第一章 机械设计基础概论
§ 1.1 机械的概念
§ 1.2 机械设计的基本要求和一般程序
§ 1.3 机械零件的常用材料
§ 1.4 机械零件的失效形式及设计计算准则
§ 1.5 本课程的研究内容、性质及任务
§ 1.1 机械的概念
? 机器、机构及其结构组成
机械是各类机器的通称。它是人类改造自然、发展进
步的主要工具。在日常生活和工作中，我们接触到很多
机器。
例如,
气缸体
连杆
曲轴
齿轮
活塞
齿轮
构件,机器的种类繁多、外形万变、用途各异。
但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器
都是由能产生相对运动的单元体组合而成，这些单元体称为构件。
机构,具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构。
机器组成示例,
?各机构的功能,
曲柄滑块机构,将活塞的往复移动转化为曲轴的
连续转动。
齿轮机构,实现转动的传递。
凸轮机构,将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。
综合,通过上述三个机构的协调工作便能
将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。
结论,机器是由各种机构组成的。一部机器可能
由多种机构组成，如上述的内燃机就是由曲柄滑块
机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而
成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机
就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。
?机器的共同特征,
从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机
器的共同特征,
（ 1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造
的一种装置。
（ 2）它们必须执行确定的机械运动。
（ 3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动
力学任务。
相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动
传递和运动形式转换的特征。
构件和零件,
机械都是由机械零件组成的。机械零件是指机械中每
一个单独加工的单元体，例如上图 (a)所示的曲轴。
构件可以是单一的机械零件，也可以是若干机械零件的
刚性组合。例如图 ( b)所示，它是由连杆体,
连杆盖、螺栓和螺母等零件组合而成的。这些零件之间
没有相对运动，是一个运动整体，故属一个构件。
因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。
随着机械的功能和类型的日益增多，作为组成机
械的最基本单元的零件更是多种多样。通常将机械零件
分为通用机械零件和专用机械零件两大类。
机器的组成
作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的
它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器
一般主要由以下五部分组成,
原动机 传动装置 执行部件
辅助系统
控制系统
机
器
组
成
以轿车的组成为例,
基
本
要
求
1） 使用 功能要求 ；
2） 经济性要求 ；
3） 劳动保护和环境保护要求 ；
4） 可靠性要求 ；
5） 其它专用要求 。
§ 1.2机械设计的基本要求和一般程序
1.2.1 机械设计的基本要求
? 对机器的主要要求
基本要求
?工作能力要求：强度、刚度、
寿命、稳定性、耐磨性；
?结构工艺性及经济性要求。
?质量小及可靠性要求
?设计机械零件时应满足的基本要求
1.2.2 机械 设计的一般程序
? 设计机器的一般程序
一
般
程
序
计划阶段
方案设计阶段
技术设计阶段
技术文件编制
对所设计的机器需求情况进行
充分调查分析，明确机器功能
及约束条件，形成设计任务书。
分析机器功能，确定功能参数，
拟定多种方案并进行综合评价。
确定原动机参数及各运动构件的
运动参数，确定主要零件上的载
荷大小、特性，依工作能力设计
准则初步完成零件基本尺寸的确
定，作出零部件装配草图及总装
配图，完成主要零件的校核计算。
编制设计计算说明书、使用说明
书及其它技术文件。
结 束
? 机械零件设计的一般步骤
设
计
步
骤
1,根据机器具体工作情况确定作用
在零件上的名义载荷及计算载荷。
名义载荷,
用力学公式计
算出的载荷。
计算载荷,
考虑实际工作
条件影响的载
荷。
2、选择零件材料。
3、由失效形式确定计算准则并依此
确定零件主要尺寸。
4、根据工艺性进行零件结构设计。
5、根据结构尺寸进行详细校核计算。
6、绘制零件工作图，写出计算说明书。
1.2.3 机械零件设计中的标准化
所谓零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要
素、材料性能、检验方法、设计方法、制图等要求，制定
出共同遵守的标准。标准化的优越性表现为,
1）标准零件集中加工，成本大大降低，质量得到保证；
2）材料和零件的性能指标得到统一，提高了零件的可靠性；
3）采用了标准结构及零、部件，使设计工作得到简化，同
时缩短了设计周期，提高了设计质量。此外，由于具有较
好的互换性，从而简化了机器的维修工作。
目前采用的标准有：国际标准 ISO,国家标准 GB，行业
标准和企业标准。
