第一章機械設(shè)計概論

機械設(shè)計基礎(chǔ)教材：《機械設(shè)計基礎(chǔ)》主編:李良軍出版社：高等教育出版社，2007

主講：任亨斌

主要參考書目：1汪信遠(yuǎn)主編，《機械設(shè)計基礎(chǔ)》，北京:高等教育出版社,20022程光蘊主編，《機械設(shè)計基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》，北京:高等教育出版社,1999.6楊家軍，張衛(wèi)國主編，《機械設(shè)計基礎(chǔ)》，

武漢:華中理工大學(xué)出版社,2002陳國定主編，《機械設(shè)計基礎(chǔ)》

北京:機械工業(yè)出版社,2005第一章機械設(shè)計概論1-1機械及其組成機械是機器與機構(gòu)的統(tǒng)稱。一、機器及其特征

實例一內(nèi)燃機

實例二機器人

實例三工件自動載送裝置①人造的實物組合體（不是天然形成的）；---結(jié)構(gòu)觀點②各部分有確定的相對運動；----運動觀點③代替或減輕人類勞動完成有用的機械功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、提供或轉(zhuǎn)換信息。-能量觀點通常把能實現(xiàn)確定的機械運動，又能做有用的機械功或?qū)崿F(xiàn)能量、物料、信息的傳遞與變換的裝置稱為機器。1.機器的特征2.機器的分類根據(jù)所能實現(xiàn)的功能的不同，機器可以分為三類：

工作機器

實現(xiàn)對物料的某種工作或工藝過程，完成有用的機械功。

動力機器

實現(xiàn)其它種類的能量與機械能之間的轉(zhuǎn)換，如內(nèi)燃機、汽輪機、電動機、發(fā)電機、壓氣機、渦輪機等。

信息機器

實現(xiàn)其它形式的信息（如電磁、熱、壓力、變形等）與機械運動信息之間的傳遞與轉(zhuǎn)換，如各種計量裝置、檢測裝置、復(fù)印機、打印機、繪圖機等。

二、機器的功能組成①驅(qū)動系統(tǒng)：機械動力的來源②執(zhí)行系統(tǒng)：能完成機械預(yù)期的動作③傳動系統(tǒng)：把原動機的運動和功率傳遞給工作機的中間環(huán)節(jié)④控制系統(tǒng)就其功能而言，一臺完整的機器通常由四部分組成：驅(qū)動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器三、機器、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

①人造的實物組合體（不是天然形成的）；----結(jié)構(gòu)觀點②各部分有確定的相對運動；----運動觀點只能實現(xiàn)運動和力的傳遞與變換的裝置稱為機構(gòu)。

1.機構(gòu)的特征組成機械的各相對運動實體稱為構(gòu)件。構(gòu)件即為機械中的運動單元。

3.構(gòu)件的組成－－零件實例：內(nèi)燃機連桿2.機構(gòu)的組成－－構(gòu)件組成機械的基本制造單元稱為零件。零件分為通用零件和專用零件。

通用零件包括：

齒輪、螺栓、鍵、花鍵、銷、聯(lián)軸器、離合器；滾動軸承、滑動軸承等。

專用零件例如：葉片、犁鏵、槍栓等。注：通用零件是本課程的主要學(xué)習(xí)對象，而專用零件的設(shè)計方法應(yīng)在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)。4.機器和機構(gòu)的區(qū)別機器能作有用功，而機構(gòu)不能，機構(gòu)僅能實現(xiàn)預(yù)期的機械運動。兩者之間也有聯(lián)系，機器是由若干個機構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡單的機器只有一個機構(gòu)。零件構(gòu)件機構(gòu)機器小結(jié):四、本課程的內(nèi)容、地位和任務(wù)通用零部件工作原理結(jié)構(gòu)特點設(shè)計計算常用機構(gòu)運動特性動力特性設(shè)計計算2.本課程的地位是一門培養(yǎng)學(xué)生具有機械設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。1.本課程的內(nèi)容3.本課程的任務(wù)：（1）認(rèn)識和了解機械系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)的功能和工作原理，能正確選擇和使用通用機械。

