初中物理功和机械能典型题

简单机械、功和能综合练习

综合练习

例1：在图1中画出力F1、F2对支点O的力臂，并分别用字母L1、L2表示。

分析和解：画力臂的步骤如下：

（1）在杠杆的示意图上确定支点。将力的作用线用虚线延长。如图2所示。得到动力作用线和阻力作用线。

（2）再从支点O向力的作用线做垂线，画出垂足。则支点列垂足的距离就是力臂。

力臂用虚线表示，支点到垂足用大括号勾出，并用字母L1、L2分别表示动力臂和阻力臂。

注意：

（1）力臂是从支点到力的作用线的垂直距离。不要错误地理解为从支点到力的作用点的距离。

（2）画力臂，要规范。力的延长线、力臂要用虚线表示，力臂要用大括号括出，且在力臂旁边用字母L表示出来。

例2：如图3所示，在距杠杆右端20厘米的B处挂有600牛的重物。要使杠杆平衡，需要在距B处60厘米的A处至少加 牛的力，且方向为 。

分析和解：运用杠杆的平衡条件解题注意：

（1）在杠杆的示意图上标明支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂。

（2）再根据杠杆平衡条件列出方程，代入数据，求出结果。

挂在B处的重物，对杠杆的力为阻力用F2表示，阻力臂l2 = 20厘米，作用在A点的力用F1表示，当竖直向上用力时，所用动力F1最小，此时，动力臂为l1 = 20厘米 + 60厘米 = 80厘米，如图4所示。利用杠杆平衡条件，求解。

应在A处加150牛的力。

判断力的方向的方法：作用在B点的F2×l2的作用效果是使杠杆绕支点沿顺时针的方向转动。要使杠杆平衡，作用在A点的F1×l1的作用效果应使杠杆沿逆时针方向转动，因而动力F1的方向应是竖直向上。

说明：

（1）杠杆平衡条件的另一种表达方式为：

即动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。

所以×600牛 = 150牛

（2）使用杠杆平衡条件解题时，等号两边力臂的单位可约去，所以只要动力臂和阻力臂单位相同就可以了。

例3：如图5所示，O为杠杆的支点，杠杆的重物G和力F1的作用下处于水平位置并且平衡。如果用力F2代替力F1使杠杆在图中位置保持平衡，下面关系中正确的是

A． B．

C． D．

分析和解：杠杆在重物和力F1作用下处于平衡。设杠杆平衡时，物体用在杠杆上的力为F，其力臂为l，作用力F1的力臂为l1，则Fl = F1l1。

当力F1改为F2时，F2的力臂为l2，如图6所示，，杠杆仍然平衡，，所以，从图中也可看出，所以，即。

分析结果，本题的正确答案，应选A、D。

例4：一学生用100牛的力将重为50牛的足球沿水平方向踢出20米远，则该学生对球做的功是：

A．3000焦 B．1000焦 C．2000焦 D．无法确定

分析与解：在物理学中，做功是指两个因素同时存在的物理过程。这两个因素是，物体受到力的作用和物体沿力的方向通过了一段距离。我们把它们叫做做功的两个必要因素。

本题最容易出的错误是选择C，认为W = FS = 100牛×20米 = 2000焦。错误原因在于没有从根本上理解做功两必要因素同时存在。

足球从被踢到落地停止，经历了两个过程。第一个过程从学生的脚与球接触开始到脚离开球为止。在这一过程中，球受到学生的踢力，足球并在此力方向上移动，但移动的距离是不知道的，不是20米，因此这一过程中，学生对球做了功，W = FS = 100牛×S，此功大小不能确定。第二个过程是球由于惯性而运动，在这一过程中，球虽然移动一段距离，但球不受学生踢力，因此，在此过程中，学生不对球做功。所以，学生将球踢出20米远，而对球做功是不能确定的。

因此选项D是正确的。

例5：如图7所示，在水平拉力F的作用下，物体A以01米 / 秒的速度沿水平面匀速运动了5秒钟，已知物体A重100牛，物体A所受摩擦力，当物重的02倍，不计滑轮重及滑轮的摩擦，拉力F的功率是 瓦。

分析与解：物体A与水平面摩擦力f = 02G = 02×100牛 = 20牛，物体A在F作用下匀速运动，则F = = 10牛，物体A移动的距离为SA = vAt = 01米 / 秒×5秒 = 05米，则自由端移动的S = 2SA = 1米，拉力的功W = F·S = 10牛×1米 = 10焦，拉力功率= 2瓦。

还可以先求出绳子自由端的速度，v = 02米 / 秒，再根据P = Fv，求出功率的大小。P = F·v = 10牛×02米 / 秒 = 2瓦。

例6：用图8所示的滑轮组，将重为600牛的物体匀速上拉2米，所用拉力为200牛。求滑轮组的机械效率。

分析与解：通过审题，应分析出物重G = 600牛，重物被提高h = 2米，拉力F = 200牛。

通过审图，应能分析出有5段绳子承担动滑轮和物体的重力。所以绳子的自由端移动的距离S = 5h = 5×2米 = 10米。

滑轮组的目的是提升重物，所以提升重物所做的功就是有用功，拉力对滑轮组所做的功为总功，进而可以求出机械效率。计算过程如下：

W有用= Gh = 600牛×2米 = 1200焦

=200牛×10米=2000焦

答：滑轮组的机械效率为60%

说明：在简单机械中，动力作用点移动的距离S与物体移动距离h的关系是由机械自身结构决定的，在滑轮组中，有n段绳子承担午重物，则S = nh。它跟物体受到的重力、动力的大小以及机械效率的高低无关。

