機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第3版 課件 緒論

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工科人素質(zhì)：科學(xué)精神、辯證思維方法、工程觀、全局觀、工匠精神和責(zé)任意識(shí)機(jī)械工程是一個(gè)歷史悠久、發(fā)展較為成熟的學(xué)科。未來機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)是：交叉化、綜合化；數(shù)字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清潔化；柔性、集成化等。顯然，機(jī)械學(xué)科的前沿研究、發(fā)展會(huì)涉及到許多學(xué)科的內(nèi)容。然而可以肯定地說，所有發(fā)展都一定離不開“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”——它研究機(jī)器、機(jī)械的組成原理；常用機(jī)構(gòu)及其特點(diǎn)；機(jī)械中常用的零件以及機(jī)械設(shè)計(jì)的一般理論。因此，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是機(jī)械工程的基石之一。這一章對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程以及學(xué)習(xí)這門課程應(yīng)注意的問題作一大致的介紹。思政教育我們將來要從事與機(jī)械工程相關(guān)工作，就需要養(yǎng)成精益求精、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的精神錢學(xué)森小故事：

一份96分的水力學(xué)考卷

在交大的圖書館里，珍藏著一份96分的水力學(xué)試卷，做這份試卷的人就是錢學(xué)森。他在上海交通大學(xué)就讀時(shí)，品學(xué)兼優(yōu)，各門學(xué)科都得90多分以上。在一次水力學(xué)考試中，錢學(xué)森答對(duì)了所有的6道題，他的任課老師金老師很高興，給了錢學(xué)森100分的滿分成績(jī)。但錢學(xué)森卻發(fā)現(xiàn)自己答題時(shí)把一處符號(hào)“Ns”誤寫成“N”了。錢學(xué)森主動(dòng)把這個(gè)小錯(cuò)誤告訴了老師，老師也把100分的試卷該為了96分。這份小小的試卷反映了一位世界著名科學(xué)家對(duì)自己的嚴(yán)格要求，對(duì)學(xué)習(xí)、科研的一絲不茍、虛心誠實(shí)。癡迷學(xué)術(shù)，組建“自殺俱樂部”

1938年，獲得加州理工學(xué)院博士學(xué)位的錢學(xué)森留校任教。為從事火箭研究，他和幾個(gè)同學(xué)結(jié)成了研究火箭的技術(shù)小組。沒有資金和設(shè)備，他們就到舊貨攤上、廢品倉庫里去揀廢舊零件自己安裝;沒有試驗(yàn)場(chǎng)地，就在自家房后草坪上進(jìn)行。由于成天和電機(jī)、火藥、二氧化碳、廢棄零件之類的物體打交道，隨時(shí)可能危及生命安全，他們將這個(gè)小組戲稱為“自殺俱樂部”。有一次，小組在古根海姆大樓實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行火箭噴射推力的試驗(yàn)，竟然發(fā)生爆炸，古根海姆大樓都搖晃起來，錢學(xué)森等人被爆炸的氣浪掀翻在地，金屬零件也被炸飛，好在大家都沒有受傷。不過這次爆炸后，學(xué)校便勒令火箭研究小組停止一切活動(dòng)。為了繼續(xù)搞試驗(yàn)，這幾個(gè)不怕死的年輕人將實(shí)驗(yàn)室遷移到遠(yuǎn)離洛杉磯的馬特里山的一個(gè)偏僻的山谷中，還親自動(dòng)手蓋起一座簡(jiǎn)易的火箭試驗(yàn)臺(tái)。幾十年后，這里成為美國宇航局著名的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)中心所在地。那時(shí)，錢學(xué)森年輕的頭腦里只有科學(xué)，他思維縝密、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，利用一切時(shí)間和條件進(jìn)行學(xué)術(shù)研究。1.常用平面機(jī)構(gòu)2.常用機(jī)械傳動(dòng)3.常用機(jī)械零部件課程主要內(nèi)容內(nèi)容1.定義幾個(gè)基本的名詞術(shù)語；2.設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求；3.機(jī)械設(shè)計(jì)的幾種方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的大致步驟；4.課程研究的內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。5.本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法重點(diǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求；課程研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)；課程特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。難點(diǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求。機(jī)器人類制造出來的、各組成部分具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的、可完成人們期望的預(yù)定職能（變換或傳遞能量、物料、信息）的實(shí)物組合。內(nèi)燃機(jī)、牛頭刨床、自行車等就是常見的機(jī)器。構(gòu)件組成機(jī)器的運(yùn)動(dòng)單元（包括運(yùn)動(dòng)速度為零的單元），亦稱為“桿”。內(nèi)燃機(jī)中，活塞、連桿、曲軸、凸輪、挺桿、氣缸體等都是構(gòu)件。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某種特定運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合。例如內(nèi)燃機(jī)中的活塞、連桿、曲軸和氣缸體組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；凸輪、頂桿和氣缸體組成凸輪機(jī)構(gòu)。機(jī)械從研究運(yùn)動(dòng)和受力來看，機(jī)器與機(jī)構(gòu)并無區(qū)別。因此，習(xí)慣上用“機(jī)械”一詞作為機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。即：機(jī)械=機(jī)器+機(jī)構(gòu)零件機(jī)器中不可分拆的基本制造單元。分為：專用零件（僅出現(xiàn)在某些類機(jī)器中的零件，如曲軸、連桿、汽輪機(jī)葉片等）；通用零件（各類機(jī)器中廣泛應(yīng)用的零件，如齒輪、螺栓、軸承等）。設(shè)計(jì)為滿足某一特定要求而進(jìn)行研究、分析、構(gòu)思、計(jì)算、繪圖、實(shí)驗(yàn)、決策的創(chuàng)造過程。機(jī)械設(shè)計(jì)是指規(guī)劃和設(shè)計(jì)預(yù)期功能的新機(jī)械或改進(jìn)原有機(jī)械的性能。0.1機(jī)器的組成及其特征機(jī)器的功能組成1.動(dòng)力系統(tǒng)2.執(zhí)行系統(tǒng)3.傳動(dòng)系統(tǒng)4.操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5.框架支撐系統(tǒng)及其他的輔助系統(tǒng)

