成本，提高

生产效率。

（6）环保原则：机械设计应遵循环保要求，减少对环境的影响，实现绿色

设计。

（7）兼容性与互换性原则：机械设计应考虑与其他设备的兼容性和部件的

互换性，便于维修利升级。

（8）工艺性原则：在设计中应充分考虑制造工艺的要求，保证设计易于制

造、装配和调试。

第二章机械设计的基本概念

2.1零件与部件

在机械设计中，零件与部件是构成机械系统的基本单元。零件是指机械系统

中的单个构件，如轴、齿轮、螺栓等。部件则是由多个零件组成的具有一定功能

的组合体，如发动机、减速器等。

零件与部件的设计与选型是机械设计的重要环节，其功能、质量和可靠性直

规范与标准规定了零件和部件的设计方法、计算公式、材料选择、尺寸公差、表

面处理等方面的要求。

在设计过程中，应遵循以下原则：

（1）符合国家法规和标准：保证设计符合国家法规和标准，提高机械系统

的安全性和可靠性。

（2）借鉴先进经验：参考国内外先进的设计理念和技术，提高设计水平。

（3）注重创新：在符合规范和标准的前提下，积极创新，提高机械系统的

功能和竞争力。

（4）适应性：根据实际生产和使用需求，灵活运用设计规范与标准，满足

不同场合的需求。

第三章机械零件设计

3.1轴承设计

3.1.1轴承概述

轴承是机械系统中重要的支撑部件，其主要作用是支撑轴类零件，减少转动

过程中的摩擦和磨损，保证机械设备的正常运行。轴承校其工作原理和结构特点

可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。

3.1.2轴承设计原则

在进行轴承设计时，应遵循以下原则：

（1）选择合适的轴承类型和规格；

（2）保证轴承的承载能力满足设计要求；

（3）保证轴承的润滑功能；

（4）考虑轴承的安装和维护方便性。

3.1.3轴承设计步骤

（1）确定轴承的类型和规格；

（2）计算轴承的承载能力；

（3）确定轴承的润滑方式；

（4）选择合适的轴承材料；

（5）设计轴承的安装和固定方式。

3.2齿轮设计

3.2.1齿轮概述

齿轮是机械传动系统中常用的零件，其主要功能是传递运动和动力。齿轮设

计的关键是确定齿轮的齿形、齿数、模数等参数，以满足使用要求。

3.2.2齿轮设计原则

在进行齿轮设计时，应遵循以下原则：

（1）选择合适的齿形和齿数；

（2）确定齿轮的模数和压力角；

（3）考虑齿轮的强度和刚度；

（4）保证齿轮的制造和安装精度；

（5）考虑齿轮的润滑和散热功能。

3.2.3齿轮设计步骤

（1）确定齿轮的类型和用途；

（2）选择合适的齿形和齿数；

（3）计算齿轮的模数和压力角；

（4）确定齿轮的强度和刚度；

（5）设计齿轮的齿面加工和热处理工艺；

（6）绘制齿轮图纸。

3.3传动带设计

3.3.1传动带概述

传动带是机械传动系统中常用的弹性传动件，其主要作用是传递动力和运

动。传动带设计的关键是确定传动带的类型、宽度、厚或等参数，以满足使用要

求。

3.3.2传动带设计原则

在进行传动带设计时，应遵循以下原则：

（1）选择合适的传动带类型；

（2）确定传动带的宽度、厚度和长度；

（3）考虑传动带的强度和刚度；

（4）保证传动带的安装和更换方便；

（5）考虑传动带的寿命和成本。

3.3.3传动带设计步骤

（1）确定传动带的类型和用途；

（2）计算传动带的宽度、厚度和长度；

（3）确定传动带的强度和刚度；

（4）选择合适的传动带材料和制造工艺；

（5）绘制传动带图纸。

第四章连接件设计

4.1螺纹连接

螺纹连接是一种常见的可拆卸连接方式，广泛应用于机械设计中。其主要特

点是结构简单、装拆方便、可靠性高等。

在设计螺纹连接时，需考虑以下因素：

（1）螺纹类型：根据使用场合和功能要求，选择合适的螺纹类型，如三角

形螺纹、梯形螺纹等。

（2）螺纹尺寸：根据连接零件的强度和刚度要求，确定螺纹的直径和螺距。

（3）螺纹精度：为保证连接的可靠性，需控制螺纹的加工精度，包括螺距

误差、牙型误差等。

（4）连接强度：通过计算螺纹连接的预紧力和工作载荷，确定连接的强度。

（5）防松措施：为防止螺纹连接在振动或冲击载荷作用下松动，需采取相

应的防松措施，如使用锁紧螺母、弹簧垫圈等。

4.2键连接

键连接主要用于轴与轮毂之间的连接，传递扭矩和轴向力。键连接的设计要