例7：下面哪种情况动能、重力势能都是增加的：

A．跳伞员张开伞后，匀速下降

B．汽车沿斜坡匀速向下行驶

C．电梯从楼下加速上升

D．列车在平直轨道上匀速行驶

分析与解：动能和势能统称为机械能。动能的大小决定于它的质量和速度，重力势能的大小决定于它的质量和高度。

A选项中，跳伞员张开伞匀速下降的过程中，它的质量不变，高度减小，所以他的重力势能减小。而下降过程中速度没有变化，所以他的动能不变。

B选项中，汽车匀速下坡，也是势能减少，而动能不变。

C选项中，电梯上升，质量不变，而高度变大。电梯重力势能增加，加速上升时，质量不变，而速度变大，则动能增加，动能、势能都变大。

D选项中，列车在平直轨道上匀速行驶。列车的质量、高度，速度都没有变化，既动能、重力势能都没有变化。

本题的正确答案，应选C

说明：（1）物体匀速下降时，它的势能减少，有的同学就认为势能转化为动能，动能就一定增加。这种分析是错误的。当物体匀速下降时，它一定受到了摩擦力， 这时一部分机械能转化为物体的内能，机械能减少。

（2）在研究动能或热能大小时，要注意它们各自是由两个因素决定的。

例8：铜块和铁块的质量不相等，将它们分别放在轻质杠杆的两端，杠杆保持水平平衡状态。若将它们分别浸没在水中，见图9所示，结果是：

A．杠杆仍能保持平衡

B．杠杆不能保持平衡，挂铜块的一端下降

C．杠杆不能保持平衡，挂铁块的一端下降

D．条件不足，无法判断

分析：设杠杆的右端受到动力FB，左端受到阻力FA，则图9中分别为动力臂和阻力臂，在没入水中之前如（甲）图，即。

将铜块、铁块浸没在水中，杠杆能否平衡，要看它是否符合杠杆平衡条件。在这种情况下，杠杆受到动力，则，同理，杠杆受到的阻力。

当铜块、铁块未浸入水中水，杠杆处于平衡状态。根据杠杆平衡条件，，因此只要比较的大小即可，具体的解法如下：

当铁块、铜块浸没在水中时，

由此得出铜块、铁块浸没在水中，杠杆不再平衡，并且挂铜块一端下降，B是正确答案。

综合练习

1．如图10所示，要使杠杆平衡，在A点所用的力分别为，其中用力最小的是

A．沿竖直方向的力F1最小

B．沿垂直于杠杆OA方向的力F2最小

C．沿水平方向力F3最小

D．无论什么方向，用力一样大

2．如图11所示的杠杆处于平衡，若使弹簧秤的示数变为原来的1/2，杠杆仍然平衡，可以：

A．减少二个钩码

B．减少三个钩码

C．把钩码向左移一个小格

D．把勾码向右移一个小格

3．水平路面上有一个小车，车重200牛，人用50牛的水平力，在推小车匀速前进5米的过程中，下列判断正确的是：

A．重力不做功

B．人做功250焦

C．车受到的阻力是250牛

D．车受到的阻力是50牛

4．用动滑轮提升一个重物，若用的力是100牛，重物在05秒内匀速上升06米，不计滑轮重，则拉力做功的功率为：

A．300瓦 B．240瓦 C．120瓦 D．100瓦

5．有甲、乙两台机器，甲机器的机械效率是80%，乙机器的机械效率是60%，那么下列说法正确的是：

A．甲机器一定比乙机器省力

B．甲机器的功率一定比乙机器的功率大

C．甲机器工作时的有用功一定比乙机器多

D．以上说法均不正确

6．自行车沿斜坡匀速下滑的过程中，它具有的：

A．重力势能减少，动能增加

B．动能不变，重力势能减少

C．动能不变，机械能减少

D．重力热能减少，机械能减少

7．1米长的杠杆左端挂GA = 80牛的物体，右端挂GB = 20牛的物体，要使杠杆平衡，支点应在距左端 厘米处，如果两端重物各增重10牛，要使杠杆重新平衡，则支点应向 端移动 厘米。

