機械設(shè)計考試復(fù)習資料匯編引言機械設(shè)計是機械工程領(lǐng)域的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，它融合了力學、材料學、制造工藝學等多學科知識，旨在培養(yǎng)學生設(shè)計出滿足功能要求、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟可行的機械零部件及簡單機械系統(tǒng)的能力。本復(fù)習資料匯編旨在梳理機械設(shè)計的核心知識點，幫助考生系統(tǒng)回顧、鞏固所學，提升應(yīng)試能力與工程實踐素養(yǎng)。資料力求專業(yè)嚴謹，突出重點，注重實用，希望能為各位同學的復(fù)習之路提供有益的指引。一、機械設(shè)計基本理論與方法1.1機械設(shè)計的基本要求與一般過程機械設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求包括：功能要求、性能要求（強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、可靠性等）、安全性要求、經(jīng)濟性要求、工藝性要求、使用維護性要求以及環(huán)保與標準化要求等。機械設(shè)計的一般過程通常可分為：產(chǎn)品規(guī)劃（明確設(shè)計任務(wù)）、方案設(shè)計（原理方案構(gòu)思與選擇、機構(gòu)選型與組合）、技術(shù)設(shè)計（零部件的工作能力計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪制總裝配草圖與部件裝配草圖）、施工設(shè)計（繪制零件工作圖、編制各種技術(shù)文件）等階段。各階段相互關(guān)聯(lián)，可能存在反復(fù)迭代。1.2機械零件的主要失效形式與設(shè)計計算準則機械零件的失效是指其在工作過程中失去原定功能。常見的失效形式有：*強度失效：如斷裂、塑性變形。*剛度失效：如過量彈性變形。*耐磨性失效：如表面過度磨損。*振動穩(wěn)定性失效：如共振。*其他失效：如腐蝕、疲勞、蠕變等。設(shè)計計算準則是為防止零件失效而制定的設(shè)計依據(jù)，主要包括：*強度準則：確保零件在載荷作用下不發(fā)生斷裂或過量塑性變形。需計算應(yīng)力（正應(yīng)力、切應(yīng)力）并與許用應(yīng)力比較。許用應(yīng)力與材料性能、安全系數(shù)相關(guān)。*剛度準則：限制零件的彈性變形量在允許范圍內(nèi)。*耐磨性準則：控制摩擦副的磨損量，保證足夠的使用壽命。*振動穩(wěn)定性準則：避免發(fā)生共振或振幅過大。*可靠性準則：在規(guī)定條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。1.3材料的選擇原則機械零件材料選擇應(yīng)綜合考慮以下因素：*使用要求：承載能力（強度、剛度）、耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性、導電性、導熱性等。*工藝性要求：材料的切削加工性、鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理工藝性等。*經(jīng)濟性要求：材料成本、加工成本、使用壽命與性價比。*資源與環(huán)保要求：材料的可獲得性、回收利用性等。1.4摩擦、磨損與潤滑摩擦在機械中普遍存在，它會消耗能量、產(chǎn)生熱量、導致磨損。根據(jù)摩擦副表面的潤滑狀態(tài)，可分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦。應(yīng)盡量避免干摩擦，創(chuàng)造良好的潤滑條件以形成邊界潤滑或流體潤滑。磨損是零件表面材料逐漸喪失的現(xiàn)象，其類型主要有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等。磨損會導致零件尺寸變化、精度降低、效率下降，最終失效。潤滑的目的是減少摩擦、減輕磨損、冷卻降溫、防銹蝕、緩沖吸振等。