機械設計概論

1、第第0章章 概概 論論第一節(jié)第一節(jié) 緒緒 論論第二節(jié)第二節(jié) 機械零件材料學基礎機械零件材料學基礎第三節(jié)第三節(jié) 機械設計中的摩擦學基礎機械設計中的摩擦學基礎 第一節(jié)第一節(jié) 緒緒 論論一、一、課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務二、二、機械設計的一般過程簡介機械設計的一般過程簡介三、機械零件的設計準則機械零件的設計準則一、課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務一、課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務1.1.課程內(nèi)容課程內(nèi)容2.2.課程性質(zhì)課程性質(zhì) 3.3.課程任務課程任務 具體研究內(nèi)容具體研究內(nèi)容 研究機械中常用機構(gòu)和通用機械零部件（各種機常用機構(gòu)和通用機械零部件（各種機械中普遍使用的零部件）的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本

2、設計理論械中普遍使用的零部件）的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本設計理論和設計方法和設計方法。機器機器 若干個機構(gòu)組合而成的具有確定運動的運動裝置，能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化或傳遞能量、物料或信息，實現(xiàn)預 期的工作。如內(nèi)燃內(nèi)燃機機、電動機、起重汽車、金屬切削機床電動機、起重汽車、金屬切削機床、 電話機和計算機等。機構(gòu)機構(gòu) 是機器的組成部分，是由兩個或兩個以上的構(gòu)件通過可動聯(lián)接構(gòu)成的運動確定的系統(tǒng)，用來傳遞運動和力 。構(gòu)件構(gòu)件 是由若干零件剛性聯(lián)接而成，是機器運動的最小單元。 零件零件 是機器加工制造的最小單元。機器的組成機器的組成 由原動機、工作機、傳動系統(tǒng)等組成。原動機、工作機、傳動系統(tǒng)等組成。 1.1.課程

3、內(nèi)容課程內(nèi)容 常用機構(gòu)設計常用機構(gòu)設計 連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)、間歇運動機構(gòu)（棘輪機構(gòu)棘輪機構(gòu)、 槽輪機構(gòu)槽輪機構(gòu)、不完全不完全 齒輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)）等。 常用通用零部件設計常用通用零部件設計 傳動零件傳動零件：齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、螺旋傳動、摩 擦傳動等。 聯(lián)接零件聯(lián)接零件: 螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接等。 軸系零件軸系零件：軸、 軸承（滑動軸承、滾動軸承）、 聯(lián)軸器等 。 機械系統(tǒng)的調(diào)速與回轉(zhuǎn)件的平衡機械系統(tǒng)的調(diào)速與回轉(zhuǎn)件的平衡 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計（運動方案設計及結(jié)構(gòu)設計）（運動方案設計及結(jié)構(gòu)設計） 現(xiàn)代設計法方法簡介現(xiàn)代設計法方法簡介具體內(nèi)容具體內(nèi)容 曲柄搖桿

4、0.exe力封閉式凸輪機構(gòu)1.exe不完全齒輪機構(gòu).exe 齒輪傳動齒輪傳動蝸桿傳動蝸桿傳動帶傳動帶傳動圓柱平摩擦輪傳動圓柱平摩擦輪傳動（a a）滑動螺旋）滑動螺旋 ;(;(b）滾動螺旋）滾動螺旋; ;（c）靜壓螺旋）靜壓螺旋 鏈傳動鏈傳動螺旋傳動螺旋傳動(a)(b)(c)聯(lián)接零件聯(lián)接零件 螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接鍵聯(lián)接銷聯(lián)接銷聯(lián)接軸軸滑動軸承滑動軸承滾動軸承滾動軸承聯(lián)軸器聯(lián)軸器數(shù)數(shù)控控立立式式升升降降臺臺銑銑床床電機電機起重機起重機連桿連桿曲柄曲柄1- -氣缸體；氣缸體；2-2-活塞；活塞；3-3-連桿；連桿；4-4-曲軸；曲軸；5 5、6-6-齒輪；齒輪；7-7-凸輪；凸輪；8-8-進氣閥頂