8．功率相同的两辆汽车，在相等的时间内匀速通过的路程之比为1∶ 2 ，则两辆汽车的牵引力之比为 ，两辆汽车做功之比为 。

9．马用300牛的水平拉力，拉着重为5000牛的车，在2分钟内沿水平路面前进了100米，则拉力做功 焦耳，地面对车的支持力做功 焦耳，马拉车的功率是 瓦。

10．某工人用一个动滑轮将重500牛的物体沿竖直方向匀速提升了3米，拉力做功的功率为50瓦，若不计摩擦和动滑轮重，则绳子自由端移动的速度是 米 / 秒。

11．在相同的时间内，用同一滑轮组可以分别把质量不同的物件匀速地提升相同的高度，若在提升过程中的额外相等，则：

A．绳子自由端移动的距离相等

B．所用的总功相等

C．滑轮组的功率相等

D．滑轮组的机械效率相等

12．杠杆两端各挂有重力不相等的实心铁块GA、GB，如图12所示，且GA > GB，此时杠杆恰好平衡。如果把GA、GB都浸没在水中，则杠杆将：

A．失去平衡，杠杆左端下沉

B．失去平衡，杠杆右端下沉

C．保持平衡状态

D．条件不足，无法判断

13．如图13所示OA∶OB = 1∶2，用细绳把金属块悬挂于A点，用弹簧秤施加一个竖直向上的力，当OB杠杆水平静止时，弹簧秤读数为18牛，当向容器中加水，金属块浸没于水中后，弹簧秤读数为113牛，（g = 10牛 / 千克，保留1位小数）

求：（1）金属块的质量多大？

（2）金属块的密度多大？

答 案

1．B 2．A、D 3．A、B、D 4．B 5．D

6．B、D 7．20，右，5 8．2∶ 1, 1∶ 1

9．3×104，0，250 10．02

11．A 12．C

分析和解：A、B浸没水中之前，杠杆水平平衡，杠杆左端受力FA，右端受力为FB，杠杆平衡，因为，所以，代入公式展开，所以。

A、B同时浸没水中，杠杆左端受的力，右端受力，则左端

右端

因为相同

所以

本题的正确答案，应选C。

13．（1）m = 054千克

（2）27×103千克 / 米3

书名：机械创新设计

书号：9787302242048

作者：张有忱

定价：25元

出版日期：2011-1-1

出版社：清华大学出版社 本书共分为9章。第1章为绪论，介绍了创造、创新和设计的基本概念，创新教育与创新人才的培养，机械创新设计与社会发展的关系。第2章为创新思维与技法，主要以创造学的理论为依据，结合实际问题分析了创新思维的特点与创新思维的过程，并分析介绍了几种常用创新的技法。第3章为机械系统方案与创新设计，重点论述了技术冲突解决原理（TRIZ理论）、建立原理解法目录、资源的分析与利用等系统方案创新的基本方法，以及构型的综合问题。第4、5、6章为机构的各种创新方法，分别就机构的变异与演化、机构的组合、机构的再生等创新设计技法进行分析与论述。第7章为机械结构设计与创新，介绍了在机械结构设计过程中，要充分考虑的基本要求，并分别从机械结构的功能，结构元素的变换，模块拼接与结构复用，以及材料、加工、装配、输送等方面，讨论了机械结构创新的要求与实现途径。第8章为反求设计与创新，介绍了反求设计的基本概念、反求设计的内容与基本过程，并对几个典型案例进行了反求设计分析。第9章为创新实例与分析，以全国大学生机械创新大赛的参赛作品为例，分析了创新基本理论在作品中的实际应用。各章后附有习题，可供读者练习。