§ 1.3 机械零件的材料及其选用
常
用
的
材
料
1,金属材料 — 力学性能较好，能满足机械零
件的多种性能和用途要求，应用广泛。
2、高分子材料 — 原料丰富，耐腐蚀性较好，
主要用于化工设备和冷冻设备中。
3、陶瓷材料 — 硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高，
主要用于切削刀具等结构中。
4、复合材料 — 具有较高的强度和弹性模量，
主要用于航空、航天等领域。
?常用材料
? 机械零件的材料选用原则
材
料
的
选
择
原
则
1,载荷、应力的大小和性质
2、零件的工作情况 —— 包括环境、温度等
3、零件的尺寸及质量
4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性
5、材料的经济性 —— 包括材料的相对价格、
加工费用、材料的利用率等的考虑。
§ 1.4机械零件的主要失效形式及设计计算准则
整体断裂
正常工作
条件破坏
过大的残
余变形
零件的表
面破坏
零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的
应力超过零件的强度极限而发生的断裂。
零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的
过大残余变形而导致的失效。
零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳
而产生的表面破坏失效。
如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、
胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷
超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。
1.4.1机械零件的主要失效形式
1.4.2机械零件的设计准则
设计准则
?强度准则, 刚度准则
?寿命准则
?振动稳定性准则
?可靠性准则
§ 1.5 本课程的研究内容、性质及任务
? 本课程研究的内容,
常用机构、常用的传动和通用的零部件的工作
原理、结构特点、基本设计理论、计算方法和国
家标准的应用等内容。
? 本课程的性质
机械设计基础是建立在画法几何及机械制
图、理论力学、材料力学、工程材料及金
工等课程的基础上的一门技术基础课。
? 本课程的任务,
（ 1）了解常用机构（平面连杆机构、凸轮机
构、齿轮传动机构等）及通用零、部（轴
承、轴、联轴器及离合器）的工作原理、
类型、特点及应用等基本知识。
（ 2）掌握常用机构的基本理论和设计方法，
掌握通用零、部件的失效形式、设计准则
与设计方法。
（ 3）具备机械设计实验技能和设计简单机械
及传动装置的基本技能。
§ 1.1 机械的概念
§ 1.2 机械设计的基本要求和一般程序
§ 1.3 机械零件的常用材料
§ 1.4 机械零件的失效形式及设计计算准则
§ 1.5 本课程的研究内容、性质及任务
§ 1.1 机械的概念
? 机器、机构及其结构组成
机械是各类机器的通称。它是人类改造自然、发展进
步的主要工具。在日常生活和工作中，我们接触到很多
机器。
例如,
气缸体
连杆
曲轴
齿轮
活塞
齿轮
构件,机器的种类繁多、外形万变、用途各异。
但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器
都是由能产生相对运动的单元体组合而成，这些单元体称为构件。
机构,具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构。
机器组成示例,
?各机构的功能,
曲柄滑块机构,将活塞的往复移动转化为曲轴的
连续转动。
齿轮机构,实现转动的传递。
凸轮机构,将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。
综合,通过上述三个机构的协调工作便能
将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。
结论,机器是由各种机构组成的。一部机器可能
由多种机构组成，如上述的内燃机就是由曲柄滑块
机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而
成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机
就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。
?机器的共同特征,
从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机
器的共同特征,
（ 1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造
的一种装置。
（ 2）它们必须执行确定的机械运动。
（ 3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动
力学任务。
相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动
传递和运动形式转换的特征。
构件和零件,
机械都是由机械零件组成的。机械零件是指机械中每
一个单独加工的单元体，例如上图 (a)所示的曲轴。
构件可以是单一的机械零件，也可以是若干机械零件的
刚性组合。例如图 ( b)所示，它是由连杆体,
连杆盖、螺栓和螺母等零件组合而成的。这些零件之间
没有相对运动，是一个运动整体，故属一个构件。
