机械是机器和机构的总称。
常用机构：机器中广泛应用的机构。 如：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机 构。
凸轮机构
齿轮机构
间歇运动机构 连杆机构
二、构件和零件
构件：组成机器的若干个运动的实物。
单一零件——曲轴
多个零件的刚性组合——连杆
零件：机械中不可拆的制造单元体。
构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。
（2）执行部分：完成机械预定功能的部分。
（3）传动部分：把动力部分的运动和动力传递给执 行部分。 （4）控制部分：使操作者能随时实现或终止机器各 种预定功能的部分。
2.机 构
机构是用来传递运动和力；有一个构件为机架； 用运动副连接起来
机构主要用来传递或变换运动。
机器主要用来完成有用的机械功或转换机械能。
（A、B、C 三点不得共线）
如何求力系合力？
同在xOy平面内的六个力如图所示， 大小分别为F1=10N，F2=20 N， F3=12N，F4=10 N，F5=30N， F6=12N，求合力的大小。
第一步：将力投射到xy轴上
如何求力系合力？
第二步：分别求各力在X和Y轴上的值
如何求力系合力？
第三步：求合力（注意方向）
为研究对象。
2）以内力代替另一部分对研究对象的作用。 3）对研究对象列出平衡方程，求解内力。
应力概念—单位面积上所受的内力
应力描述了内力在横截面上的分布情况和密集程度，可以判 断构件强度
[例] 图示杆的A、B、C、D点分别作用着大小为5F、8F、4F、 1F 的力，方向如图，试画出杆的轴力图。 O A FA FN1 A B FB B C FC C D FD D
扳手
螺丝起子
钳子
（一）机器和机构
1.机 器
具有以下三个特征的实物组合体称为机器。 （1）都是人为的各种实物的组合。 （2）组成机器的各种实物间具有确定的相对运动。 （3）可代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功或转
换机械能。
根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成：
（1）动力部分：机械的动力来源。
以减少刀具和量具的规格。
（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。
五、设计机器的一般过程和主要内容：
（1）设计任务的研究和制定:主要是提出设计任务和明 确设计要求，并拟定计划。
（2）方案设计：由设计人员构思出多种可行方案进行 分析比较，从中优选出一种方案。 （3）总体设计：根据方案设计得到最佳方案。
F F
轴向压缩，对应的力称为压力。
F
为简单起见，也可以把拉压杆用一条粗直线表示
F F
F F
2、内力及横截面上的应力
内力概念--由于外力作用而引起的杆件内部相互作用力
的改变，称为附加内力，简称内力
截面法-求内力的方法是截面法。
F
1 1
F
F
（2）
1 FN 1
（1）
截面法按其过程可归纳为三个步骤： 1）沿其研究的截面将杆件截为两部分，并取其中一部分 作
A
三、剪切与挤压 剪切应力

计算切应力——平均切应 力 (假定剪切面上切应力 是均匀分布的)
FS τ AS
剪切强度条件
FS τ [τ ] AS
挤压
挤压力----作用在承压面上的压力称为挤压力。 挤压应力-----在承压面上由于挤压作用而引起的 应力称为挤压应力。 计算挤压面------承压面在垂直于挤压力方向 的平面上的投影。 F
失效形式 塑形变形 弹性变形 工作表面失效 ……
机械零件的设计计算准则
同一零件对于不同失效形式的承载能力各不相
同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定 条件，称为设计计算准则。 五大准则
*强度准则（基本要求）
工作应力不超过零件的许用应力

或

二、机械设计应满足的基本要求
5.热处理工艺性能
§4 机械零件的常用材料
金属材料： 黑色金属：钢、铸铁 有色金属：铜、铝及其合金 工程塑料、橡胶、玻璃、皮 非金属材料：革、木材等
复合材料：
纤维增强塑料、金属陶瓷等
1、钢：含碳量低于2%的铁碳合金。
钢的强度较高，塑性较好制造机件时可以轧制、锻 造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理方法获得高的机 械性能或改善切削性能，因此钢是机械制造中应用最广和极
x轴上有： Fx=F2x+F1-F4x-F5x=30+10-15-15=10N； y轴上有： Fy=F2y+F3+F4y-F6-F5y=10 +12+5 -12-15 =0
故最终合力为Fx=10N；方向沿x轴正方向．
答：合力的大小为10N，方向沿x轴的正方向．
二、轴向拉伸与压缩
1.拉伸与压缩的概念
引入比例常数E，可有
Fl F l EA EA 这一关系称为胡克定律。
许用应力和安全因数
材料的力学性能—材料在外力作用下，表现出来的各种性 能。 1.拉伸和压缩时材料的力学性能：屈服极限、强度极限、延 伸率和断面收缩率 2.极限应力和工作应力 3.许用应力和安全因数
强度计算 为了保证构件具有足够的强度，必须使最大工作应 力不超过许用应力，即满足。
零件可分为两类：
通用零件：各种机械中经常使用的零件
例如：齿轮、轴、螺母、键、弹簧等。
专用零件：只能在一定类型的机械中使用的零件。 例如：活塞、叶片、内燃机中的曲轴等。
§2 机械设计的基本要求和一般程序
一、机械零件的主要失效形式和设计准则 失效：不能正常工作或达不到设计要求时
失效与破坏的区别：失效不意味着破坏
（3）通用化：在不同规格的同类产品或不同类产品中
采用同一 结构和尺寸的零件、部件。
标准化、系列化、通用化统称为“三化”。 采用“三化”的意义如下： （1）减轻设计工作量，以便把主要精力用在关键 零、部件的设计工作上。 （2）便于大规模地集中生产标准零、部件，合理使 用原材料，保证质量和降低制造成本。 （3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可
半径，且与扭矩的转向一致。