本书可作为高等学校教材，也可供有关教师及工程技术人员或科研人员参考。 第1章绪论

11创新设计概述

111创造、创新与设计

112创新设计

113创新的风险

12创新人才的培养

121人才培养与创新教育

122创新人才的特点

123创新人才的培养

13机械创新设计与社会发展的关系

习题

第2章创新思维与技法

21创新思维

211思维及类型

212创新思维的特点

213创新思维的过程

214创新思维的方式

22创新技法

221观察法

222类比法

223移植法

224组合法

225换元法

226还原法

227穷举法

228集智法

229设问探求法

2210逆向转换法

习题

第3章机械系统方案与创新设计

31概述

311机械系统的基本概念

312机械系统设计的主要过程

313机械系统方案设计

32功能综合

321功能分析

322功能分类

323功能分解

33原理综合

331技术冲突解决原理（TRIZ理论）

332建立原理解法目录

333资源的分析与利用

34构型综合

341机构构型

342机构选型

343构型综合的注意问题

习题

目录

第4章机构变异与创新设计

41机构的倒置

411平面连杆机构

412凸轮机构

413其他传动机构

42运动副的变异与演化

421运动副元素尺寸的变异

422运动副元素形状的变异

43构件的变异与演化

431构件形状的变异

432构件的合并与拆分

44机构的扩展

441引入虚约束

442变换运动副

443增加辅助机构

45机构的等效代换

451利用运动副的替代原理进行等效代换

452利用瞬心线构造等效机构

453周转轮系的等效代换

454机构功能的等效代换

46运动原理的移植

461差动原理的移植

462谐波传动的移植

习题

第5章机构组合与创新设计

51串联式组合

511组合的基本方法

512实例分析

52并联式组合

521组合的基本方法

522实例分析

53封闭式组合

531组合的基本方法

532实例分析

54装载式组合

541单联式装载组合

542双联式装载组合

习题

第6章机构再生与创新设计

61一般化运动链

611一般化原则

612实例分析

62杆型类配

621问题的提出

622杆型类配

63运动链组合

631图的概念

632图的组合

633运动链的组合

64机构再生设计

641飞机起落架的再生设计

642缝纫机送布机构的再生设计

习题

第7章机械结构设计与创新

71机械结构设计的基本要求

72实现零件功能的结构设计与创新

721功能分解

722功能组合

723功能移植

73结构元素的变异与演化

731改锥结构元素的变异

732轴榖连接的结构元素变异与演化

733离合器的结构元素变异与演化

734棘轮传动的结构元素变异

735各种槽销结构元素的变异

736新型联轴器的结构特点

737导轨的结构形式及其特点

738改善工作性能的结构变异

74适应材料性能的结构设计与创新

741扬长避短

742性能互补

743结构形状变异

75方便制造与操作的结构设计与创新

751加工工艺的结构构型

752装配输送的结构构型

753简单结构

754宜人结构

76用模块拼接与结构复用进行结构的创新

761模块拼接

762结构复用

习题

第8章反求设计与创新

81概述

811反求问题的提出

812反求设计的含义

813反求设计的研究对象

82反求设计的内容与过程

821反求设计的主要内容

822反求设计的主要过程

83反求实例分析

831原理方案的反求实例

832机构构型的反求实例

833精度反求实例

834图像资料的反求设计实例

835计算机辅助反求设计实例

836材料反求实例

习题

第9章创新实例与分析

91创新思路的分析

92创新实例

921多功能齿动平口钳

922机械式停水自闭水龙头

923防倾翻轮椅

924省力变速双向驱动残疾人车用驱动装置

925自由轮椅

926饮料瓶捡拾器

927地震应急床

928新型大力钳

习题

参考文献

机械系统的具体组成：

1、动力系统：包括动力机及其配套装置．是机械系统工作的动力源。如内燃机、汽轮机、水轮机等动力机；有把二次能源(如电能、液能、气能)转变为机械能的机械。

2、传动系统：是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。

3、执行系统：包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置。或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置。

4、操纵控制系统：是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确、可靠地完成整机功能的装置。

扩展资料：

发展趋势

1、智能化：是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机械建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。

在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。

2、模块化：是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。

如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。

3、微型化：指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

-机械系统

机器人目前是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、驱动器和输入/输出系统接口等五部分组成。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。

1机械本体

机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部(末端执行器)、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向(姿势)。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。

2控制系统

控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统之分;从控制方式看有程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统之分。

3驱动器

驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。

4传感器

传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如位置传感器、速度传感器等。外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型

前者用于识别物体和检测物体与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。

5 输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。

512机械结构设计特点

　机械结构设计的主要特点有：（1）它是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着举足轻重的作用。（2）机械结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。（3）机械结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求

52机械结构件的结构要素和设计方法

521结构件的几何要素

机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触，把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。

零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。

522结构件之间的联接

在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能和其它特征外，还必须研究零件之间的相互关系。　

零件的相关分为直接相关和间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的，成为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类。位置相关是指两零件在相互位置上有要求，如减速器中两相邻的传动轴，其中心距必须保证一定的精度，两轴线必须平行，以Vこ萋值恼D龊稀T硕喙厥侵敢涣慵脑硕旒S肓硪涣慵泄兀绯荡驳都艿脑硕旒1匦肫叫杏谟谥髦岬闹行南撸馐强看采淼脊旌椭髦嶂嵯呦嗥叫欣幢Vさ模裕髦嵊氲脊熘湮恢孟喙兀欢都苡胫髦嶂湮硕喙亍BR>

　 多数零件都有两个或更多的直接相关零件，故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它零件有关。在进行结构设计时，两零件直接相关部位必须同时考虑，以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件，如进行尺寸链和精度计算等。一般来说，若某零件直接相关零件愈多，其结构就愈复杂；零件的间接相关零件愈多，其精度要求愈高。例如，轴毂联接见图51。

523结构设计据结构件的材料及热处理不同应注意的问题

　机械设计中可以选择的材料众多，不同的材料具有不同的性质，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。

　设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

　如：钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力，图示52为两种铸铁支架比较。钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度，但是铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加筋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度。塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构的翘曲，所以塑料结构的筋板与壁厚相近并均匀对称。

　对于需要热处理加工的零件，在进行结构设计时的要求有如下几点：（1）零件的几何形状应力求简单、对称，理想的形状为球形。（2）具有不等截面的零件，其大小截面的变化必须平缓，避免突变。如果相邻部分的变化过大，大小截面冷却不均，必然形成内应力。（3）避免锐边尖角结构，为了防止锐边尖角处熔化或过热，一般在槽或孔的边缘上切出2～3mm的倒角。（4）避免厚薄悬殊的截面，厚薄悬殊的截面在淬火冷却时易变形，开裂的倾向较大。

531机械结构设计的基本要求

　 机械产品应用于各行各业，结构设计的内容和要求也是千差万别，但都有相同的共性部分。下面就机械结构设计的三个不同层次来说明对结构设计的要求。

1功能设计 满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。

2．质量设计 兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的竞争力。那种只满足主要技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种要求，提高产品的质量，是现代机械设计的关键所在。与考虑工作原理相比，兼顾各种要求似乎只是设计细节上的问题，然而细节的总和是质量，产品质量问题不仅是工艺和材料的问题，提高质量应始于设计。