（2）了解機械設(shè)計的基本要求，基本內(nèi)容、一般程序，掌握常用機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動特性，初步具備分析和設(shè)計常用機構(gòu)的能力。

（3）掌握通用機械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計計算和維護等基本知識，并初步具有設(shè)計簡單機械及常用機械傳動裝置的能力。

（4）具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料的能力。§1-2機械設(shè)計的基本要求和一般程序機械設(shè)計的基本要求2.經(jīng)濟性；3.操作方便，運行安全；4.標(biāo)準(zhǔn)化；5.其他方面1.實現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；二、機械零件設(shè)計的基本要求1.強度2.剛度3.耐磨性4.耐熱性機器設(shè)計的一般程序

市場調(diào)研可行性研究原理方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計試制試驗小批生產(chǎn)試銷投產(chǎn)設(shè)計任務(wù)書定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術(shù)文件樣機評價改進考核工藝性收集用戶意見產(chǎn)品銷售三、機械設(shè)計的一般程序

四、機械設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法簡介1.計算機輔助設(shè)計

2.優(yōu)化設(shè)計3.可靠性設(shè)計4.模塊化設(shè)計5.并行設(shè)計一、載荷和應(yīng)力分類靜載荷變載荷載荷名義載荷計算載荷載荷§1-3機械零件的工作能力2.應(yīng)力分類零件單位面積上所受的力稱為應(yīng)力。1.載荷分類不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力應(yīng)力隨機變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力3.穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)

σaσmσmaxσmintσO（1）平均應(yīng)力（2）應(yīng)力幅（3）循環(huán)特性T4.穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力的3種類型（1）非對稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性σaσmσmaxσminTtσO（2）對稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性σσaσmaxσminTtO（3）脈動循環(huán)①定義②循環(huán)特性σσaσmaxσmTtO變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。注意：失效：機械零件由于某些原因不能正常工作。二、工作能力計算準(zhǔn)則失效形式：斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、疲勞點蝕、磨損、壓潰等。工作能力計算準(zhǔn)則：1.強度準(zhǔn)則2.剛度準(zhǔn)則3.壽命準(zhǔn)則4.散熱準(zhǔn)則許用應(yīng)力：零件設(shè)計的最大條件應(yīng)力。三、許用應(yīng)力和安全系數(shù)1.極限應(yīng)力：脆性材料：σlim

為強度極限σb（1）靜應(yīng)力：失效形式為斷裂或塑性變形。塑性材料：σlim

為屈服極限σs（2）變應(yīng)力：失效形式為疲勞破壞。σlim

為疲勞極限σr（如σ-1、σ0）σσrNσrNON0NN0－循環(huán)基數(shù)2.安全系數(shù)查表法計算法§1-4機械制造常用材料和熱處理一、常用工程材料簡介

1.鋼

含碳量小于2％的鐵碳合金稱為鋼。

按用途分：按化學(xué)成份分：鋼的分類：結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特種鋼碳素鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼在機械中常用鋼種：

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：45，用于制造較重要的機械零件，是機械制造中廣泛應(yīng)用的鋼種。

（3）合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr，應(yīng)用制造重要的或有特殊要求的機械零件。

（4）鑄鋼：ZG230-450

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：

用于制造一般要求的零件。

鋼的力學(xué)性能：、2.鑄鐵

含碳量大于2％的鐵碳合金稱為鑄鐵。

鑄鐵具有良好的鑄造性、切削加工性、抗壓性、耐磨性和減振性，而且價格便宜。常用的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

（1）灰鑄鐵

灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨形式存在，因斷口呈灰色而得名。灰鑄鐵常用來制造箱體件。