5、桿進氣閥頂桿 機器的組成機器的組成原動機原動機： 驅(qū)動機器完成預定功能的動力源工作機：工作機： 完成機器預定功能的組成部分傳動系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)：傳遞運動和動力 。有機械傳動、電力傳動和液力傳動等。原動機原動機 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)工作機工作機 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)（潤滑、顯示輔助系統(tǒng)（潤滑、顯示 、照明等、照明等（實例實例）本課程只研究機械傳動。本課程只研究機械傳動。 原原 動動 機機： 汽油機和柴油機。傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)：離合器、變速箱、 傳動軸和差速器。 工工 作作 機機： 車輪、懸掛系統(tǒng) 和底盤?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)：方向盤和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排檔桿、剎車及其踏板、離合器及其油門。輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)：油量

6、表、速度表、里程表、潤滑油溫度表及蓄電平電流表、電 壓表等為顯示系統(tǒng)；后視鏡、車門鎖、刮油器等為其它輔助系 統(tǒng)；前后燈、儀表盤燈為照明系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向信號燈和車尾紅燈為 信號系統(tǒng)。機器組成實例機器組成實例2. 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 綜合性、應用性很強的培養(yǎng)學生設計能力的專業(yè)技術基礎課。 課前應具有必要的基礎理論和金屬加工工藝知識。 必要的先修課程先修課程有 高等數(shù)學 幾何精度規(guī)范學 機械制圖 金屬材料學 工程力學 金工實習 3.課程任務課程任務 （1 1）獲得認識、使用和維護機械設備的一些基本知識。）獲得認識、使用和維護機械設備的一些基本知識。 （2 2）運用有關設計手冊、圖冊、標準、規(guī)范等有關設計）運

7、用有關設計手冊、圖冊、標準、規(guī)范等有關設計 資料的能力。資料的能力。 （3 3）掌握常用機構(gòu)和通用零、部件的設計理論和方法。掌握常用機構(gòu)和通用零、部件的設計理論和方法。 （4）通過課程設計的訓練，了解機器設計原則和主要內(nèi)容）通過課程設計的訓練，了解機器設計原則和主要內(nèi)容, 用所學的有關知識設計機械傳動裝置和簡單機械的能力。用所學的有關知識設計機械傳動裝置和簡單機械的能力。 （5）掌握典型零件的實驗方法和培養(yǎng)實驗技能）掌握典型零件的實驗方法和培養(yǎng)實驗技能 。 （6）了解常用的現(xiàn)代設計方法及機械發(fā)展動向）了解常用的現(xiàn)代設計方法及機械發(fā)展動向 。二、機械設計的一般過程簡介二、機械設計的一般過程簡介1

8、. 1. 產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品規(guī)劃 根據(jù)社會的需要和市場的需求，確定所設計機械（機器）的功能范圍和性能指標，擬訂設計任務書。2. 2. 方案設計方案設計 按設計任務書的要求，盡量構(gòu)思出多種可行的設計方案，通過對比、篩選，優(yōu)選出一種功能滿足要求、工作原理可靠、結(jié)構(gòu)設計合理、制造成本低廉的最優(yōu)方案。3. 3. 技術和施工圖設計技術和施工圖設計 對已選定的設計方案進行分析計算，確定機構(gòu)和零件的工作參數(shù)以及機械（機器）的主要結(jié)構(gòu)尺寸，完成每一個零件的結(jié)構(gòu)設計，按照國家標準，繪制出整臺機器的設計總圖和全部零、部件的施工圖，編寫有關技術文件 。4. . 試制、調(diào)試、鑒定試制、調(diào)試、鑒定 進行樣機試制，對樣機進行試

