机 械 设 计
主 讲
吴 昌 林
第一章 绪 论
§ 1-1 本课程的内容,性质及学习要求
一,课程内容
机械 —— 机器、机构的总称
组成机器的基本单元：
机构 —— 运动单元 → 机械原理；
零件 —— 制造单元 → 机械设计。
讨论机械零部件的设计方法，如零部件
的工作能力、参数设计、结构设计、加工工
艺等
机械零件
通用零件
专用零件
传动件
联接件
支承件
其 它
— 齿轮、蜗杆、带、链
— 螺栓、键、花键
— 轴、轴承
— 联轴器、弹簧、机架
— 水轮机叶片、活塞、曲轴
机器是由机械零件组成的整体，各个零件之间有紧密联系。
学习时应有整体的设计观念。
本课程重点讨论通用零件的设计。
二、课程的性质及重要性
— 设计性技术基础课，综合性强
基础课 机械设计 专业课
— 机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素。
三、学习要求
1、掌握通用零部件的设计方法和步骤
2、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力；
3、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。
四、学习方法
1、掌握零件设计时的共性
工作原理、结构、
类型、应用场合
受力分析、
失效形式
设计准则、
设计计算
2、不死记公式，理解并掌握基本概念
着眼于分析问题和解决问题能力的培养。
3、掌握机械设计的特点
解的不唯一性和设计过程的反复性。
教 材
1、机械设计基础 杨家军等主编，华科大出版社；
2,机械设计基础（第二版） 黄华梁等主编，高教出版社 ;
3、机械设计课程设计 唐增宝等主编，华工出版社；
4、机械设计现场教学指导书,自编；
5、机械设计实验指导书，自编。
§ 1-2 机械零件设计概述
一、设计机械零件的基本要求
1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能；
2、工作可靠 — 在预定的工作期限内不能失效；
3、成本低廉。
失效 — 丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指
破坏。主要有：
— 断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂
— 表面点蚀。工作表面片状剥落
— 塑性变形。零件发生永久性变形
— 过大弹性变形
— 过度磨损
— 过大振动和噪声、过热等
强度问题
刚度问题
耐磨性问题
工作能力 — 不失效条件下零件的安全工作限度。
这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，
所以又常称为,承载能力,
50 kN
吊钩最大起重量 —— 50 kN
工作能力或承载能力 —— 50 kN
二、承载能力判定条件
同一零件可能发生各种不同形式的失效
Fn 轴可能的失效形式：
断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振
强度条件,工作应力 ≤许用应力
σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件,实际变形量 ≤许用变形量
y ≤[y],θ ≤[θ], υ≤ [υ]
三、机械零件的设计步骤
3、选择材料；
4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件
的主要参数；
5、绘制零件工作图
受力分析
传统设计方法：
强度条件（或刚度） 设计计算 尺寸
尺寸 校核计算 强度条件（或刚度）
★ 理论设计（半经验设计）
1、拟订零件的设计简图
2、确定载荷的大小及位置
★ 类比设计
与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方
法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。
★ 经验设计
根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，
缺乏创新。
★ 模型实验设计
用于大型、复杂零件的设计。
现代设计方法：
★ 优化设计
对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化
方法求解，得出最佳设计结果。
★ 计算机辅助设计（ CAD）
包括分析计算和绘图。
★ 概率设计
将概率论与数理统计理论运用于机械设计。
★ 有限元分析
★ 并行设计
§ 1-3 机械零件的强度
一、载荷及应力的分类
1、载荷的分类
静载荷
变载荷
—— 不随时间改变或变化缓慢
—— 随时间作周期性或非周期性变化
名义载荷
计算载荷
—— 理想工作条件下的载荷
—— 作用于零件的实际载荷
计算载荷 名义载荷= K ×
载荷系数
？
2、应力的分类
静应力
变应力
—— 不随时间改变或变化缓慢
—— 随时间作周期性或非周期性变化
变应力
稳定变应力 —— 周期性循环变应力
非稳定变应力 —— 非周期性循环变应力
稳定变应力
非对称循环变应力
对称循环变应力
脉动循环变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
非对称循环变应力 静应力
几个应力参数
循环特征：
m a x
m in
?