点如下：

（1）键的类型：根据连接零件的结构和功能要求，选择合适的键类型，如

平键、半圆键、楔键等。

（2）键的尺寸：根据轴和轮毂的尺寸，确定键的宽度、高度和长度。

（3）键的精度：为保证连接的可靠性，需控制键的加工精度，包括键宽、

键高和键长等。

（4）键的安装：为便于安装，键的两侧应留有适当的间隙。

（5）键的固定：为防止键在连接过程中滑动，需采取相应的固定措施，如

使用键槽固定、键连接器等。

4.3销连接

销连接主要用于定位、连接和传递扭矩等场合。销连接的设计要点如下：

（1）销的类型：根据使用场合和功能要求，选择合适的销类型，如阅柱销、

圆锥销、带键销等。

（2）销的尺寸：根据连接零件的尺寸和强度要求，确定销的直径和长度。

（3）销的精度：为保证连接的可靠性，需控制销的加工精度，包括直径误

差、长度误差等。

（4）销的安装：为便于安装，销的两端应倒角或留有适当的间隙。

（5）销的固定：为防止销在连接过程中滑动，需采取相应的固定措施，如

使用销钉、开口销等。

第五章机械传动设计

5.1传动方式的选择

传动方式的选择是机械传动系统设计的重要环节。在设计之初，需根据设备

的使用条件、工作要求、传动效率、成本及维护等因素，对各种传动方式进行综

合评估。

常见的传动方式包括：齿轮传动、带传动、链传动、螺旋传动、液压传动和

电磁传动等。齿轮传动具有传动比准确、传动效率高、使用寿命长等优点，适用

于高速、高负载、高精度的场合；带传动结构简单，成本较低，适用于低速、轻

载的场合：链传动具有较好的耐磨性、抗拉性和缓冲功能，适用于中速、中载的

场合：螺旋传动具有较大囱减速比，结构紧凑，但传动效率相对较低；液压传动

和电磁传动则具有无级调速、远距离控制等优点，但成本较高。

在设计过程中，应根据具体需求，合理选择传动方式，保证传动系统的稳定

性和可靠性。

5.2传动系统设计

传动系统设计主要包括以下几个方面：

（1）确定传动系统的基本参数，如传动比、传动功率、转速等。

（2）根据选定的传动方式，进行传动件的设计。例如，对于齿轮传动，需

设计齿轮的齿数、模数、压力角等参数；对于带传动，需设计带轮的直径、宽度

等参数。

（3）计算传动系统的力学功能，如扭矩、应力、变形等，并进行强度校核。

（4）考虑传动系统的散热、润滑和防护措施，保证传动件的正常工作。

（5）进行传动系统的动力学分析，包括振动、噪声等方面的评估。

（6）根据传动系统的设计要求，绘制传动系统图，编写技术说明书。

5.3传动装置设计

传动装置设计是传动系统设计的重要组成部分。传动装置主要包括减速器、

联轴器、制动器等部件。以下分别对这几个部分的设计进行简要介绍：

（1）减速器设计：根据传动系统的需求，选择合适的减速器类型，如圆柱

齿轮减速器、锥齿轮减速器、蜗杆减速器等。然后进行减速器的结构设计，包括

箱体、齿轮、轴承等部件的设计。

（2）联轴器设计：根据传动系统的连接需求，选择合适的联轴器类型，如

刚性联轴器、弹性联轴器等。然后进行联轴器的结构设计，保证连接的可靠性。

（3）制动器设计：根据传动系统的制动需求，选择合适的制动器类型，如

电磁制动器、液压制动器等。然后进行制动器的结构设计，保证制动的稳定性和

安全性。

在设计传动装置时，还需考虑以下因素•：

（1）传动装置的安装尺寸，保证与设备的匹配性,

（2）传动装置的维护和检修方便性。

（3）传动装置的成本和效益。

通过以上几个方面的设计，可以保证传动装置的正常工作，从而保证整个传

动系统的稳定性和可靠性。

第六章弹簧设计

6.1弹簧的类型与特性

6.1.1弹簧的类型

弹簧作为一种重要的弹性元件，广泛应用于各类机械结构中。根据弹簧的形

状和特性，弹簧主要分为以下几种类型：

（1）网柱形弹簧：圆柱形弹簧是最常见的弹簧类型，根据其线材的绕向不

同，又可分为左旋和右旋两种。

（2）环形弹簧：环形弹簧具有较大的弹性变形能力和较高的稳定性，适用

于承受较大载荷的场合。

（3）螺旋弹簧：螺旋弹簧分为压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧三种，可根

据使用要求选择不同类型的弹簧。

（4）板弹簧：板弹簧由多片金属板叠合而成，具有较高的抗弯强度和稳定

性。

6.1.2弹簧的特性

