一、机械的组成

1、机器

机器的共有特征：

1. 人造的实物组合体。
2. 各部分有确定的相对运动。
3. 代替或者减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换。

机器的分为原动机和工作机。原动机实现能量的转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）；工作机完成有用功（如机床）。齿轮传动、蜗杆传动、连杆传动等是将原动机的运动和动力传递和变换到工作部分的中间环节，称为传动装置。传动装置在机器中的作用为：

1. 改变速度，调速（增速、减速）
2. 改变运动形式（旋转运动、直线运动）
3. 传递运动的同时传递动力。

2、机构

具有确定运动的运动链成为机构。机构由机架、原动件、从动件组成。机架是作为参考系的构件，如机床机身、车辆底盘、飞机机身；原（主）动件事指按给定运动规律运动的构件；从动件是指其余可动构件。机架只有一个，原动件可以有一个或者几个，从动件有若干个。

任何复杂的机器都是由若干组机构按照一定规律组合而成的，机器与机构在结构和运动方面并无区别，故统称为机械。

机构的共有特征：

1. 人造的实物组合体。
2. 各部分有确定的相对运动。
3. 用来传递力或实现运动的转换。

机构分为通用机构和专用机构。通用机构用途广泛，例如齿轮机构和连杆机构；专用机构只能用于特定场合，例如钟表的擒纵机构。

3、构件和零件

构件是独立的运动单元，是组成机构的最小运动单元。零件是独立的制造单元，机械制造中不可拆的最小制造单元体。二者根本区别在于，构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。

零件按照作用分为通用零件和专用零件。通用零件是在各种机器中经常使用的零件；专用零件是在一定特定类型的机器中使用的零件。

二、机械运动简图及平面机构自由度

1、运动副和运动链

运动副是指两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。运动副元素为直接接触的部分（点：滚子和凸轮，线：齿轮轮廓，面：活塞与缸套）

运动副按照引入的约束数有：I级副-V级副；按照相对运动范围分为平面运动副和空间运动副；按照运动副元素分为高副（点、线接触，应力高）和低副（面接触，应力低）。

运动链是指两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。

2、机械运动简图

机构运动简图是用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。用来表示机构的结构和运动情况，作为运动分析和动力分析的依据。下图为运动简图中的常用符号：

机构运动简图应该满足：

1. 构件数目与实际相同。
2. 运动副的性质、数目与实际相符。

绘制机构运动简图时，先定运动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清楚传递路线，确定构件数目及运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。具体步骤为：

1. 运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目。
2. 测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。
3. 按照比例绘制运动简图。（注意比例尺，为实际尺寸/图上长度）。
4. 检验机构是否满足运动确定的条件。

3、平面机构的自由度

(1) 简单平面机构自由度计算

平面机构的自由度是作平面运动的构件相对于定参考系具有的独立运动数目。约束是对构件的运动起限制作用的物体。

当机构的原动件个数等于机构的自由度数目时，平面机构具有确定运动；当机构的原动件个数小于机构的自由度数目时，平面机构无确定运动，首先沿阻力最小的方向运动；当机构的原动件个数大于机构的自由度数目时，导致机构中最薄弱的构件或运动副损坏。

作平面运动的刚体在共建的位置需要三个独立参数，如此才能唯一确定，故单个自由构件的自由度为，经运动副相联后，构件的自由度会有变化，总之运动副的约束数与自由度数之和为。推广到一般情况，若活动构件数为，则构件总自由度为，低副约束数为（为低副个数），高副约束数为（为高副个数），计算公式为：

即为平面机构的自由度。

(2) 复合铰链自由度计算

复合连杆是指两个以上的构件在同一处以转动副链接，若存在个构件，则该处存在个低副，下面作图为三根杆件连在同一个铰链，右图为其实际构件连接情况。

下面是复合铰链的常见情况：

(3) 局部自由度

机构局部运动产生的自由度是局部自由度，常常出现在加装滚子的场合，计算时应当去掉，设局部自由度的符号表示为，则公式变为：

滚子的加入使得滑动摩擦变成了滚动摩擦，从而提高效率，减小损耗。

(4) 虚约束

对机构的运动实际不起作用的约束叫做虚约束，该约束对机构的自由度影响与其他约束重复，在计算自由度的时候要去掉虚约束。

出现虚约束的场合有：

1. 两构件联接前后，联接点的轨迹重合，例如：平行四边形结构（火车轮）、椭圆仪。

   