??r —— 表示应力变化的情况
对称循环 — r = － 1； 脉动循环 — r = 0；
非对称循环 — r≠ 0 且 | r | ≠ 1; 静应力 — r = +1
用 σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1,σ0等
平均应力：
2 m i nm a x
??? ??
m
应 力 幅：
2 m i nm a x
??? ??
a
对称循环,σm= 0; σa=σmax
脉动循环,σm=σa=σmax / 2
注意：
变载荷 → 变应力
静载荷 → 静应力？或变应力
n
P
● a
n
二、静应力作用下的强度问题
主要失效形式：断裂或塑性变形
强度条件,σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
塑性材料：
ss l i ml i m ][;][
???? ??许用应力：
σlim, τlim — 极限应力
s — 安全系数
σlim = σs ； τlim = τs
脆性材料,σlim = σB ； τlim = τB
σs,τs— 材料屈服极限
σB,τB— 材料强度极限
三、变应力作用下的强度问题
主要失效形式：疲劳破坏
初始裂纹
疲劳区
(光滑 )
粗糙区
强度条件,σ≤ [σ]
slim
?? σlim =？
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关
N
σ
σrN
σr
N N0
疲劳曲线
N — 应力循环次数
σrN — 疲劳极限（对应于 N）
N0 — 循环基数
σr — 持久极限
轴
有限寿命区 无限常数?NmrN? 0Nmr??
由此得,m
rrN NN /0?? ?
与应力状态
有关的指数
四、安全系数 S
通常 S ≥ 1
变应力时，取 σlim = σr（无限寿命）
或 σlim = σrN（有限寿命）
各种材料的 σr可从有关手册中查取
ss rNr
??? 或则 ?][
主 讲
吴 昌 林
第一章 绪 论
§ 1-1 本课程的内容,性质及学习要求
一,课程内容
机械 —— 机器、机构的总称
组成机器的基本单元：
机构 —— 运动单元 → 机械原理；
零件 —— 制造单元 → 机械设计。
讨论机械零部件的设计方法，如零部件
的工作能力、参数设计、结构设计、加工工
艺等
机械零件
通用零件
专用零件
传动件
联接件
支承件
其 它
— 齿轮、蜗杆、带、链
— 螺栓、键、花键
— 轴、轴承
— 联轴器、弹簧、机架
— 水轮机叶片、活塞、曲轴
机器是由机械零件组成的整体，各个零件之间有紧密联系。
学习时应有整体的设计观念。
本课程重点讨论通用零件的设计。
二、课程的性质及重要性
— 设计性技术基础课，综合性强
基础课 机械设计 专业课
— 机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素。
三、学习要求
1、掌握通用零部件的设计方法和步骤
2、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力；
3、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。
四、学习方法
1、掌握零件设计时的共性
工作原理、结构、
类型、应用场合
受力分析、
失效形式
设计准则、
设计计算
2、不死记公式，理解并掌握基本概念
着眼于分析问题和解决问题能力的培养。
3、掌握机械设计的特点
解的不唯一性和设计过程的反复性。
教 材
1、机械设计基础 杨家军等主编，华科大出版社；
2,机械设计基础（第二版） 黄华梁等主编，高教出版社 ;
3、机械设计课程设计 唐增宝等主编，华工出版社；
4、机械设计现场教学指导书,自编；
5、机械设计实验指导书，自编。
§ 1-2 机械零件设计概述
一、设计机械零件的基本要求
1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能；
2、工作可靠 — 在预定的工作期限内不能失效；
3、成本低廉。
失效 — 丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指
破坏。主要有：
— 断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂
— 表面点蚀。工作表面片状剥落
— 塑性变形。零件发生永久性变形
— 过大弹性变形
— 过度磨损
— 过大振动和噪声、过热等
强度问题
刚度问题
耐磨性问题
工作能力 — 不失效条件下零件的安全工作限度。
这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，