弹簧的主要特性包括弹性、刚度、疲劳寿命、抗冲击功能等。

（1）弹性：弹簧在受力时能产生相应的弹性变形，当外力消失后，能恢复

到原来的形状和尺寸。

（2）刚度：弹簧的刚度是指单位弹性变形所需的力，刚度越大，弹簧的变

形越小。

（3）疲劳寿命：弹簧在反复加载下，承受疲劳损伤的能力。

（4）抗冲击功能：弹簧在受到冲击载荷时，能承受一定的能量，避免发生

过大的变形。

6.2弹簧设计计算

6.2.1弹簧设计的基本参数

弹簧设计的基本参数包括线径、圈数、弹簧直径、间距、预压力等。设计时,

需要根据弹簧的工作条件、载荷、刚度等要求，合理选择这由参数。

6.2.2弹簧设计计算方法

弹簧设计计算主要包括以下步骤：

（1）确定弹簧的基本参数：根据使用要求，确定弹簧的线径、圈数、弹簧

直径、间距等参数。

（2）计算弹簧的刚度：根据弹簧的基本参数，计算弹簧的刚度，以满足使

用要求。

（3）计算弹簧的疲劳寿命：根据弹簧的应力、循环次数等参数，计算弹簧

的疲劳寿命。

（4）校核弹簧的稳定性：根据弹簧的工作条件，校核弹簧的稳定性，防止

弹簧失稳。

6.3弹簧的制造与检验

6.3.1弹簧的制造

弹簧的制造主要包括以下环节：

（1）材料选择：根据弹簧的使用要求，选择合适的材料。

（2）弹簧绕制：采用专用设备，将线材绕制成弹簧形状。

（3）热处理：对弹簧进行热处理，以提高其弹性、强度等功能。

（4）表面处理：对弹簧进行表面处理，提高其防腐功能。

（5）组装：将弹簧与其他零件组装成完整的弹簧组件。

6.3.2弹簧的检验

弹簧的检验主要包括以下内容：

（1）尺寸检验：检查弹簧的直径、间距、长度等尺寸是否符合设计要求。

（2）弹性检验：通过加载实验，检查弹簧的弹性是否符合要求。

（3）疲劳寿命检验：通过疲劳实验，检验弹簧在反复加载下的疲劳寿命。

（4）表面质量检验：检查弹簧表面是否存在裂纹、腐蚀等缺陷。

第七章机械动力学

7.1动力学基本概念

动力学是研究物体在力的作用下运动规律及其内在联系的科学。在机械设计

中，动力学分析是保证机械系统稳定运行、提高工作效率的重要环节。动力学基

本概念主要包括以下内容：

（1）牛顿运动定律：描述物体在力的作用下运动状态发生改变的规律。牛

顿运动定律包括三个基本定律，分别为：

1）牛顿第一定律（惯性定律）：一个物体若不受外力作用，或者所受外力的

合力为零，则物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。

2）牛顿第二定律（加速度定律）：一个物体的加速度与所受外力成正比，与

物体的质量成反比，加速度的方向与外力的方向相同。

3）牛顿第三定律（作用与反作用定律）：两个物体相互作用时，作用力与反

作用力大小相等，方向相反。

（2）质量：质量是物体所具有的惯性特性，是衡量物体惯性大小的物理量。

质量与物体的形状、位置和速度无关，但与物体的材料有关。

（3）动量：动量是物体运动状态的表征，等于物体的质量与速度的乘积。

动量是一个矢量，其方向与物体运动的方向相同。

7.2机械振动分析

机械振动是指机械系统在外力或内在因素作用下，产生周期性或非周期性运

动的现象。机械振动分析主要包括以下几个方面：

（1）自由振动：自由振动是指在没有外力作用下，机械系统由于初始扰动

而发生的振动。自由振动的特点包括：

1）振幅：振幅是振动过程中，物体离开平衡位置的最大距离。

2）周期：周期是振动过程完成一次循环所需的时间。

3）频率：频率是单位时间内振动次数，与周期互为倒数。

（2）受迫振动：受迫振动是指在外力作用下，机械系统发生的振动。受迫

振动的特点包括：

1）振幅：受迫振动的振幅取决于外力的频率、幅值以及系统的固有频率。

2）相位：相位是描述振动过程中物体位置与时间关系的物理量。

3）共振：当外力频率等于系统固有频率时，系统振幅达到最大，这种现象

称为共振。

（3）阻尼振动：阻尼振动是指在振动过程中，由于阻尼作用，振幅逐渐减

小的振动。阻尼振动的特点包括：

1）振幅：振幅随时间逐渐减小。

2）周期：周期基本不变。

3）频率：频率略有减小。

7.3机械平衡设计

机械平衡设计是保证机械系统在各种工况下运行稳定、减小振动和噪声的重

要环节。机械平衡设计主要包括以下内容：

（1）静平衡：静平衡是指机械系统在静止状态下，各部分质量分布对转动