3．优化设计和创新设计 用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。

对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋激烈，需求向个性化方向发展。因此，优化设计和创新设计在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是未来技术产品开发的竞争焦点。

结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不很难。机械设计的任务是在众多的可行性方案中寻求较好的或是最好的方案。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上。而更具有潜力、更有成效的结构优化设计应建立在由工艺、材料、联接方式、形状、顺序、方位、数量、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空间的基础上。532机械结构基本设计准则

机械设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。因此，机械结构设计是一项综合性的技术工作。由于结构设计的错误或不合理，可能造成零部件不应有的失效，使机器达不到设计精度的要求，给装配和维修带来极大的不方便。机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。

1实现预期功能的设计准则

2满足强度要求的设计准则

3满足刚度结构的设计准则

4考虑加工工艺的设计准则

5考虑装配的设计准则

6考虑造型设计的准则

532机械结构基本设计准则

1 实现预期功能的设计准则

　产品的设计主要目的是为了实现预定的功能要求，因此实现预期功能的设计准则是结构设计首先考虑的问题。要满足功能要求，必须做到以下几点。

(1)明确功能: 结构设计是要根据其在机器中的功能和与其他零部件相互的连接关系，确定参数尺寸和结构形状。零部件主要的功能有承受载荷、传递运动和动力，以及保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹等。设计的结构应能满足从机器整体考虑对它的功能要求。

(2)功能合理的分配：产品设计时，根据具体情况，通常有必要将任务进行合理的分配，即将一个功能分解为多个分功能。每个分功能都要有确定的结构承担，各部分结构之间应具有合理、协调的联系，以达到总功能的实现。多结构零件承担同一功能可以减轻零件负担，延长使用寿命。V型带截面的结构是任务合理分配的一个例子。纤维绳用来承受拉力；橡胶填充层承受带弯曲时的拉伸和压缩；包布层与带轮轮槽作用，产生传动所需的摩擦力。例如，若只靠螺栓预紧产生的摩擦力来承受横向载荷时，会使螺栓的尺寸过大，可增加抗剪元件，如销、套筒和键等，以分担横向载荷来解决这一问题。

(3)功能集中：为了简化机械产品的结构，降低加工成本，便于安装，在某些情况下，可由一个零件或部件承担多个功能。功能集中会使零件的形状更加复杂，但要有度，否则反而影响加工工艺、增加加工成本，设计时应根据具体情况而定。

532机械结构基本设计准则

2满足强度要求的设计准则

(1) 等强度准则

零件截面尺寸的变化应与其内应力变化相适应，使各截面的强度相等。按等强度原理设计的结构，材料可以得到充分的利用，从而减轻了重量、降低成本。如悬臂支架、阶梯轴的设计等。见图53。

图53

(2) 合理力流结构

为了直观地表示力在机械构件中怎样传递的状态，将力看作犹如水在构件中流动，这些力线汇成力流。表示这个力的流动在结构设计考察中起着重要的作用。

　力流在构件中不会中断，任何一条力线都不会突然消失，必然是从一处传入，从另一处传出。力流的另一个特性是它倾向于沿最短的路线传递，从而在最短路线附近力流密集，形成高应力区。其它部位力流稀疏，甚至没有力流通过，从应力角度上讲，材料未能充分利用。因此，若为了提高构件的刚度，应该尽可能按力流最短路线来设计零件的形状，减少承载区域，从而累积变形越小，提高了整个构件的刚度，使材料得到充分利用。

　如悬臂布置的小锥齿轮，锥齿轮应尽量靠近轴承以减小悬臂长度，提高轴的弯曲强度。图54例举几个典型的实例。

(3) 减小应力集中结构

　当力流方向急剧转折时，力流在转折处会过于密集，从而引起应力集中，设计中应在结构上采取措施，使力流转向平缓。应力集中是影响零件疲劳强度的重要因素。结构设计时，应尽量避免或减小应力集中。其方法在相应的章节会作介绍，如增大过度圆角、采用卸载结构等。如图55。

(4) 使载荷平衡结构

　在机器工作时，常产生一些无用的力，如惯性力、斜齿轮轴向力等，这些力不但增加了轴和轴衬等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓载荷平衡就是指采取结构措施部分或全部平衡无用力，以减轻或消除其不良的影响。这些结构措施主要采用平衡元件、对称布置等。

　例如，同一轴上的两个斜齿圆柱齿轮所产生的轴向力，可通过合理选择轮齿的旋向及螺旋角的大小使轴向力相互抵消，使轴承负载减小。如图56。

532机械结构基本设计准则

3满足结构刚度的设计准则

为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度。

532机械结构基本设计准则

4考虑加工工艺的设计准则

机械零部件结构设计的主要目的是：保证功能的实现，使产品达到要求的性能。但是，结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不可低估的影响。因此，在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性