機(jī)器的組成及其特征

機(jī)器的組成及其特征機(jī)器例１

右圖所示為單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)。它是人們根據(jù)物理學(xué)的燃燒膨脹過程發(fā)明的機(jī)器，其作用是將汽油、柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)機(jī)械能。其工作原理如下：活塞上下往復(fù)移動(dòng)，曲軸及相應(yīng)的齒輪、飛輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，與大齒輪相連的凸輪推動(dòng)挺桿有規(guī)律地上下運(yùn)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)比為１∶２，以保證曲軸每轉(zhuǎn)兩周進(jìn)、排氣門各啟閉一次。四個(gè)沖程依次為：進(jìn)氣(曲軸及與之固連的飛輪靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲軸、連桿帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開以輸入新鮮的油霧和空氣)；壓縮(進(jìn)、排氣門關(guān)閉，在飛輪的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，活塞向上運(yùn)動(dòng)縮小空間使油、氣混合物壓縮升溫)；膨脹(進(jìn)、排氣門關(guān)閉，燃?xì)馊紵蛎浲苿?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，通過連桿帶動(dòng)曲軸及相應(yīng)的齒輪、飛輪、凸輪轉(zhuǎn)動(dòng))；排氣(進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞在飛輪帶動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)縮小空間以排除廢氣)。

機(jī)器的組成及其特征機(jī)器例2

右圖所示為機(jī)械廠常用的加工平面的牛頭刨床。其工作原理如下：

電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)、齒輪變速箱、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑枕以合適的速度(與不同硬度的被切材料相適應(yīng))往復(fù)移動(dòng)，從而使與滑枕相連的刨刀單向切削金屬。為了降低輸入功率同時(shí)節(jié)省非加工時(shí)間，滑枕往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度不等(切削金屬的工作行程速度較低以降低輸入功率；刨刀返回的非工作行程速度較大以減小非切削時(shí)間)。因刨刀寬度有限，當(dāng)滑枕往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次時(shí)，與進(jìn)給手輪相連的棘輪-螺旋機(jī)構(gòu)(圖中未畫出)帶動(dòng)工作臺(tái)及其固定在上面的被加工工件沿垂直于紙面的方向移動(dòng)一段距離，將新的待切除材料置于刨刀之前，滑枕多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后就加工出了較大的平面。在切削之前，調(diào)整曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中曲柄的長(zhǎng)度，可改變滑枕移動(dòng)的行程大小，旋轉(zhuǎn)升降螺桿可調(diào)整工作臺(tái)的高低，這樣就能適應(yīng)加工不同尺寸的工件。

