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机械设计基础：第 1–10 页

机械设计基础 课堂笔记
机械设计基础·课堂知识手册
09 月 03 日
课程基本信息
• 课程名称：机械设计基础，48 学时，3 学分，第 1 周到第 12 周
• 课程设计：第 19、20 周，24 学时，2 学分，与机械设计基础分别考核
• 本课程由机械原理与机械设计两门课合并而成（安全工程专业） ，内容不会减少
• 教材电子版与课件在雨课堂” 电子版资源” 中，分章节上传（1-5 章、6 章、7-10
章、11-15 章）
• 网上作业系统：账号为学号，初始密码 123456，有问题联系助教
• 课堂练习：每节课 3-5 道题，尽量当堂完成；第一章有章节测试
• 学堂在线平台有补充资源，不作强制要求
风力发电中的机械装置
• 风力发电机通过叶片将风能转化为电能，叶片低速旋转无法直接产生有效电力
输出
• 叶片转速低的原因：噪音问题、机械强度限制
• 需要在叶片与发电机之间加入变速箱（gearbox）来提高转速
定义
变速箱（gearbox） ：一种通过齿轮传动改变转速的装置，分为减速器和增速器
两大类。默认情况下我们常说的” 减速器” 指减速装置，而风力发电中叶片转速
低、输出端需要高转速，因此用的是增速器。
例
风力发电机中，叶片连接大齿轮（主动轮，转速低） ，与电机侧的小齿轮啮合，
实现增速，传动比约为 1:90，并配有制动器。
行星齿轮传动
• 风力发电机中采用的是 行星齿轮传动，而非普通直齿轮、斜齿轮、涡轮蜗杆或
锥齿轮
• 行星轮系相关内容在课本第七章” 轮系” 中详细讲解
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机械设计基础 课堂笔记
定义
行星轮系：由太阳轮（中心轮） 、行星轮、系杆（行星架）等构件组成的齿轮传
动系统。太阳轮绕固定轴线转动；行星轮既绕自身轴线自转，其轴线又绕固定
机架公转，如同月亮绕地球运动。
• 风力发电机中的行星轮系包含 2 个中心轮（太阳轮）和 4 个对称布置的行星轮
• 支撑行星轮转动的构件称为系杆（也称行星架）
注意
行星轮与普通齿轮的关键区别：行星轮的轴线不是固定不动的，它既有自转又
有公转。太阳轮的轴线则是固定不动的。
车门开合机构（四杆机构）
• 公交车、地铁车门的开合采用四杆机构实现
• 机构中固定不动的构件为机架，其他构件绕转动副做摆动，推动车门做平移运
动
• 相关构件长度相等且平行，属于典型的四杆机构应用
• 四杆机构相关内容在第二章、第三章中讲解
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例
车门开合：机架固定，两个构件长度相等且平行，通过转动副连接，构件在角
度范围内摆动，推动车门平移实现开关。
自行车变速机构
• 自行车变速系统通过链条传动实现，是机械传动在生活中的典型应用
• 链条传动属于机械传动的一种形式，与后续课程内容相关
课程内容预告
• 齿轮相关知识：第六章
• 轮系（含行星轮系） ：第七章
• 四杆机构：第二章、第三章
• 自由度计算：第一章、第二章
注意
风力发电中用的是行星齿轮传动，不是锥齿轮（锥齿轮是两个轴线相互垂直的
圆锥形齿轮） ，也不是涡轮蜗杆传动。
课程章节与内容安排
• 本课程涉及传动部分，链传动为第九章，第八章为带传动，第七章为轮系
• 课程内容分为两大篇：理论基础篇（48 学时解决）与设计方法篇（课程设计解
决）
• 基础理论篇共 16 章，其中 3 章不讲：第十六章弹簧、第十二章滑动轴承、第五
章机械条数
• 剩余 13 章在 12 周内完成，基本一周一章，但学时分配不均：齿轮约8 学时，轮
系约 2 学时
• 设计方法篇中的重要内容会在 48 学时中穿插点到，PPT 中会给出
学习方法与要求
• 无特殊情况需到课室上课，课堂参与是重要评价依据
• 作业系统一周内自动关闭，不要拖到最后一天 10:00 才做
• 课堂练习通过雨课堂随时参与，老师会结合 PPT 讲解
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机械设计基础 课堂笔记
• 雨课堂视频不强制观看，以线下教学为主，课堂内容当堂消化
• 老师课前准备时间远超 45 分钟，课堂跟学比自学效果好
考核方式
• 期末 70%（闭卷考试） ，平时30%
• 平时成绩依据： 出勤、 网上作业系统、 雨课堂课堂练习参与程度、 讨论参与程度
• 平时成绩最重要的是 参与程度，而非具体分数；作业系统评分可能不完善，不
必在意分数
• 平时练习按考试模式设计，课堂练习做多了自然掌握考试方式
• 期末考试分数是硬性的，100 就是 100，60 就是 60
绪论章节结构
• 绪论含 5 个小节：概论、材料、失效、基本程序、传动
• 材料部分不展开讲（已学过工程材料/金属材料） ，着重” 会用” 即可
• 机械零件失效是重点，需讲解
• 传动部分与课程设计密切相关，会贯穿到 48 学时某些章节节点中
课程设计相关内容
• 课程设计前期需明确要做什么，部分计算内容在课堂中布置（用自己数据计算，
而非课本作业）
• 重点涉及三部分：带传动、齿轮传动、电动机选择
• 课程设计主体在最后两周完成
机器的组成
定义
机器主要由原动部分、工作部分、传动部分组成。