9、驗、測定，從技術上、經(jīng)濟上作出評定，提出改進意見。 1 1、機械零件的主要失效形式機械零件的主要失效形式 2 2、機械零件的設計準則機械零件的設計準則三、機械零件的設計準則機械零件的設計準則失效失效：在規(guī)定的工作條件下在規(guī)定的工作條件下機械零件失去了正常工作能力。機械零件失去了正常工作能力。斷裂：斷裂：零件在拉、彎、扭載荷作用下 ，當 或 時，就可能發(fā)生斷裂，屬強度不合格。 疲勞斷裂 過載斷裂變形過大：變形過大： 時發(fā)生,屬剛度不合格。振動過大甚至共振振動過大甚至共振 ：振幅超過了許用值。零件表面失效：零件表面失效： 過大接觸應力作用造成。 膠合失效（黏著磨損）、點蝕（疲勞磨損）、 磨損失效（

10、磨粒磨損）、塑性變型。 在化學腐蝕介質(zhì)的接觸和作用下產(chǎn)生腐蝕失效 。 1 1、機械零件的主要失效形式、機械零件的主要失效形式s 保證機械零件在要求的壽命內(nèi)不出現(xiàn)各種失效。 強度準則強度準則 ， 剛度準則剛度準則 撓度 偏轉(zhuǎn)角 扭轉(zhuǎn)角 振動穩(wěn)定性準則振動穩(wěn)定性準則 使受激振作用的各個零件的固有頻率f 與激振源的頻 率 f p 錯開。通常應保證 f p 0.85f 或 f p 1.15f 磨擦學準則磨擦學準則 驗算壓強 p p 驗算pv pv pv 驗算速度 v v2 2、機械零件的設計準則、機械零件的設計準則SlimSlim yy第二節(jié)第二節(jié) 機械零件材料學基礎機械零件材料學基礎 一、一、 金屬

11、材料金屬材料二、二、 非金屬材料非金屬材料三、三、 復合材料復合材料 四、鋼的熱處理簡介鋼的熱處理簡介 機械零件通常都是由金屬材料制成的，有機械零件通常都是由金屬材料制成的，有時也用非金屬材料和復合材料制造。時也用非金屬材料和復合材料制造。一、一、 金屬材料金屬材料 1鋼鋼 2鑄鐵鑄鐵 3. 有色金屬有色金屬（含碳量小于2%,大于0.7%的鐵、碳合金）1.1.鋼鋼碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼碳素工具鋼：T7、T8普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 如Q235、Q275等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼C0.25% 如20 合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金工具鋼 、高速工具鋼、硬質(zhì)合

12、金工具鋼、高速工具鋼、硬質(zhì)合金工具鋼特類鋼特類鋼 不銹鋼，如2Cr13、滾動軸承鋼，如GGr9SiMn、 耐熱鋼，如3Gr18Ni25Si2等。合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 如35CrMn2，40CrNiMoA(優(yōu)質(zhì)）低金結(jié)構(gòu)鋼低金結(jié)構(gòu)鋼 如12Mn彈簧鋼彈簧鋼 如60Si2MnA中碳鋼0.6%C0.25% 如45 高碳鋼0.6%C 如60 鋼鋼2.2.鑄鐵鑄鐵（含碳量大于含碳量大于2%2%的鐵、碳合金的鐵、碳合金） （1 1）灰鑄鐵）灰鑄鐵 如HT100、HT300,良好的鑄造性、切削加工性、 耐磨性，消振性，但抗拉強度低。（2 2）球墨鑄鐵）球墨鑄鐵 如QT400-18、QT500-7,強度和塑性

13、比灰鑄鐵有 很大的提高，具有良好的耐磨性，但鑄造性較差。（3 3）可鍛鑄鐵）可鍛鑄鐵 如KTH300-06 ,強度、塑性、韌性、耐磨性均 較高，能承受沖擊振動 , 但生產(chǎn)周期長，成本較高。 鑄造大尺寸零件較困難。3.有色金屬有色金屬（1）銅合金）銅合金 黃銅 銅與鋅的合金，含少量錳、鋁等元素，如 ZCuZn38等。 青銅 青銅以主加元素的不同又可分為錫青銅和鋁青銅等，如 CuAl10Fe3、 ZCuSn5PbZn5。青銅比黃銅有更高的強度、硬度、 耐磨性和耐腐蝕性。 （2）鋁及鋁合金）鋁及鋁合金 鋁合金具有良好的導熱、導電性能，其導電性 能大約為銅的60%， 但由于重量輕，在遠距離輸送 的電纜