所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一种加工方法都有可能不能制造某些结构的零部件，或生产成本很高，或质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法的特点非常重要，以便在设计结构时尽可能的扬长避短。实际中，零部件结构工艺性受到诸多因素的制约，如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用。因此，结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响。

532机械结构基本设计准则

5考虑装配的设计准则

　装配是产品制造过程中的重要工序，零部件的结构对装配的质量、成本有直接的影响。有关装配的结构设计准则简述如下

（1） 合理划分装配单元

　整机应能分解成若干可单独装配的单元（部件或组件），以实现平行且专业化的装配作业，缩短装配周期，并且便于逐级技术检验和维修。

（2）使零部件得到正确安装

　-保证零件准确的定位。图57所示的两法兰盘用普通螺栓连接。图（a）所示的结构无径向定位基准，装配时不能保证两孔的同轴度；图（b）以相配的圆柱面作为定位基准，结构合理。

　-避免双重配合。图58(a)中的零件A有两个端面与零件B配合，由于制造误差，不能保证零件A的正确位置。图58（b）结构合理。

　-防止装配错误。图59所示轴承座用两个销钉定位。图（a）中两销钉反向布置，到螺栓的距离相等，装配时很可能将支座旋转180°安装，导致座孔中心线与轴的中心线位置偏差增大。因此，应将两定位销布置在同一侧，或使两定位销到螺栓的距离不等

图59

（2） 使零部件便于装配和拆卸

　结构设计中，应保证有足够的装配空间，如扳手空间；避免过长配合以免增加装配难度，使配合面擦伤，如有些阶梯轴的设计；为便于拆卸零件，应给出安放拆卸工具的位置，如轴承的拆卸。如图5-10。

532机械结构基本设计准则

6考虑造型设计的准则

产品的设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力。从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。技术产品的社会属性是商品，在买方市场的时代，为产品设计一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计要求；同时造型美观的产品可使操作者减少因精力疲惫而产生的误操作。

外观设计包括三个方面：造型、颜色和表面处理。

考虑造型时，应注意下述三个问题：

（1） 尺寸比例协调

　在结构设计时，应注意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀协调的比例关系，应有意识地应用"黄金分割法"来确定尺寸，使产品造型更具美感。

（2） 形状简单统一

　机械产品的外形通常由各种基本的几何形体（长方体、圆柱体、锥体等）组合而成。结构设计时，应使这些形状配合适当，基本形状应在视觉上平衡，接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量减少形状和位置的变化，避免过分凌乱；改善加工工艺

（3） 色彩、图案的支持和点缀

　在机械产品表面涂漆，除具有防止腐蚀的功能外，还可增强视觉效果。恰当的色彩可使操作者眼睛的疲劳程度降低，并能提高对设备显示信息的辨别能力。

　单色只使用于小构件。大的特别是运动构件如果只用一种颜色就会显得单调无层次，一个小小的附加色块会使整个色调活跃起来。在多个颜色并存的情况下，应有一个起主导作用的底色，和底色相对应的颜色叫对比色。但在一个产品上，不同色调的数量不宜太多，太多的色彩会给人一种华而不实的感觉。

　舒服的色彩大约位于从浅黄、绿黄到棕的区域。这个趋势是渐暖，正黄正绿往往显得不舒服；强烈的灰色调显得压抑。对于冷环境应用暖色，如黄、橙黄和红。对于热环境用冷色，如浅蓝。所有颜色都应

淡化。另外，通过一定的色彩配置可使产品显得安全、稳固。将形状变化小的、面积较大的平面配置浅色，而将运动、活跃轮廓的元件配置深色；深色应安置于机械的下部，浅色置于上部。

54机械结构设计的工作步骤

　不同类型的机械结构设计中各种具体情况的差别很大，没有必要以某种步骤按部就班的进行。通常是确定完成既定功能零部件的形状、尺寸和布局。结构设计过程是综合分析、绘图、计算三者相结合的过程，其过程大致如下：

1 理清主次、统筹兼顾：明确待设计结构件的主要任务和限制，将实现其目的的功能分解成几个功能。然后从实现机器主要功能（指机器中对实现能量或物料转换起关键作用的基本功能）的零部件入手，通常先从实现功能的结构表面开始，考虑与其他相关零件的相互位置、联结关系，逐渐同其它表面一起连接成一个零件，再将这个零件与其它零件联结成部件，最终组合成实现主要功能的机器。而后，再确定次要的、补充或支持主要部件的部件，如：密封、润滑及维护保养等。

2 绘制草图：在分析确定结构的同时，粗略估算结构件的主要尺寸并按一定的比例，通过绘制草图，初定零部件的结构。图中应表示出零部件的基本形状，主要尺寸，运动构件的极限位置，空间限制，安装尺寸等。同时结构设计中要充分注意标准件、常用件和通用件的应用，以减少设计与制造的工作量。

3 对初定的结构进行综合分析，确定最后的结构方案：综合过程是指找出实现功能目的各种可供选择的结构的所有工作。分析过程则是评价、比较并最终确定结构的工作。可通过改变工作面的大小、方位、数量及构件材料、表面特性、连接方式，系统地产生新方案。另外，综合分析的思维特点更多的是以直觉方式进行的，即不是以系统的方式进行的。人的感觉和直觉不是无道理的，多年在生活、生产中积累的经验不自觉地产生了各种各样的判断能力，这种感觉和直觉在设计中起着较大的作用。

