機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概論

1、9第一章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概論【教學(xué)內(nèi)容】：機(jī)器的組成及概念；機(jī)器和機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本知識及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法;本課程的性質(zhì)、內(nèi)容、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法等。【基本要求】：明確本課程研究的對象和內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法；掌握機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件等概念的含義；了解機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化?！窘虒W(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件等；機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則?！窘虒W(xué)方法:講授法多媒體教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教室現(xiàn)場教學(xué)【學(xué)時(shí)課堂教學(xué)：2學(xué)時(shí)；第一節(jié)機(jī)械工業(yè)發(fā)展概況（略）第二節(jié)機(jī)器的組成一、機(jī)器的組成1、機(jī)器和機(jī)構(gòu)機(jī)器凡能實(shí)現(xiàn)確定的機(jī)械運(yùn)動，又能作有用的機(jī)械功或完成能量、物料與

2、信息轉(zhuǎn)換和傳遞的裝置就稱為機(jī)器。機(jī)構(gòu)一一一種用來傳遞運(yùn)動和動力的可動的裝置。機(jī)器和機(jī)構(gòu)最明顯的區(qū)別是：機(jī)器能作有用功，而機(jī)構(gòu)不能，機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動。兩者之間也有聯(lián)系，機(jī)器是由幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡單的機(jī)器只有一個(gè)機(jī)構(gòu)。機(jī)械機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。2、構(gòu)件和零件構(gòu)件一一組成機(jī)器的各個(gè)相對運(yùn)動的單元稱為構(gòu)件，構(gòu)件是運(yùn)動的單元體。零件一一機(jī)械中不可拆的制造單元體。構(gòu)件可以是單一零件，也可以是多個(gè)零件的組合體。構(gòu)件是從研究機(jī)械運(yùn)動觀點(diǎn)來看,零件是從機(jī)械制造方面來看。通用零件：螺釘、齒輪、軸、軸承、彈簧等專用零件：內(nèi)燃機(jī)曲軸、活塞等。機(jī)械（器）構(gòu)成層次關(guān)系：零件靜聯(lián)結(jié)動聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)機(jī)器例：內(nèi)燃機(jī)分析3

3、、機(jī)器的分類：機(jī)器種類較多，根據(jù)用途不同，可分為：1）動力機(jī)器如：電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、液壓機(jī)，主要用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。2）工作機(jī)器如：軋鋼機(jī)、包裝機(jī)及各類機(jī)床、汽車、飛機(jī)、輪船、運(yùn)輸機(jī)，主要用來完成有用機(jī)械功（搬運(yùn)物品、變換物料）。3）信息機(jī)器如：復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、攝像機(jī)，主要用來獲取或處理信息。4、機(jī)器的組成部分：機(jī)器的組成如下:、本課程研究的主要內(nèi)容1、各種常用機(jī)構(gòu)及機(jī)器動力學(xué)的基本知識；2、通用零件的工作原理的工作原理、設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法；3、扼要介紹國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)范。第三節(jié)機(jī)器應(yīng)滿足的要求和設(shè)計(jì)制造程序一、機(jī)器應(yīng)滿足的要求1、使用要求2、經(jīng)濟(jì)性要求3、社會要求4、可靠性要求5、

4、其他特殊要求、機(jī)器設(shè)計(jì)、制造的一般程序（一）可行性研究階段（二）方案設(shè)計(jì)階段（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段（四）施工設(shè)計(jì)階段（五）樣機(jī)試制階段（六）投產(chǎn)銷售階段第四節(jié)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本知識一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則失效的概念：機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的性能時(shí)，稱為失效。主要失效形式：破壞性失效、暫時(shí)性失效（一）強(qiáng)度1、體積強(qiáng)度強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機(jī)械零件的強(qiáng)度準(zhǔn)則有兩種表示方法：1）用應(yīng)力表示2）用安全系數(shù)表示SSIS=limCTI； Isl-其大小表式中：仃一最大計(jì)算應(yīng)力；bL許用應(yīng)力；Olim極限應(yīng)力；S計(jì)算安全系許用安全系數(shù)；注：對于切應(yīng)力，只須將上述

5、各公式中的仃換成T即可。對于一個(gè)具體的機(jī)械零件而言，兩差值h仃和S-S】可稱為安全裕度。示零件安全的程度。當(dāng)計(jì)算應(yīng)力。相同時(shí)，&越大，則越安全。I當(dāng)許用應(yīng)力k】相同時(shí)，仃越大，則越安全。2、表面強(qiáng)度1）表面擠壓強(qiáng)度仃p表不。當(dāng)兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為:仃pwOp擠壓應(yīng)力過大時(shí)，接觸面將產(chǎn)生“壓潰”失效。相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。2）表面接觸疲勞強(qiáng)度對于高副接觸的機(jī)械零件，理論上是點(diǎn)、線接觸，但實(shí)際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點(diǎn)、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處局部會產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的

6、應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用aH表示。實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的，例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度條件為：仃HWH在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下，首先在金屬表面上形成很小的微裂紋，之后裂紋沿著與表面成銳角的方向發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金屬剝落下來，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕（簡稱點(diǎn)蝕）。點(diǎn)蝕是接觸應(yīng)力作用下的失效形式，屬于疲勞破壞。點(diǎn)蝕的危害：（1） 破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。（2） 減小零件的有效工作面積。（二）剛度剛度是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變