max
最大剪应力


M
IP

圆轴扭转的强度计算
强度条件：


M
Wt

其中容许剪应力[]是由扭转时材料的极限剪应力除以安全系
数得到。
五、弯曲 弯曲：构件在通过其轴线的面内，受到力偶或垂直于轴线 的横向外力的作用（受力特点），杆的轴线由直线变为曲 线（变形特点）。

计算式为
bs
bs
挤压强度条件为
Abs Fbs bs bs Abs
四、扭转
扭转变形
外力偶矩计算：
扭矩计算：判断正负方向
圆轴扭转变形
1. 横截面变形后仍为平面，满足平面假设； 2. 轴向无伸缩，横截面上没有正应力； 3. 纵向线变形后仍为平行。
圆轴扭转时的应力 同一截面，扭矩T ，极惯性矩IP 为常量，因此各点剪应 力 的大小与该点到圆心的距离 成正比，方向垂直于圆的
FA
FB
FC
FD
解： 求OA段内力FN1：设置截面如图
X 0
FN1 FA FB FC FD 0
FN1 5F 8F 4F F 0
FN1 2F
同理，求得AB、 BC、CD段内力分 别为：
FN2
B FB FN3
C FC C FC FN4
D FD D FD D
机械设计基础
第一章 机械设计基础概论
§1 机械及其组成 §2 机械设计的基本要求和一般过程
§3 金属材料的性能
§4 机械零件的常用材料 §5 机械零件的力学基础 §6 摩擦磨损及润滑
§1 机械的相关概念
一、什么是机械？
机器和机构统称为机械。 机械是人类在长期的生产实践中产生的。 机械工具的优点：减轻劳动强度、改善劳动条 件、提高劳动生产率。 机械工具举例
当作用在等截面直杆上的外力（或者外力合力）的 作用线和杆轴重合时，杆件的主要变形是轴向拉伸 或者压缩。 经历轴向拉伸（压缩）的等截面直杆称为拉（压） 杆。
轴向拉压的外力特点：外力的合力作用线与杆的轴线重合。 轴向拉压的变形特点：杆的变形主要是轴向伸缩，伴随横向 缩扩。
F
轴向拉伸，对应的力称为拉力。
4、非金属材料： 工程塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、皮革、木材、纸板、 毛毡等
§5 机械零件的力学基础
一、力系
1.平面任意力系 概念：各力的作用线在同一平面内,既不汇交为一点又不相互 平行的力系。
平面任意力系向作用面内一点的简化
F2
F1
F2′
M2
O
F1′
FR′ MO O
O
M1
F3
F3′
M3
O
简化中心
平面汇交力系
l l l l
l
胡克定律
拉压杆的变形量与其所受力之间的关系和材料的性能有关， 并且只能通过实验来获得。对于工程中常用材料制成的拉 压杆，一系列实验证明：当杆内的应力不超过某一极限值 时，杆的伸长△l 与其所受外力F，杆的原长度l 成正比，而 与其横截面积 A 成反比。即
Fl l A
为重要的材料。 2、铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。 铸铁属脆性材料，不能辗压和锻造，不易焊接；但
其熔点较低，流动性好，因此可以铸造出形状复杂的铸件。 灰铸铁： 含碳量 < 1% 球墨铸铁：含碳量 > 1%
3、有色金属： 在工业上，把铁以外的金属统称为有色金属，以有色 金属为主要元素组成的合金称为有色金属合金。 如：铜合金和铝合金等。
平面任意力系平衡方程的形式 （1）基本形式
B A
FR