4 结构设计的计算与改进：对承载零部件的结构进行载荷分析，必要时计算其承载强度、刚度、耐磨性等内容。并通过完善结构使结构更加合理地承受载荷、提高承载能力及工作精度。同时考虑零部件装拆、材料、加工工艺的要求，对结构进行改进。在实际的结构设计中，设计者应对设计内容进行想象和模拟，头脑中要从各种角度考虑问题，想象可能发生的问题，这种假象的深度和广度对结构设计的质量起着十分重要的作用。

5 结构设计的完善：按技术、经济和社会指标不断完善，寻找所选方案中的缺陷和薄弱环节，对照各种要求和限制，反复改进。考虑零部件的通用化、标准化，减少零部件的品种，降低生产成本。在结构草图中注出标准件和外购件。重视安全与劳保（即劳动条件：操作、观察、调整是否方便省力、发生故障时是否易于排查、噪音等），对结构进行完善。

6 形状的平衡与美观：要考虑直观上看物体是否匀称、美观。外观不均匀时造成材料或机构的浪费。出现惯性力时会失去平衡，很小的外部干扰力作用就可能失稳，抗应力集中和疲劳的性能也弱。

总之，机械结构设计的过程是从内到外、从重要到次要、从局部到总体、从粗略到精细，权衡利弊，反复检查，逐步改进。

小结

　　 机械结构设计在机械设计中起着举足轻重的作用。本章主要讨论机械结构设计的特点、步骤和思维方式。机器工作原理及装配的设计要求是确定零部件结构和形状的主要因素，其次是材料的选择、制造工艺方面的要求，使之具有良好的工艺性（加工、装配）。此外，零部件的结构和形状的完善对强度和刚度的提高有很大的影响。

工业机器人按照机械系统基本结构来分类可以归为以下几种：

1，直角坐标机器人：按照直角坐标系进行三轴运动设计，直角坐标机器人比较简单，但是机械结构比较占地比较大，运动不灵活。这种机械结构最为常见，属于早期的机器人机械结构。

2，多关节型机器人：具有多个自由度关节型机器人是最仿真人类的关节运动的设计，运动灵活，工作空间比较大，也是目前应用最多，极具前景的机器人，但是多关节机器人运动复杂，精度不够高，也是非常受限于一些高精度要求场合。

3，并联臂型机器人：三角洲并联臂机器人独有的三臂结构，轻量，速度快，精度也比较高，多用于一些快速拾取搬运等运动。

目前工业机器人按照机械系统基本结构主要就是这三类：直角坐标机器人，多关节型机器人，并联臂型机器人。在应用机器人可以根据实际情况灵活选择进行应用。

机械式冰箱温控器调整范围较小的原因可能有以下几个方面：

1 技术限制：机械式冰箱温控器通常使用一种简单的机械结构，通过膨胀和收缩来控制温度。这种机械结构的设计和制造可能会限制其调整范围的大小。

2 成本考虑：机械式温控器相对较为简单和便宜，但是调整范围较大的温控器往往需要更复杂的设计和制造工艺，这可能会增加生产成本。

3 稳定性和准确性：较小的调整范围可以提高温度的稳定性和准确性，确保冰箱能够在设定的温度范围内保持稳定的运行。

机械式冰箱温控器的调整范围虽然较小，但在正常的家用冰箱应用中通常足够满足需求。如果需要更大的温度调节范围，可以考虑使用电子式温控器或其他更高级别的冷藏设备。

1 进行机械设计需要的知识

我是干机械设计的，但还没干多长时间，设计过程中有很多都是借鉴，所以前人的经验很重要。

《机械设计》《机械制造》《机械制图》《工程材料》类是肯定的，这些翻翻大学课本就行。还有公差配合（或是叫《互换性与测量技术》）很重要，其实图纸谁都会画就是看谁的加工出来更好用，这就是靠公差配合了。

我还推荐一本书高等教育出版社的《第三版机械设计课程设计图册》，虽然这是本学校用的书，但是里面里面有一百余张成型的图纸供参考，很多图纸有现成配合公差。这是本老书，一般书店都没有，我再淘宝网上买了本旧的，感觉很好。

《机械设计手册》共五卷。是必备的工具书，一般上班的公司都会有。

还有就是关于结构设计的书籍，美观也很重要！如《机械设计实用机构与装置图册》《机械结构合理设计图册》，后者简单明了，才一百多页有点意思。现在书店有几本什么机械设计禁忌200例500例什么的，我觉得《机械设计图册》第六卷《机械设计的错例与禁忌》还不错，挺有用。

看了之后再看图纸就能看出来哪些图纸是学生画的，哪些图纸才是真正可以加工的图纸。《机械设计图册》共6卷，以结构设计为主，和《机械设计手册》是一个人主编的，里面图多，但是没有完整的图纸，很少有标注公差什么的，我不喜欢前5卷。