14、中常代替銅線 。二、二、 非金屬材料非金屬材料 1工程塑料工程塑料 （1） 尼龍 品種、數(shù)量及應用上居工程塑料之首，它強度高，耐磨 性好，耐化學腐蝕。但易吸收水分而影響尺寸的穩(wěn)定性。 （2）聚碳酸脂 在工程塑料中韌性最好，透光率達90%，連續(xù)使用溫 度達135145，它正取代玻璃和有機玻璃，作為飛機上的擋風 夾層和天窗。 （3）聚甲苯 在工程塑料中彈性模量最高，并有高硬度，低摩擦系數(shù)和較好的耐疲勞性能，適用于制造小齒輪及軸套等。 （4）聚苯醚 在工程塑料中硬度最高，熱膨脹系數(shù)最小，最耐熱。 （5）ABS 具有良好的綜合性能。廣泛應用在管材、家用電器和紡織機械 中。用ABS制成的泡沫夾層板，可作

15、小轎車的車身。 2橡膠橡膠 常用來制造輪胎、墊板、隔熱板、傳動帶和減振零件等 3夾布膠木夾布膠木 常用來制造板材、電工元件，輕載無噪聲齒輪和耐腐蝕元件等。 4其他其他 工業(yè)上，經(jīng)常使用的非金屬材料還有陶瓷、皮革、木材、紙板等 。 三、三、 復合材料復合材料 通常由兩種材料結(jié)合而成，可發(fā)揮材料各自的長處，克服各自固有的缺點。常見的復合材料有： （1 1）玻璃鋼）玻璃鋼 玻璃和塑料結(jié)合而成。 玻璃具有較高的彈性模量和強度，但太 脆，而塑料具有良好的塑性、易于加工，但彈性模量和強 度較 低，把兩者結(jié)合起來，就產(chǎn)生了 玻璃鋼。 （2 2）硬質(zhì)合金）硬質(zhì)合金 陶瓷與金屬粉末燒結(jié)在一起 而成 。 陶瓷材料

16、硬度好，但不易于加工成型，將它與金屬粉末燒結(jié)在一起，就 形成了硬度高，耐磨性好且易于加工成形的硬 質(zhì)合金。 （3）硼鋁復合材料硼鋁復合材料 硼與鋁合金結(jié)合而成。它的常溫和高溫強度比高強度的鋁合金大得多。美國現(xiàn)在使用的航天飛機的整個桁架支柱，均用硼鋁復合材料的管材制造，比原先采用鋁合金時，減輕重量44%。 四、鋼的熱處理簡介四、鋼的熱處理簡介熱處理熱處理 將鋼在固體狀態(tài)下進行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法叫熱處理，目的是提高零件的力學性能和改善其工藝性能。圖2-1 鋼的熱處理退火正火臨界溫度保溫加熱淬火回火調(diào)質(zhì)度溫時間1. 退火退火2. 正火正火3. 淬火淬火4. 回火回火5. 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)6

17、. 時效時效7. 表面處理表面處理 把鋼加熱到臨界溫度（在鋼的固態(tài)范圍內(nèi)，引起鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度）以上3050，經(jīng)過適當?shù)谋睾?，隨爐溫一起緩慢冷卻下來的熱處理工藝稱為退火。退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，細化結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，改善力學性能和切削加工性能，能消除或減小鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應力。 2.正火正火 將零件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間后，然后再空冷，風冷或噴霧冷卻。它的冷卻速度比退火快，作用與退火相似，但比退火經(jīng)濟，成本低，可作為零件的最終熱處理。 3.淬火淬火 將零件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間后，然后在水中或油中迅速冷卻。由于淬火溫度變化過快，材料內(nèi)部形成較大