（2）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵經(jīng)球化處理后有的機械性能比鋼還好，所以常用來制造齒輪、曲柄、連桿、閥體等。

3.有色金屬合金

在金屬中，除了鑄鐵、鋼、黑色金屬外，其它的金屬則為有色金屬。這類金屬具有很多特殊的性能，即良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和減磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是機械制造中不可缺少的材料。

常用的有色金屬有黃銅、青銅和軸承合金。

4.非金屬材料

在非金屬材料中，最常用的是橡膠，它的彈性好，常用來制造緩沖吸振和密封的零件，如膠帶、密封圈和彈簧等。

二、金屬材料的熱處理

鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。

常用的熱處理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面熱處理等。

名稱說明應(yīng)用退火退火是將鋼件（或毛坯）加熱到臨界溫度（一般為723℃）以上30～50℃，保溫一段時間，然后隨爐一起緩慢冷卻消除鍛、鑄、焊的零、構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力；降低硬度使其易于切削加工；細(xì)化品粒，調(diào)整組織改善機械性能正火正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火快處理低、中碳鋼及滲碳零件，作用與退火類似淬火淬火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后在水、鹽水或油中（個別材料在空氣中）急冷下來提高鋼件的硬度和強度，但淬火后鋼材性能變脆，并存在著很大內(nèi)應(yīng)力，所以還需要進行低溫回火回火回火是將淬硬的鋼件再加熱到臨界點以下的溫度，保溫一段時間，然后在空氣中或油中冷卻下來。根據(jù)回火溫度不同，又分低溫（150～250℃）回火、中溫（300～500℃）回火、高溫（500～650℃）回火消除淬火后的脆性和內(nèi)應(yīng)力，提高鋼件的塑性和韌性，低溫回火硬度可達HRC55～62，中溫回火硬度可達HRC35～45，高溫回火硬度可達HRC23～35調(diào)質(zhì)淬火后再進行高溫回火，稱為調(diào)質(zhì)使鋼件獲得較高的韌性和強度。很多中碳鋼制造的零件（如軸類）常用調(diào)質(zhì)處理表面淬火使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的強度和韌性。根據(jù)加熱方法不同，分為火焰表面淬火和高頻表面淬火表面淬火常用來處理齒輪、花鍵等零件滲碳將低碳鋼或合金鋼零件置于滲碳劑中，加熱到900～950℃保溫，使碳原子滲入鋼的表面層，然后再淬火和回火增加鋼件的表面硬度和耐磨性，而心部仍保持較好的韌性和塑性，多用于重載荷、受沖擊、耐磨的零件三、材料選擇的基本原則

1.使用要求

（1）機械性能方面的要求。

（2）物理性能方面的要求。

（3）化學(xué)性能方面的要求。

2.工藝要求

3．經(jīng)濟要求

本課程的特點和學(xué)習(xí)方法

本課程的幾個特點：涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟性。公式多─計算多，有解析式、半解析式、經(jīng)驗的、半經(jīng)驗的及定義式。圖表多─結(jié)構(gòu)圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗數(shù)表。門類多─各類零件，各有特點，設(shè)計方法各異。實踐性強─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實際，要注重實踐性環(huán)節(jié)。無重點─又都是重點，設(shè)計工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計得更好，要注意發(fā)展求異思維。注意處理好幾個關(guān)系：零件的設(shè)計與選用

──零件設(shè)計的兩個主要途徑。設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計

──設(shè)計決非只是計算，同學(xué)更應(yīng)重視結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)。性能要求與經(jīng)濟性

──永遠(yuǎn)是一對矛盾，應(yīng)學(xué)會合理地解決這一對矛盾。經(jīng)驗設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。具體的設(shè)計方法與一般的設(shè)計能力

──前者是學(xué)習(xí)的形式，后者是學(xué)習(xí)的目的。

推桿凸輪推桿凸輪齒輪齒輪齒輪曲軸連桿活塞動畫

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