2. 两构件构成多个移动副，且导路并行。

3. 两构件构成多个转动副，且同轴。

4. 运动时，两构件上两点距离始终不变。

5. 对运动不起作用的对称部分，例如：行星轮。

6. 两构件构成高副，两处接触，且法线重合，例如：等宽凸轮。但是法线不重合时，变成实际约束。

各种出现虚约束的场合都是有条件的，虚约束存在两个作用：

1. 改善构件的受力情况，例如多个行星轮。
2. 增加构件的刚度，如轴与轴承、机床导轨。
3. 使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。

例1：计算图示大筛机构的自由度：

解1：图中将看做一体（避免局部约束），共有9个低副（的约束重复），1个高副，代入公式：

自由度为，原动件可以是，原动件数目和机构的自由度相同，因而机构具有确定的运动。

例2：计算图示包装送纸机构的自由度：

解1：活动构件数有个，存在两个滚子，去掉其局部自由度，还存在一处（9处）虚约束，即去掉局部自由度和虚约束后共有个构件，在处存在复合铰链，有个低副，合起来一共个低副，还有三处高副，代入公式，得到：

4、改进设计不合理机构

当机构的自由度为时，为使机构具有确定的运动，可以根据自由度的计算公式入手，采取如下方法：

1. 增加一个构件和一个低副。
2. 把一个低副改为一个高副。

当机构自由度为时，为使机构具有确定的运动，采取一下方法：

1. 增加一个原动件。
2. 增加一个构件和两个低副。

三、机械零件设计概论

1、机械零件设计概论

机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。

机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。

工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。

零件的失效形式：断裂或塑性变形；过大的弹性变形工作表面的过度磨损或损伤、发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。

失效原因：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件，总体来说是计算量小于许用量，这也是工作能力计算准则。对于具体的条件，满足：

1. 强度条件：塑性变形甚至断裂（强度：）
2. 刚度条件：弹性变形过大（刚度：）
3. 耐磨性：表面磨损或胶合或打滑（）
4. 振动稳定性：高速运转机械，强烈振动（）
5. 耐热性：热平衡计算，温升过高（）

机械零件设计的步骤：

1. 拟定零件的计算简图。
2. 确定作用在零件上的载荷。
3. 选择合适的材料。
4. 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状、尺寸。
5. 绘制工作图并标注必要的技术条件。

2、机械零件的强度

名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷。

名义应力：按名义载荷计算所得之应力。

载荷系数：考虑各种附加载荷因素的影响。

计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积。

计算应力：按计算载荷计算所得之应力：、

强度：是机件抵抗断裂、过大的塑性变形或表面疲劳破坏的能力

强度判定条件： ，，其中 、为许用应力。

设安全系数为，极限应力为、 ，两者由实验方法测定。满足：

更多应力相关内容，参考：材料力学

静应力下，零件材料的破坏形式为断裂或塑性变形。变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。

疲劳断裂具有以下特征：

1. 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低。
2. 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂。
3. 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。

安全系数高，会导致零件尺寸大，结构笨重，但是安全系数低，可能会不安全，所以要满足安全系数的总原则：

1. 保证机件具有足够的强度。
2. 尽量节省材料。

安全系数存在计算公式：

为考虑计算载荷及应力准确性的系数，为考虑机件重要程度的系数，为考虑机件材料性质和制造工艺的系数。

3、机械零件的刚度

刚度为机件受载时抵抗弹性变形的能力，表示方法为产生单位变形所需的外力或外力矩。判断准则为，。

提高刚度的有效措施为：

1. 改进机件的结构。
2. 增加辅助支撑或肋板。
3. 减少支点间的距离。
4. 增大断面尺寸。

4、机械零件的耐磨性

运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。

磨损会导致：间隙、精度、效率、振动、冲击、噪音

磨损的主要类型：

1. 磨粒磨损：加强防护与密封、润滑油过滤、提高硬度
2. 粘着磨损（胶合磨损）：负载过大、油膜破坏、直接接触、温升过高、焊合
3. 疲劳磨损
4. 腐蚀磨损

实用耐磨计算是限制运动副的压强,即：

相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量。在摩擦系数一定的情况下，可将值与许用的值进行比较。即：