18、的淬火應力，會導致零件的變形或開裂。淬火不能作為零件的最終熱處理。1.退火退火 4. 回火回火 將淬火后的零件重新加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一段時間后，然后在空氣中冷卻。根據(jù)對零件要求的不同，可采用不同的回火溫度?；鼗饻囟仍礁?，材料的硬度和強度下降越多，而塑性和韌性則顯著提高。 （1） 低溫回火低溫回火 回火溫度在150250，主要用來降低材料的脆性和淬火應力，并能保持較高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。 （2） 中溫回火中溫回火 回火溫度在350500，其特點是即能保持材料一定的韌性，又能保持一定的彈性和屈服點，常用于彈簧和承受沖擊的零件。 （3） 高溫回火高溫回火 回火溫度在5

19、00650，使零件獲得強度、硬度、塑性和韌性都良好的綜合力學性能。 5.調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。一些重要的零件，特別是一些在變應力下工作的零件，如連桿、齒輪和軸等常采用調(diào)質(zhì)處理。可以減小或消除零件的內(nèi)應力，使零件在工作之前得以充分的變形，零件尺寸可以穩(wěn)定下來。時效分低溫時效和高溫時效。6.時效時效 （1）低溫時效）低溫時效 將零件加熱到100150，保溫520小時后，再空冷。 （2）高溫時效）高溫時效 將零件加熱到略低于高溫回火的溫度，保溫后，緩冷到300以下，出爐空冷。 7. 表面處理表面處理 對于一些要求表面有較高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有較高的韌性以提高其抗沖擊能力的零

20、件，可以采用表面處理工藝。表面處理包括表面淬火和化學處理。 （1） 表面淬火表面淬火 采用快速加熱的方法，只將零件表面加熱并淬火。它只改變表層組織，心部并不發(fā)生變化，心部保持了一定的韌性和強度，而表層得到強化和硬化。 表面淬火有高頻感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。 （2）化學處理）化學處理 化學處理是把零件放入化學介質(zhì)（碳或氮等）中加熱，保溫，使介質(zhì)元素滲入零件表層中，使零件表層的化學組成和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，來獲得對其心部和表層不同性能要求的熱處理方法。常用的方法有滲碳、滲氮和碳氮共滲（氰化）等。第三節(jié)第三節(jié) 機械設計中的摩擦學基礎機械設計中的摩擦學基礎一、一、 摩擦摩擦二、二、 磨損磨損

21、三三 、潤滑潤滑 外力作用下，外力作用下，相互接觸的兩個物體作相對運動或有相對運動的趨勢相互接觸的兩個物體作相對運動或有相對運動的趨勢時，其接觸表面上就會產(chǎn)生抵抗滑動的阻力時，其接觸表面上就會產(chǎn)生抵抗滑動的阻力，這一現(xiàn)象叫做，這一現(xiàn)象叫做摩擦摩擦，所產(chǎn)，所產(chǎn)生的阻力叫做生的阻力叫做摩擦力摩擦力。 1. 1. 干摩擦干摩擦 摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。摩擦系數(shù) = 0.31.5。 2. 2. 邊界摩擦（邊界潤滑）邊界摩擦（邊界潤滑） 兩摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)與流體的黏度無關，只與邊界膜和表面的吸附性質(zhì)有關。邊界膜極薄，不能避免金屬間的直接接觸，這時仍

22、有摩擦力產(chǎn)生，其摩擦系數(shù) = 0.10.5。 3. 3. 流體摩擦（流體潤滑）流體摩擦（流體潤滑） 摩擦表面間的潤滑膜足以將兩個表面完全隔開，即形成了完全的流體摩擦。摩擦系數(shù)極小，大約 = 0.0010.008，無磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。4 . 4 . 混合摩擦（混合潤滑）混合摩擦（混合潤滑） 摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)時稱為混合摩擦。大約 = 0.010.08。一、摩擦一、摩擦ffff二、磨損二、磨損1黏著磨損黏著磨損 由于兩摩擦表面間產(chǎn)生黏著現(xiàn)象而使材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面而造成的磨損稱為黏著磨損。 2 磨粒磨損磨粒磨損 兩接觸表面受外界硬質(zhì)顆粒的作用或粗糙硬表面把軟表面擦傷而引起的表面材料脫落的現(xiàn)象稱