画图习惯用哪个软件就多学学相关软件的书籍，比如AutoCAD,CAXA电子图版，Pro/E,ug,soildwoeks等等吧，各有优点。学学画图技巧，快捷键什么挺有用。

上面窝说的有很多网上有电子版的PDF格式的，比如成套的机械设计手册，机械设计图册等等，可以省很多钱。就是看着没有书感觉好。

目前就想到这么多学完了电控，再干机械，你会有更宽阔的思路，现在就讲究机电一体的设计呢，祝你成功吧！！。

2 机械设计要具备哪些知识和技能

主要看你做什么。

一般大专要求： 了解生产加工要求，会绘机械零件图，装配图，熟悉各种绘图，分析软件。

本科的要求：在以上的基础上懂得更多的机械设计，机械原理，自动结构的知识，对机械常用软件要熟练

研究生： 在以上的基础上，要有独立的科研能力，精通你所使用的机械设计软件。

这个是我的体会，不过目前很多学生，本科的都达不到专科的要求。

其实机械设计初期就是要好好的绘图，这个可不是一两天完成的。

3 机械设计行业需要掌握哪些知识

理论部分：力学是最为重要的。

理论力学，材料力学，是绝对要熟练掌握的内容，如果有精力的话，把流体力学，结构力学搞明白会在设计中有很大的帮助，如果还能学一点弹性力学那就更好了。其次是机械原理，机械设计这两门课，除了对各种机构有很广泛的了解，还要知道其中的不同与优劣。

材料方面主要掌握一些主要的结构用什么材料，焊接与螺栓连接是最为重要的两大类材料成形的方法，理论计算一定要会。除了上课以外，所有相关的课程设计最好都能认真的做一下，对将来的实际工作有很基础的作用。

此外，液压以及电气控制都要学好，机械设计并不仅仅是一个齿轮，一个轴的问题，做设计的人要有全局的意识。实践部分：机械加工的车，铣，刨，磨，镗有机会的亲自操作一下，没机会的话也一定要认真的看一下。

铸造的两箱造型，三箱造型要了解，钳工一定要亲手做一下，对设计有指导作用。计算机操作方面：CAD一定要精通，三维软件选一种学一下。

4 机械的专业知识是什么

(1) 从事机械设计与制造加工工艺规程的编制与实施工作；

(2) 从事机械、电气、液压、气压等控制设备的维护维修工作；

(3) 从事工艺工装的设计、制造工作；

(4) 从事数控机床、加工中心等高智能设备的编程及操作工作；

机械

(5) 从事机械CAD/CAM技术的应用工作；

(6) 从事机械设计与制造的现场技术管理工作；

(7) 从事机电产品的销售和服务工作。

(8) 钳工、车工或电工的初级技能；

(9) 编制、实施机械设计与制造工艺规程的基本能力；

(10) 使用、保养、维修、管理机电设备的基本能力；

(11) 选用、设计制造、调试工艺工装的基本能力；

(12) 操作数控机床、加工中心等高智能设备的基本能力；

(13) 行机械设计与制造生产现场技术管理的初步能力；

(14) 应用机械CAD/CAM的基本能力；

(15)应用计算机处理文字、图表、数据和信息，设计机械和电气图样，编制数控加工程序的能力。

5 进行机械设计需要的知识

我是干机械设计的，但还没干多长时间，设计过程中有很多都是借鉴，所以前人的经验很重要。

《机械设计》《机械制造》《机械制图》《工程材料》类是肯定的，这些翻翻大学课本就行。还有公差配合（或是叫《互换性与测量技术》）很重要，其实图纸谁都会画就是看谁的加工出来更好用，这就是靠公差配合了。

我还推荐一本书高等教育出版社的《第三版机械设计课程设计图册》，虽然这是本学校用的书，但是里面里面有一百余张成型的图纸供参考，很多图纸有现成配合公差。这是本老书，一般书店都没有，我再淘宝网上买了本旧的，感觉很好。

《机械设计手册》共五卷。是必备的工具书，一般上班的公司都会有。

还有就是关于结构设计的书籍，美观也很重要！如《机械设计实用机构与装置图册》《机械结构合理设计图册》，后者简单明了，才一百多页有点意思。

现在书店有几本什么机械设计禁忌200例500例什么的，我觉得《机械设计图册》第六卷《机械设计的错例与禁忌》还不错，挺有用。看了之后再看图纸就能看出来哪些图纸是学生画的，哪些图纸才是真正可以加工的图纸。《机械设计图册》共6卷，以结构设计为主，和《机械设计手册》是一个人主编的，里面图多，但是没有完整的图纸，很少有标注公差什么的，我不喜欢前5卷。

画图习惯用哪个软件就多学学相关软件的书籍，比如AutoCAD,CAXA电子图版，Pro/E,ug,soildwoeks等等吧，各有优点。学学画图技巧，快捷键什么挺有用。

上面窝说的有很多网上有电子版的PDF格式的，比如成套的机械设计手册，机械设计图册等等，可以省很多钱。就是看着没有书感觉好。

目前就想到这么多

学完了电控，再干机械，你会有更宽阔的思路，现在就讲究机电一体的设计呢，祝你成功吧！！！