潤滑劑主要有潤滑油和潤滑脂。潤滑方式的選擇需根據(jù)速度、載荷、溫度等工況確定。二、連接設(shè)計2.1螺紋連接螺紋連接是最常用的可拆卸連接方式。*螺紋類型：常用的有三角形螺紋（用于連接，如普通螺紋、管螺紋）、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋（后三者主要用于傳動）。普通螺紋的主要參數(shù)包括大徑（公稱直徑）、小徑、中徑、螺距、導程、牙型角等。*螺紋連接的基本類型：螺栓連接（受拉）、雙頭螺柱連接、螺釘連接、緊定螺釘連接。*螺紋連接的預(yù)緊：大多數(shù)螺紋連接在裝配時需要預(yù)緊，以增強連接的剛性、緊密性和防松能力。預(yù)緊力的控制至關(guān)重要。*螺紋連接的受力分析與強度計算：單個螺栓連接的強度計算是重點。松螺栓連接（承受工作載荷時才受力）和緊螺栓連接（預(yù)緊后承受工作載荷）的計算方法不同。緊螺栓連接在承受軸向工作載荷時，需考慮預(yù)緊力和工作載荷的綜合作用，引入螺栓的總拉力進行強度校核。*螺紋連接的防松：螺紋連接在沖擊、振動或變載荷下可能發(fā)生松動。防松的根本在于防止螺紋副相對轉(zhuǎn)動。常用防松方法有摩擦防松（如彈簧墊圈、雙螺母、自鎖螺母）、機械防松（如開口銷與槽形螺母、止動墊圈、串聯(lián)鋼絲）、永久防松（如焊接、沖點、涂膠）。2.2鍵連接與銷連接鍵連接主要用于軸與軸上零件（如齒輪、帶輪）之間的周向固定，以傳遞轉(zhuǎn)矩。*鍵的類型：平鍵（普通平鍵、導向平鍵、滑鍵）、半圓鍵、楔鍵、切向鍵。平鍵連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性好，應(yīng)用廣泛。*平鍵連接的強度校核：通常校核鍵、軸槽或輪轂槽中較弱者的擠壓強度，對于導向平鍵或滑鍵，還需校核耐磨性。銷連接主要用于定位（如定位銷），也可用于連接或安全裝置（如安全銷）。常用的有圓柱銷和圓錐銷。銷連接的強度校核與鍵連接類似。2.3鉚接、焊接、粘接（簡介）這些連接方式主要用于不可拆卸連接。鉚接具有較高的剛性和密封性，但工藝較復(fù)雜；焊接結(jié)構(gòu)輕、強度高、工藝性好，但有焊接應(yīng)力；粘接工藝簡單、重量輕、能連接不同材料，但強度和耐久性受環(huán)境影響較大。三、傳動設(shè)計3.1帶傳動帶傳動是一種撓性傳動，主要由主動輪、從動輪和傳動帶組成，依靠帶與帶輪之間的摩擦力傳遞運動和動力。*類型：平帶傳動、V帶傳動、同步帶傳動。V帶傳動由于當量摩擦系數(shù)大，能傳遞較大功率，應(yīng)用最廣。*V帶的結(jié)構(gòu)與標準：V帶為無接頭環(huán)形帶，由包布層、頂膠、抗拉體、底膠組成。其基準長度、楔角等為標準值。*帶傳動的受力分析：緊邊拉力F1、松邊拉力F2，有效拉力Fe=F1-F2。最大有效拉力與初拉力、包角、摩擦系數(shù)有關(guān)。*帶傳動的應(yīng)力分析：帶工作時承受拉應(yīng)力（由緊邊、松邊拉力產(chǎn)生）、彎曲應(yīng)力（繞在帶輪上產(chǎn)生）和離心應(yīng)力（高速時不可忽視）。最大應(yīng)力發(fā)生在帶的緊邊開始繞上小帶輪處。*帶傳動的失效形式與設(shè)計準則：主要失效形式為打滑（過載時）和帶的疲勞破壞（脫層、撕裂）。設(shè)計準則是在保證不打滑的條件下，使帶具有足夠的疲勞壽命。*帶傳動的參數(shù)選擇：小帶輪直徑（影響彎曲應(yīng)力）、傳動比、中心距、帶的根數(shù)等。3.2齒輪傳動齒輪傳動是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動方式，能傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，效率高、傳動比準確、功率范圍大。*類型：按軸的相對位置可分為平行軸齒輪傳動（圓柱齒輪，直齒、斜齒、人字齒）、相交軸齒輪傳動（錐齒輪）、交錯軸齒輪傳動（蝸桿蝸輪、交錯軸斜齒輪）。*齒廓曲線：應(yīng)保證瞬時傳動比恒定，漸開線齒廓滿足此要求，且具有可分性（中心距略有變化不影響傳動比）。*主要參數(shù)與幾何尺寸計算：以標準直齒圓柱齒輪為例，模數(shù)m、壓力角α（標準值20°）、齒數(shù)z是基本參數(shù)。