• 原动部分：将其他形式的能量转变为机械能（如电机）
• 工作部分：利用机械能去执行、变换或传递能量、物料或信号
• 传动部分：将原动机的运动和动力参数转换成工作机所需的参数
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机械的基本组成要素
• 机器由若干个机构组成（如车床的机械系统）
• 机构由若干个构件组成
• 构件是机构中的基本运动单元，可能由一个零件充当，也可能由多个零件组成
• 机器最基本的组成要素是机械零件
例
金工实习中加工轴用的车床就是一个机器，包含机械、电气、液压、气动、冷
却、控制等系统，其中机械系统由若干机构组成。
通用零件与专用零件
• 通用零件：在各种机器中普遍使用的零件，如齿轮、链轮
• 专用零件：特定机器中使用的零件，如内燃机中的曲轴
例
车门关闭时绕机架转动的构件是曲柄或摇杆，属于 4 杆机构中的一个构件。
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内燃机中的机构组成
• 内燃机作为机器， 由若干个机构组成， 包括曲柄滑块机构、 凸轮机构、 齿轮机构
• 曲柄滑块机构：曲柄做整周回转，通过连杆驱动活塞做直线往复运动
• 凸轮机构：凸轮与从动件接触，驱动进气/排气阀做直线往复运动，凸轮外形与
排气要求相关
• 齿轮机构：带动轴转动，属于轮系
定义
曲柄： 能做整周回转的构件。连杆： 连接曲柄与活塞 （滑块） 的构件。滑块： 活
塞在曲柄滑块机构中相当于滑块。
注意
曲柄滑块机构是由丝杆机构演化而来的，具体演化过程在第三章讲解。
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运动副
定义
运动副：相邻构件之间连接的地方，允许构件间产生相对运动。
• 曲柄与连杆之间、曲柄与机架之间都通过运动副连接
• 运动副相关内容在第二章讲解
例
门与门架之间的铰链构成一个转动副，使门可以做一定的摆动。
内燃机中的构件组成
• 曲柄滑块机构中的活动构件：曲柄、连杆、活塞（滑块）
• 曲柄滑块机构中还有一个不动的构件——机架，曲柄绕机架做整周回转
• 连杆作为一个构件，由若干个零件组成
注意
机构中除了活动构件外， 还有机架 （固定构件） 。 内燃机示意图中通常只标出活
动构件，机架容易被忽略。
课程章节与机构对应关系
• 第二章、第三章：运动副、4 杆机构
• 第四章：凸轮机构
• 第五章：不讲
• 第六章：齿轮
• 第七章：轮系
• 内燃机涵盖了前 7 章的重要内容
零件与构件
• 构件是机构中的运动单元，零件是加工单元
• 一个构件可以由一个或多个零件组成
• 以曲柄滑块机构中的连杆为例：连杆体 + 连杆盖，通过螺纹连接，共 4 个零件
组成一个构件
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• 组成同一构件的多个零件之间 没有相对运动；相对运动只发生在构件与构件之
间（如连杆与曲柄、连杆与活塞之间）
定义
零件是机械中的加工单元； 构件是机械中的运动单元。 构件可以是一个零件， 也
可以由多个零件刚性连接而成。
注意
组成同一构件的多个零件（如连杆体和连杆盖）之间没有相对运动，它们作为
一个整体参与运动。相对运动只存在于不同构件之间。计算自由度时，连杆作
为一个活动构件计，而不是按 4 个零件计。
机器、机构与构件的关系
• 机器由机构组成，机构由若干构件组成
• 相邻且有相对运动的构件之间通过运动副连接
• 转动副只是运动副的一种，运动副的具体类型在第二章展开
例
曲柄滑块机构由曲柄、连杆、滑块、机架组成，各构件之间具有确定的相对运
动，相邻构件间通过运动副连接。
常用材料
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• 金属材料：钢（普通碳素钢、优质碳素钢、低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、
铸钢） 、铸铁、有色金属（铝合金、铜合金、轴承合金）
• 非金属材料：塑料、橡胶、复合材料
定义
Q215、Q235 中的 Q 表示屈服强度， 数字表示屈服强度数值 （如Q235 表示屈服
强度为 235 MPa） 。
例
低碳钢常用于螺钉、螺母、轴；中碳钢常用于螺栓、轴、齿轮；铸铁中灰铸铁
（HT）和球墨铸铁（QT）应用广泛，如减速器金属箱体常为铸铁件。
材料选择原则
• 与载荷的大小、性质及应力状态有关
• 受拉伸的零件一般用钢材，受压缩的零件一般用铸铁
• 受冲击载荷时选择韧性好的材料
• 考虑零件的工作条件、尺寸及加工工艺（铸造毛坯用铸造材料，焊接件用焊接
工艺）
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• 经济性：加工成本和费用尽量低
注意
受拉伸用钢材、受压缩用铸铁是材料选择的基本常识，与载荷性质直接相关。
失效
• 机械零件在设计预定的时间内和规定条件下不能完成正常的功能，称为失效
定义
失效：机械零件在设计预定的时间内和规定条件下不能完成正常的功能。
例
自行车链条断裂或脱裂，在机械设计中都称为失效。
通用零件的失效形式
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