中心的力矩相互抵消，使系统保持平衡。

（2）动平衡：动平衡是指机械系统在运动过程中，各部分质量分布对转动

中心的力矩相互抵消，使系统保持平衡。

（3）平衡方法：机械平衡设计常用的方法有质量平衡法、力矩平衡法、重

心平衡法等。

（4）平衡精度：平衡精度是指机械系统在实际运行中，各部分质量分布对

转动中心的力矩相互抵消的程度。平衡精度越高，系统运行越稳定。

（5）平衡装置：为了实现机械平衡，设计中常用的平衡装置有平衡块、平

衡轴、平衡器等。

第八章机构设计

8.1平面机构设计

8.1.1设计原则与要求

平面机构设计应遵循以下原则与要求：保证机构的运动可靠性、减小摩擦与

磨损、提高传动效率、降低制造成本、便于维护与调整等。在设计过程中，需综

合考虑机构的功能、运动特性、受力情况等因素。

8.1.2设计方法

平面机构设计方法主要包括以下几种：

（1）运动学设计：根据机构的功能需求，确定机构的运动参数，如位移、

速度、加速度等，以及机构的运动轨迹和运动规律。

（2）动力学设计：分析机构在运动过程中所受的力，包括驱动力、阻力、

惯性力等，以及这些力对机构运动的影响。

（3）优化设计：在满足设计要求的前提下，通过优化方法，寻求机构参数

的最佳组合，提高机构的功能。

（4）计算机辅助设计：利用计算机软件进行机构设计，提高设计效率和准

确性。

8.1.3设计实例

以下以某平面四杆机构为例，介绍平面机构的设计过程：

（1）确定机构功能与运动要求。

（2）选择合适的机构类型。

（3）确定机构尺寸与参数。

（4）进行运动学分析，计算运动参数。

（5）进行动力学分析，计算受力情况。

（6）对机构进行优化设计。

（7）利用计算机软件进行辅助设计。

8.2空间机构设计

8.2.1设计原则与要求

空间机构设计应遵循以下原则与要求：保证机构的运动可靠性、减小摩擦与

磨损、提高传动效率、降低制造成本、便于维护与调整等。同时还需考虑空间机

构的运动空间、受力情况、运动精度等因素工

8.2.2设计方法

空间机构设计方法主要包括以下几种：

（1）运动学设计：分析空间机构的运动特性，确定机构的运动参数和运动

轨迹。

（2）动力学设计：分析空间机构在运动过程中所受的力，包括驱动力、阻

力、惯性力等。

（3）优化设计：在满足设计要求的前提下，寻求空间机构参数的最佳组合。

（4）计算机辅助设计：利用计算机软件进行空间机构设计。

8.2.3设计实例

以下以某空间机构为例，介绍空间机构的设计过程：

（1）确定机构功能与运动要求。

（2）选择合适的机构类型。

（3）确定机构尺寸与参数。

（4）进行运动学分析。

（5）进行动力学分析。

（6）对机构进行优化设计。

（7）利用计算机软件进行辅助设计。

8.3机构动力学分析

8.3.1分析目的与意义

机构动力学分析是对机构在运动过程中所受力的分析，旨在了解机构运动的

稳定性、受力情况及动态特性。通过对机构动力学分析，可以为机构设计提供依

据，提高机构的功能和可靠性。

8.3.2分析方法

机构动力学分析方法主要包括以下几种：

（1）分析法：通过对机构的受力分析，建立动力学方程，求解机构的运动

参数。

（2）数值法：利用计算机软件，对机构的运动过程进行数值模拟，求解机

构的运动参数。

（3）实验法：通过实验手段，测量机构的运动参数和受力情况。

8.3.3分析内容

机构动力学分析主要包括以下内容：

（1）机构在运动过程中的受力分析。

（2）机构运动参数的计算。

（3）机构的动态特性分析。

（4）机构的疲劳寿命分析。

（5）机构受力对运动精度的影响分析。

第九章机械系统设计

9.1机械系统的组成

机械系统是由多个机械元素按照特定功能需求组合而成的整体。一个典型的

机械系统主要包括以下几部分：

（1）动力系统：为机械系统提供动力来源，包括发动机、电动机等。

（2）传动系统：将动力系统输出的动力传递到执行部分，包括齿轮传动、

皮带传动等。

（3）执行系统：完成特定功能的部件，如机床的主轴、的手臂等。

（4）控制系统：对机械系统的运动进行控制，包括传感器、控制器、执行

器等。

（5）辅助系统：为机械系统正常运行提供辅助支持的部件，如润滑系统、

冷却系统等。

9.2机械系统的设计方法

机械系统的设计方法包括以下几个步骤：