5、机械制造常用材料

(1) 金属材料

常用金属材料有：铸铁（含碳量大于）、钢（含碳量小于等于）、铜合金。

对于铁碳合金，零件毛坯的获取方法一般有锻造、冲压、焊接、铸造等。

铜合金包括青铜（分为含锡青铜和不含锡青铜）、黄铜（铜锌合金）、轴承合金（巴氏合金）。对于铜合金，零件毛坯获取方法为碾压、铸造。

(2) 非金属材料

常用非金属材料有：橡胶、塑料、皮革、模板、纸板、棉、丝。

6、机械中的摩擦、磨损、润滑和密封

(1) 摩擦

1. 干摩擦：两零件表面直接接触。一般情况下不允许出现干摩擦。
2. 边界摩擦：运动副表面有一层厚度小于的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。
3. 液体摩擦：有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。
4. 混合摩擦：处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。边界摩擦和混合摩擦在实际情况中难以区分，通常成为不完全液体摩擦。

(2) 磨损

磨损过程分为：磨合阶段（包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程）、稳定磨损阶段（零件在平稳而缓慢的速度下磨损）、剧烈磨损阶段（零件表面遭到破坏。即将进入报废阶段）

(3) 润滑

润滑剂有以下种类：

1. 气体润滑剂：空气
2. 液体润滑剂：润滑油
3. 半固体润滑剂：润滑膏
4. 固体润滑剂：石墨

润滑油的种类有有机油（动植物油）、矿物油、化学合成油。其重要指标为粘度，分为动力粘度、运动粘度和条件粘度。润滑油的特性有粘度（温相关性）、润滑性、极压性、闪点、凝点、氧化稳定性。

润滑脂的种类有钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂。

固体润滑剂的种类有石墨、聚氟乙烯树脂、二硫化钼。

(4) 密封

密封按照运动形式分类为动密封、静密封；按照所密封介质分为油封、气封、水封；按照密封位置分为轴向密封、断面密封。

7、公差与配合、表面粗糙度

(1) 公差与配合

互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满足预期技术与使用要求的特性。

基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸，为确定值

实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸，由于测量有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言，总是有误差。

最大（小）极限尺寸：零件满足互换性要求的最大（小）允许尺寸。

尺寸误差 ： 实际尺寸与理论设计尺寸之差；

上偏差 ： 最大极限尺寸与基本尺寸之差； 符号：ES, es

下偏差 ： 最小极限尺寸与基本尺寸之差； 符号：EI, ei

尺寸公差： 最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即允许的尺寸变动量。

公差： =ES-EI=es-ei

零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线。

公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域。

基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。

配合类型包括间隙配合、过渡配合、过盈配合。配合基准制包括基孔制配合和基轴制配合。

(2) 表面粗糙度

零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度，为加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数为轮廓算数平均偏差，在去向长度为内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算数平均值。

8、机械零件的工艺性及标准化

(1) 工艺性的基本要求

1. 毛坯选择合理
2. 结构简单合理
3. 合理的制造精度和表面粗糙度
4. 尽量减小零件的加工量

(2) 标准化的内容

1. 产品品种规格的系列化
2. 零部件的通用化
3. 产品质量标准化

(3) 标准化的意义

1. 制造上可以实现专业化大批量生产既可以提高产品质量，又能降低成本。
2. 设计方面可减少设计工作量。
3. 管理维修方面可以减少库存量，便于更换损坏的零件。

9、机械设计的基本要求和一般过程

1. 确定机械的工作原理，选择合宜的机构。
2. 拟定设计方案。
3. 进行运动分析和动力分析。
4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。