所以又常称为,承载能力,
50 kN
吊钩最大起重量 —— 50 kN
工作能力或承载能力 —— 50 kN
二、承载能力判定条件
同一零件可能发生各种不同形式的失效
Fn 轴可能的失效形式：
断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振
强度条件,工作应力 ≤许用应力
σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件,实际变形量 ≤许用变形量
y ≤[y],θ ≤[θ], υ≤ [υ]
三、机械零件的设计步骤
3、选择材料；
4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件
的主要参数；
5、绘制零件工作图
受力分析
传统设计方法：
强度条件（或刚度） 设计计算 尺寸
尺寸 校核计算 强度条件（或刚度）
★ 理论设计（半经验设计）
1、拟订零件的设计简图
2、确定载荷的大小及位置
★ 类比设计
与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方
法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。
★ 经验设计
根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，
缺乏创新。
★ 模型实验设计
用于大型、复杂零件的设计。
现代设计方法：
★ 优化设计
对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化
方法求解，得出最佳设计结果。
★ 计算机辅助设计（ CAD）
包括分析计算和绘图。
★ 概率设计
将概率论与数理统计理论运用于机械设计。
★ 有限元分析
★ 并行设计
§ 1-3 机械零件的强度
一、载荷及应力的分类
1、载荷的分类
静载荷
变载荷
—— 不随时间改变或变化缓慢
—— 随时间作周期性或非周期性变化
名义载荷
计算载荷
—— 理想工作条件下的载荷
—— 作用于零件的实际载荷
计算载荷 名义载荷= K ×
载荷系数
？
2、应力的分类
静应力
变应力
—— 不随时间改变或变化缓慢
—— 随时间作周期性或非周期性变化
变应力
稳定变应力 —— 周期性循环变应力
非稳定变应力 —— 非周期性循环变应力
稳定变应力
非对称循环变应力
对称循环变应力
脉动循环变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
非对称循环变应力 静应力
几个应力参数
循环特征：
m a x
m in
?
??r —— 表示应力变化的情况
对称循环 — r = － 1； 脉动循环 — r = 0；
非对称循环 — r≠ 0 且 | r | ≠ 1; 静应力 — r = +1
用 σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1,σ0等
平均应力：
2 m i nm a x
??? ??
m
应 力 幅：
2 m i nm a x
??? ??
a
对称循环,σm= 0; σa=σmax
脉动循环,σm=σa=σmax / 2
注意：
变载荷 → 变应力
静载荷 → 静应力？或变应力
n
P
● a
n
二、静应力作用下的强度问题
主要失效形式：断裂或塑性变形
强度条件,σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
塑性材料：
ss l i ml i m ][;][
???? ??许用应力：
σlim, τlim — 极限应力
s — 安全系数
σlim = σs ； τlim = τs
脆性材料,σlim = σB ； τlim = τB
σs,τs— 材料屈服极限
σB,τB— 材料强度极限
三、变应力作用下的强度问题
主要失效形式：疲劳破坏
初始裂纹
疲劳区
(光滑 )
粗糙区
强度条件,σ≤ [σ]
slim
?? σlim =？
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关
N
σ
σrN
σr
N N0
疲劳曲线
N — 应力循环次数
σrN — 疲劳极限（对应于 N）
N0 — 循环基数
σr — 持久极限
轴
有限寿命区 无限常数?NmrN? 0Nmr??
由此得,m
rrN NN /0?? ?
与应力状态
有关的指数
四、安全系数 S
通常 S ≥ 1
变应力时，取 σlim = σr（无限寿命）
或 σlim = σrN（有限寿命）
各种材料的 σr可从有关手册中查取
ss rNr
??? 或则 ?][