機(jī)器的組成及其特征機(jī)器例3

右圖為人們用來代步的自行車及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為使自行車適合在平道和一定的坡道上行使，使人在騎行的過程中得到間歇的休息，要求自行車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有如下功能，即：在人踩腳踏板時(shí)，通過鏈盤、鏈條、后飛輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使自行車前進(jìn)；當(dāng)在平道上自行車的速度較大或下坡時(shí)，后輪應(yīng)與后鏈盤脫離聯(lián)接，這樣，自行車向前滑行時(shí)腳踏板就可不動(dòng)，從而使人得到短時(shí)的休息。請(qǐng)想想：飛輪機(jī)構(gòu)應(yīng)該什么樣的呢？

揭開后鏈輪的蓋，觀察動(dòng)畫可以發(fā)現(xiàn)，自行車后飛輪的棘輪機(jī)構(gòu)（稱為超越離合器）就能滿足上述要求。

機(jī)器的組成及其特征補(bǔ)充說明

1.機(jī)器可由單個(gè)機(jī)構(gòu)組成(如鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等)，也可由多個(gè)機(jī)構(gòu)組成(內(nèi)燃機(jī)和工業(yè)上使用的大多數(shù)機(jī)器都是)；構(gòu)件可以是一個(gè)零件，也可由多個(gè)零件構(gòu)成。

2.通常，可將機(jī)器的構(gòu)成分為動(dòng)力、傳動(dòng)、控制與反饋、執(zhí)行四個(gè)基本組成部分。其中：動(dòng)力部分提供能量(以電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)使用最廣)；傳動(dòng)和執(zhí)行部分(由各種機(jī)構(gòu)組成)轉(zhuǎn)換、傳遞能量或利用能量作有用的機(jī)械功以實(shí)現(xiàn)物料、信息的變換；控制反饋部分(包括各種控制機(jī)構(gòu)、電氣裝置、計(jì)算機(jī)和液、氣壓系統(tǒng)等)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。由此可看出機(jī)構(gòu)與機(jī)器的區(qū)別在于：機(jī)構(gòu)只是一個(gè)構(gòu)件組合，而機(jī)器除構(gòu)件組合之外還包含其他裝置；機(jī)構(gòu)只用于傳遞運(yùn)動(dòng)和力，機(jī)器除傳遞運(yùn)動(dòng)和力之外，還應(yīng)當(dāng)具有人機(jī)對(duì)話、變換或傳遞能量、物料、信息的功能。

3.根據(jù)機(jī)器的作用不同，習(xí)慣上也將機(jī)器分為：

原動(dòng)機(jī)——轉(zhuǎn)換其他形式能量為機(jī)械能的機(jī)器，如內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)(分別將熱能和電能變換為機(jī)械能)等。

工作機(jī)——利用機(jī)械能去變換或傳遞能量、物料、信息的機(jī)器稱為工作機(jī)，如發(fā)電機(jī)(機(jī)械能變換為電能)、起重機(jī)(傳遞物料)、金屬切削機(jī)床(變換物料外形)、錄音機(jī)(變換和傳遞信息)等。

機(jī)器的組成及其特征

現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械多種多樣，因而相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)要求可能有所不同，但共同的基本要求都是適用、

可靠、經(jīng)濟(jì)、美觀。

適用滿足預(yù)期的功能要求，技術(shù)性能良好，便于操作和維護(hù)。例如轎車要求有良好的乘坐、駕駛舒適性，良好的加速性能等；機(jī)床要求較高的生產(chǎn)率和精度，適當(dāng)?shù)募庸し秶取C(jī)器是需要人操縱控制的，機(jī)器使用一段時(shí)間總是會(huì)出現(xiàn)材料老化、零件磨損等問題的，因此適用還包含有良好的操作性和維護(hù)性要求。

可靠要有良好的性能穩(wěn)定性和安全防護(hù)裝置。前者是指在預(yù)期的使用期限內(nèi)，完成預(yù)定功能的概率要高；后者是指在誤操作或偶然事件作用下要能避免傷人損機(jī)。

經(jīng)濟(jì)機(jī)器的研制費(fèi)用、使用費(fèi)用盡可能低，生產(chǎn)效率盡可能高，使用壽命盡可能長(zhǎng)。也就是要求有盡可能好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。參見經(jīng)濟(jì)效果圖