7、形的能力。如果零件的剛度不足，則有的零件會因?yàn)楫a(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機(jī)床的主軸如產(chǎn)生過大的彈性變性會影響所加工工件的精度；剛度條件為：實(shí)際變形量w許用變形量式中：實(shí)際變形量可用相關(guān)理論計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)方法確定。許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。注意：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。2）用合金鋼的代替碳鋼雖能提高零件的強(qiáng)度，但不能提高零件的剛度。（三）耐磨性耐磨性零件抗磨損的能力稱為耐磨性在滑動摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因?yàn)檫^度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對于磨損失效還沒有一個(gè)完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條件性計(jì)算，通過限制影響磨損的主要條

8、件防止產(chǎn)生過大的磨損量。為防止產(chǎn)生過大的磨損應(yīng)滿以下條件：壓強(qiáng)不超過許用值p1.15f式中：f零件的自激振動頻率fF外力變化的頻率.二、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度（一）應(yīng)力的類型和特點(diǎn)應(yīng)力的種類一一靜應(yīng)力一一變應(yīng)力：周期性非周期性靜應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)變應(yīng)力的參數(shù)：bmax、bmin、ba、bm、r、T各參數(shù)之間的關(guān)系：（二）疲勞斷裂的特征和疲勞曲線1、疲勞斷裂：很多機(jī)械零件受變應(yīng)力作用，即使變應(yīng)力的0maxNa時(shí)，曲線為水平直線，對應(yīng)的疲勞極限是一個(gè)定值，用仃表示。它是表征材料疲勞強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是疲勞設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。在工程設(shè)計(jì)中，一般可以認(rèn)為：當(dāng)材料受到的應(yīng)力不超過仃y時(shí)

9、，則可以經(jīng)受無限次的應(yīng)力循環(huán)而不疲勞破壞。一一即壽命是無限的。2）有限壽命區(qū)：為了區(qū)別于仃y,把曲線上非水平段（NNO的疲勞極限仃網(wǎng)稱為條件疲勞極限。當(dāng)材料受到的工作應(yīng)力超過仃時(shí)，在疲勞破壞之前，只能經(jīng)受有限次的應(yīng)力循環(huán)。即壽命是有限的。（注：不同應(yīng)力比r時(shí)的疲勞曲線具有相似的形狀。但r越大，仃卬越大）。：rT仃如T、-N一-N注：大多數(shù)鋼的疲勞曲線形狀類似上圖所示。但是，高強(qiáng)度合金鋼和有色金屬的（仃-N）曲線沒有水平部分，不存在無限壽命區(qū)，因此，工程上常以認(rèn)為規(guī)定一個(gè)循環(huán)基數(shù)n0，而將此基數(shù)N。下的條件疲勞極限作為表征材料疲勞強(qiáng)度的基本指標(biāo)。也記為仃三、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟：1）根據(jù)零件的

10、使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)；2）根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇合適的材料及熱處理方法；3）根據(jù)機(jī)器的工作要求，確定作用在零件上的載荷；4）根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，計(jì)算零件的主要參數(shù)和尺寸；5）根據(jù)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化等原則，進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；6）仔細(xì)校核，判斷結(jié)構(gòu)的合理性；7）繪制零件工作圖及編寫有關(guān)說明。四、機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地遵循標(biāo)準(zhǔn)化的原則。機(jī)械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化等三方面，簡稱機(jī)械產(chǎn)品的“三化”。標(biāo)準(zhǔn)化是對機(jī)械零件的種類、尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、公差配合及制圖規(guī)范等制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計(jì)、制

11、造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、墊圈等的標(biāo)準(zhǔn)化。系列化是指產(chǎn)品按主要參數(shù)分檔，形成一定系列的產(chǎn)品，這樣可用較少規(guī)格的產(chǎn)品滿足不同的需要，如圓柱齒輪減速器系列，系列化是標(biāo)準(zhǔn)化的重要組成部分。通用化是對不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中盡量采用相同的零件或部件，如幾種類型不同的轎車可以采用相同的輪胎。通用化是廣義的標(biāo)準(zhǔn)化。對產(chǎn)品實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化具有重大的意義： 在制造上可以實(shí)行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量又能降低成本； 在設(shè)計(jì)方面可減少設(shè)計(jì)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期； 在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換損壞的零件。五、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方案簡介第五節(jié)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性一、工藝性設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，不僅應(yīng)使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足生產(chǎn)要求，使所設(shè)計(jì)的零件具有良好的工藝性在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費(fèi)勞動量最小，加工費(fèi)用最少(工時(shí)少、設(shè)備少)的零件，就認(rèn)為具有良好的工藝性。否則就可能制造不出來，或雖能制造但費(fèi)工費(fèi)料很不經(jīng)濟(jì)。工藝性要求包括加工工藝和裝配工藝二、工藝性的基本要求1) 毛坯選擇合理機(jī)械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技術(shù)條件有關(guān)，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。2) 結(jié)構(gòu)簡單合理設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)形狀時(shí)，最好采