分度圓直徑d=mz，齒頂圓直徑da=d+2ha*m，齒根圓直徑df=d-2(ha*m+c*m)，其中ha*為齒頂高系數(shù)，c*為頂隙系數(shù)。標準中心距a=(d1+d2)/2=m(z1+z2)/2。*正確嚙合條件：兩齒輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等。對于斜齒輪，還需法面模數(shù)和法面壓力角分別相等，且螺旋角大小相等、方向相反（外嚙合）或相同（內(nèi)嚙合）。*連續(xù)傳動條件：重合度ε>1（實際嚙合線段與基圓齒距的比值）。*受力分析：對直齒圓柱齒輪，齒面法向力Fn可分解為圓周力Ft（切向力，驅(qū)動或從動）、徑向力Fr（指向輪心）。Ft=2T/d（T為轉(zhuǎn)矩，d為分度圓直徑）。斜齒輪和錐齒輪還會產(chǎn)生軸向力Fa。*失效形式：輪齒折斷（彎曲強度不足）、齒面疲勞點蝕（接觸強度不足，閉式軟齒面常見）、齒面膠合（高速重載或低速重載，潤滑不良）、齒面磨損（開式傳動常見）、齒面塑性變形（軟齒面，過載）。*設(shè)計準則：根據(jù)失效形式確定。一般閉式齒輪傳動，軟齒面（硬度≤350HBS）以齒面接觸疲勞強度設(shè)計，校核齒根彎曲疲勞強度；硬齒面（硬度>350HBS）以齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，校核齒面接觸疲勞強度。開式齒輪傳動主要失效為磨損和輪齒折斷，通常按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，并將計算得到的模數(shù)適當增大（考慮磨損）。*齒輪材料與熱處理：常用材料為鍛鋼（如45鋼、40Cr、20CrMnTi等），鑄鐵用于低速、輕載場合。熱處理方式有正火、調(diào)質(zhì)、表面淬火、滲碳淬火、滲氮等，以獲得所需的齒面硬度和心部韌性。3.3蝸桿傳動蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，用于傳遞空間交錯軸（通常為垂直交錯）之間的運動和動力，具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點，但效率較低。*類型與特點：圓柱蝸桿傳動（阿基米德蝸桿最常見）、環(huán)面蝸桿傳動等。蝸桿通常為主動件，蝸輪從動。*主要參數(shù)：蝸桿頭數(shù)z1（一般1-4）、蝸輪齒數(shù)z2、模數(shù)m（蝸桿軸向模數(shù)等于蝸輪端面模數(shù)）、壓力角α、蝸桿直徑系數(shù)q（蝸桿分度圓直徑d1=qm）、導程角γ（與蝸輪螺旋角β相等）。*受力分析：蝸桿所受的圓周力Ft1與蝸輪所受的軸向力Fa2大小相等、方向相反；蝸桿所受的軸向力Fa1與蝸輪所受的圓周力Ft2大小相等、方向相反；徑向力Fr1與Fr2大小相等、方向相反。各力方向的判斷需結(jié)合左右手定則。*失效形式與設(shè)計準則：主要失效形式為蝸輪齒面膠合、點蝕和磨損，蝸桿軸的強度和剛度也需注意。通常按蝸輪齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，并校核蝸桿的強度和剛度，以及熱平衡計算（防止油溫過高導致潤滑失效）。3.4鏈傳動鏈傳動由主動鏈輪、從動鏈輪和鏈條組成，屬于具有中間撓性件的嚙合傳動。*特點：與帶傳動相比，能保持準確的平均傳動比，傳遞功率大，效率較高，對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強；但瞬時傳動比不恒定（多邊形效應(yīng)），傳動平穩(wěn)性差，有沖擊和噪聲。*類型：滾子鏈（應(yīng)用最廣）、套筒鏈、齒形鏈等。滾子鏈由內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、套筒、滾子組成。*主要參數(shù)：鏈節(jié)距p（核心參數(shù)，影響承載能力和尺寸）、鏈輪齒數(shù)z1、z2，中心距a，鏈節(jié)數(shù)Lp。*運動特性：由于鏈條繞在鏈輪上形成多邊形，導致瞬時速度和瞬時傳動比周期性變化，稱為多邊形效應(yīng)，這是鏈傳動振動、沖擊和噪聲的主要原因。