美觀造型優(yōu)美、色調(diào)宜人。不同的使用者對(duì)造型是否優(yōu)美有不同的評(píng)價(jià)，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須明確產(chǎn)品的使用對(duì)象；對(duì)工業(yè)設(shè)備來講，色調(diào)宜人的含義應(yīng)是：使人的中樞神經(jīng)既不是太緊張，也不是太松弛，從而使人發(fā)揮最高的效能。上述的８字要求說起來容易，做起來困難，它涉及到設(shè)計(jì)工作的方方面面。因此，要成為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員，必須在學(xué)好本課程的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)更多的有關(guān)課程。

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求0.2課程的性質(zhì)、研究對(duì)象、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法本課程的任務(wù)：(1)能熟練地運(yùn)用力系平衡條件求解簡(jiǎn)單力系的平衡問題；(2)掌握零部件的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算方法；(3)熟悉常用機(jī)構(gòu)、常用機(jī)械傳動(dòng)及通用零部件的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，掌握常用機(jī)構(gòu)、常用機(jī)械傳動(dòng)和通用零部件的選用和基本設(shè)計(jì)方法，具備正確分析、使用和維護(hù)機(jī)械的能力，初步具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)裝置的能力；(4)具有與本課程有關(guān)的解題、運(yùn)算、繪圖能力和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、圖冊(cè)等有關(guān)技術(shù)資料的能力。本課程的學(xué)習(xí)方法：(1)抓好基本學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)；(2)學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用知識(shí)；(3)學(xué)會(huì)知識(shí)技能的實(shí)際應(yīng)用；(4)學(xué)會(huì)總結(jié)歸納；(5)學(xué)會(huì)創(chuàng)新。0.3零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械零件在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，不能完成正常的功能，稱為失效。機(jī)械零件的失效形式主要有斷裂、過大的殘余應(yīng)變、表面磨損、腐蝕、零件表面的接觸疲勞和共振等。機(jī)械零件的失效形式與許多因素有關(guān)，具體取決于該零件的工作條件、材質(zhì)、受載狀態(tài)及其所產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)等多種因素。即使是同一種零件，由于材質(zhì)及工作情況不同，也可能出現(xiàn)各種不同的失效形式。如軸工作時(shí)，由于受載情況不同，可能出現(xiàn)斷裂、過大塑性變形、磨損等失效形式。1.強(qiáng)度

零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度是保證機(jī)械零件正常工作的基本要求。為了避免零件在工作中發(fā)生斷裂，必須使零件工作時(shí)滿足下面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：或式中：

、

分別為零件工作時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；[

]、[

]分別為零件材料的許用正應(yīng)力和許用剪應(yīng)力。2.剛度

零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。若零件剛度不夠，將產(chǎn)生過大的撓度或轉(zhuǎn)角而影響機(jī)器正常工作，例如若車床主軸的彈性變形過大，會(huì)影響加工精度，為了使零件具有足夠的剛度，設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足下面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：式中，y、

、

分別為零件工作時(shí)的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；[y]、[

]、[

]分別為零件的許用撓度、許用偏轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角。3.壽命

零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)械零件應(yīng)有足夠的壽命。影響零件壽命的主要因素有腐蝕、磨損和疲勞。但至今還沒有提出實(shí)用且有效的腐蝕壽命計(jì)算方法。因此也無法列出腐蝕壽命的計(jì)算準(zhǔn)則。而磨損的計(jì)算目前也沒有簡(jiǎn)單、可靠的定量計(jì)算方法。因此，只能采用條件性的計(jì)算。至于疲勞壽命，通常是算出使用壽命時(shí)的疲勞極限來作為計(jì)算的依據(jù)。

4.可靠性

零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

滿足強(qiáng)度和剛度要求的一批相同的零件，由于零件的工作應(yīng)力是隨機(jī)變量，故在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，并非所有的零件都能完成規(guī)定的功能。零件在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為該零件的可靠度?？煽慷仁呛饬苛慵ぷ骺煽啃缘囊粋€(gè)特征量。不同零件的可靠度要求是不同的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體零件的重要程度選擇適當(dāng)?shù)目煽慷取?/p>

機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1.功能要求2.安全可靠性要求3.經(jīng)濟(jì)性4.其他要求0.4機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求及程序機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序

機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求及程序

機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求及程序設(shè)計(jì)方法分類

內(nèi)插設(shè)計(jì)