因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。
随着机械的功能和类型的日益增多，作为组成机
械的最基本单元的零件更是多种多样。通常将机械零件
分为通用机械零件和专用机械零件两大类。
机器的组成
作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的
它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器
一般主要由以下五部分组成,
原动机 传动装置 执行部件
辅助系统
控制系统
机
器
组
成
以轿车的组成为例,
基
本
要
求
1） 使用 功能要求 ；
2） 经济性要求 ；
3） 劳动保护和环境保护要求 ；
4） 可靠性要求 ；
5） 其它专用要求 。
§ 1.2机械设计的基本要求和一般程序
1.2.1 机械设计的基本要求
? 对机器的主要要求
基本要求
?工作能力要求：强度、刚度、
寿命、稳定性、耐磨性；
?结构工艺性及经济性要求。
?质量小及可靠性要求
?设计机械零件时应满足的基本要求
1.2.2 机械 设计的一般程序
? 设计机器的一般程序
一
般
程
序
计划阶段
方案设计阶段
技术设计阶段
技术文件编制
对所设计的机器需求情况进行
充分调查分析，明确机器功能
及约束条件，形成设计任务书。
分析机器功能，确定功能参数，
拟定多种方案并进行综合评价。
确定原动机参数及各运动构件的
运动参数，确定主要零件上的载
荷大小、特性，依工作能力设计
准则初步完成零件基本尺寸的确
定，作出零部件装配草图及总装
配图，完成主要零件的校核计算。
编制设计计算说明书、使用说明
书及其它技术文件。
结 束
? 机械零件设计的一般步骤
设
计
步
骤
1,根据机器具体工作情况确定作用
在零件上的名义载荷及计算载荷。
名义载荷,
用力学公式计
算出的载荷。
计算载荷,
考虑实际工作
条件影响的载
荷。
2、选择零件材料。
3、由失效形式确定计算准则并依此
确定零件主要尺寸。
4、根据工艺性进行零件结构设计。
5、根据结构尺寸进行详细校核计算。
6、绘制零件工作图，写出计算说明书。
1.2.3 机械零件设计中的标准化
所谓零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要
素、材料性能、检验方法、设计方法、制图等要求，制定
出共同遵守的标准。标准化的优越性表现为,
1）标准零件集中加工，成本大大降低，质量得到保证；
2）材料和零件的性能指标得到统一，提高了零件的可靠性；
3）采用了标准结构及零、部件，使设计工作得到简化，同
时缩短了设计周期，提高了设计质量。此外，由于具有较
好的互换性，从而简化了机器的维修工作。
目前采用的标准有：国际标准 ISO,国家标准 GB，行业
标准和企业标准。
§ 1.3 机械零件的材料及其选用
常
用
的
材
料
1,金属材料 — 力学性能较好，能满足机械零
件的多种性能和用途要求，应用广泛。
2、高分子材料 — 原料丰富，耐腐蚀性较好，
主要用于化工设备和冷冻设备中。
3、陶瓷材料 — 硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高，
主要用于切削刀具等结构中。
4、复合材料 — 具有较高的强度和弹性模量，
主要用于航空、航天等领域。
?常用材料
? 机械零件的材料选用原则
材
料
的
选
择
原
则
1,载荷、应力的大小和性质
2、零件的工作情况 —— 包括环境、温度等
3、零件的尺寸及质量
4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性
5、材料的经济性 —— 包括材料的相对价格、
加工费用、材料的利用率等的考虑。
§ 1.4机械零件的主要失效形式及设计计算准则
整体断裂
正常工作
条件破坏
过大的残
余变形
零件的表
面破坏
零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的
应力超过零件的强度极限而发生的断裂。
零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的
过大残余变形而导致的失效。
零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳
而产生的表面破坏失效。
如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、
胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷
超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。
1.4.1机械零件的主要失效形式
1.4.2机械零件的设计准则
设计准则
?强度准则, 刚度准则
?寿命准则
?振动稳定性准则
?可靠性准则
§ 1.5 本课程的研究内容、性质及任务
? 本课程研究的内容,
常用机构、常用的传动和通用的零部件的工作
原理、结构特点、基本设计理论、计算方法和国
家标准的应用等内容。
? 本课程的性质
机械设计基础是建立在画法几何及机械制
图、理论力学、材料力学、工程材料及金
工等课程的基础上的一门技术基础课。
? 本课程的任务,
（ 1）了解常用机构（平面连杆机构、凸轮机
构、齿轮传动机构等）及通用零、部（轴
承、轴、联轴器及离合器）的工作原理、
类型、特点及应用等基本知识。
（ 2）掌握常用机构的基本理论和设计方法，
掌握通用零、部件的失效形式、设计准则
与设计方法。
（ 3）具备机械设计实验技能和设计简单机械
及传动装置的基本技能。