*失效形式：鏈條疲勞破壞（主要）、鏈條鉸鏈磨損（導致鏈節(jié)距伸長，跳齒或脫鏈）、鏈條鉸鏈膠合、鏈條過載拉斷、鏈輪輪齒磨損。*設(shè)計準則：一般按功率曲線進行設(shè)計，選擇鏈的型號、節(jié)距、排數(shù)，確定鏈輪齒數(shù)、鏈節(jié)數(shù)、中心距等。四、軸系零部件設(shè)計4.1軸的設(shè)計軸是機械中的重要零件，用于支承回轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪、鏈輪），并傳遞運動和動力。*軸的分類：按承受載荷的性質(zhì)，可分為心軸（只受彎矩，如自行車前軸）、傳動軸（只受轉(zhuǎn)矩，如汽車傳動軸）、轉(zhuǎn)軸（同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩，如減速器中的齒輪軸，最常見）。*軸的材料：常用優(yōu)質(zhì)碳素鋼（如45鋼）、合金結(jié)構(gòu)鋼（如40Cr、20CrMnTi），特殊情況下采用球墨鑄鐵。*軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：軸上零件的定位與固定可靠；裝拆方便；便于加工制造；具有良好的受力狀況，應(yīng)力集中小。軸的結(jié)構(gòu)由軸頭（安裝輪轂部分）、軸頸（安裝軸承部分）、軸身（連接軸頭與軸頸部分）組成。軸肩、軸環(huán)用于軸向定位；鍵、過盈配合等用于周向固定。*軸的強度計算：*扭轉(zhuǎn)強度計算：用于初步估算軸徑或校核傳動軸強度。公式T=9550P/n，τ=T/Wp≤[τ]。*彎扭組合強度校核：對于轉(zhuǎn)軸，需繪制軸的計算簡圖，進行受力分析（水平面、垂直面彎矩），合成彎矩，繪制彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，然后對危險截面進行彎扭組合強度校核。通常采用當量彎矩法：Me=√(M2+(αT)2)，再按彎曲強度公式校核。α為折合系數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)（脈動循環(huán)取0.6，對稱循環(huán)取1，靜載荷取0）確定。*安全系數(shù)法：對于重要的軸，或承受變應(yīng)力、應(yīng)力集中嚴重的軸，需采用安全系數(shù)法進行疲勞強度校核，并校核靜強度。*軸的剛度計算：對于有剛度要求的軸（如機床主軸），需進行彎曲剛度（撓度、偏轉(zhuǎn)角）和扭轉(zhuǎn)剛度（扭轉(zhuǎn)角）的校核。4.2滾動軸承滾動軸承是標準件，由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架組成，具有摩擦阻力小、效率高、啟動靈活等優(yōu)點。*類型與代號：滾動軸承類型繁多，按滾動體形狀可分為球軸承和滾子軸承（圓柱滾子、圓錐滾子、調(diào)心滾子等）；按承載方向可分為向心軸承（主要承受徑向力）、推力軸承（主要承受軸向力）、向心推力軸承（同時承受徑向力和軸向力）。軸承代號用于表示其類型、尺寸、結(jié)構(gòu)特點和公差等級等?；敬栍深愋痛枴⒊叽缦盗写枺▽挾?高度系列代號和直徑系列代號）和內(nèi)徑代號組成。例如，6208表示深溝球軸承（6），尺寸系列02（寬度系列0，直徑系列2），內(nèi)徑40mm（08×5）。*滾動軸承的選擇：根據(jù)軸承所受載荷的大小、方向、性質(zhì)（平穩(wěn)或沖擊），轉(zhuǎn)速高低，調(diào)心性能要求，安裝空間，精度要求等因素選擇。*滾動軸承的壽命計算：滾動軸承的壽命是指其在額定動載荷作用下，90%的軸承不發(fā)生點蝕破壞的轉(zhuǎn)數(shù)或小時數(shù)?；绢~定動載荷C是指軸承壽命為10^6轉(zhuǎn)時所能承受的載荷。壽命計算公式：L10=(C/P)^ε×10^6轉(zhuǎn)，或L10h=(C/P)^ε×10^6/(60n)小時。其中P為當量動載荷，ε為壽命指數(shù)（球軸承3，滾子軸承10/3）。當量動載荷P需根據(jù)實際承受的徑向載荷Fr和軸向載荷Fa，通過計算X（