第一章 機械設計概論

1、機機械械設設計計 基基 礎礎教材：教材：機械設計基礎機械設計基礎主編主編: :李良軍李良軍出版社：高等教育出版社，出版社：高等教育出版社，20072007 主講：任亨斌主講：任亨斌 主要參考書目：主要參考書目：1 1汪信遠汪信遠主編主編，機械設計基礎，機械設計基礎， 北京北京: : 高等教育出版社高等教育出版社, 2002, 20022 2程光蘊程光蘊主編，主編，機械設計基礎學習指導書機械設計基礎學習指導書， 北京北京: : 高等教育出版社高等教育出版社, 1999.6, 1999.63 3 楊家軍，張衛(wèi)國楊家軍，張衛(wèi)國主編，機械設計基礎主編，機械設計基礎 ， 武漢武漢: : 華中理工大學出版

2、社華中理工大學出版社, 2002, 20024 陳國定陳國定主編，主編， 機械設計基礎機械設計基礎 北京北京: 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社, 2005第一章第一章 機械設計概論機械設計概論 機械機械是機器與機構的統(tǒng)稱是機器與機構的統(tǒng)稱 。一、機器及其特征一、機器及其特征 實例一實例一內燃機內燃機 實例二實例二機器人機器人 實例三實例三 工件自動載送裝置工件自動載送裝置人造的實物組合體（不是天然形成的）人造的實物組合體（不是天然形成的） ；-結構觀點結構觀點各部分有確定的相對運動；各部分有確定的相對運動；-運動觀點運動觀點代替或減輕人類勞動完成有用的機械功或實代替或減輕人類勞動完成有用的機械功

3、或實現能量的轉換、提供或轉換信息現能量的轉換、提供或轉換信息 。- -能量觀點能量觀點 通常把能實現確定的機械運動，又能做有用通常把能實現確定的機械運動，又能做有用的機械功或實現能量、物料、信息的傳遞與變換的機械功或實現能量、物料、信息的傳遞與變換的裝置稱為機器的裝置稱為機器 。1.1.機器的特征機器的特征2.2.機器的分類機器的分類 根據所能實現的功能的不同，機器可以分為三類：根據所能實現的功能的不同，機器可以分為三類： 工作機器工作機器 實現對物料的某種工作或工藝過程，完實現對物料的某種工作或工藝過程，完成有用的機械功。成有用的機械功。 動力機器動力機器 實現其它種類的能量與機械能之間的轉

4、實現其它種類的能量與機械能之間的轉換，如內燃機、汽輪機、電動機、發(fā)電換，如內燃機、汽輪機、電動機、發(fā)電機、壓氣機、渦輪機等。機、壓氣機、渦輪機等。 信息機器信息機器 實現其它形式的信息（如電磁、熱、壓實現其它形式的信息（如電磁、熱、壓力、變形等）與機械運動信息之間的傳力、變形等）與機械運動信息之間的傳遞與轉換，如各種計量裝置、檢測裝置、遞與轉換，如各種計量裝置、檢測裝置、復印機、打印機、繪圖機等。復印機、打印機、繪圖機等。 二、機器的功能組成二、機器的功能組成 驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)：機械動力的來源機械動力的來源 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)：能完成機械預期的動作能完成機械預期的動作 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)：把原動機

5、的運動和功率傳遞給工作機的中間環(huán)節(jié)把原動機的運動和功率傳遞給工作機的中間環(huán)節(jié) 控制系統(tǒng)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：就其功能而言，一臺完整的機器通常由四部分組成： 驅動系統(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、機構的結構組成三、機器、機構的結構組成 人造的實物組合體（不是天然形成的）人造的實物組合體（不是天然形成的） ；-結構觀點結構觀點各部分有確定的相對運動；各部分有確定的相對運動；-運動觀點運動觀點只能實現運動和力的傳遞與變換的裝置稱為機構。只能實現運動和力的傳遞與變換的裝置稱為機構。 1.1.機構的特征機構的特征組成機械的各

6、相對運動實體稱為構件。構件即組成機械的各相對運動實體稱為構件。構件即為機械中的為機械中的運動單元運動單元。 3.3.構件的組成構件的組成零件零件實例實例：內燃機連桿內燃機連桿2.2.機構的組成機構的組成 構件構件組成機械的組成機械的基本制造單元基本制造單元稱為零件稱為零件 。零件分為零件分為通用零件通用零件和和專用零件專用零件。 通用零件通用零件包括：包括：齒輪、螺栓、鍵、花鍵、銷、聯軸器、離合器；齒輪、螺栓、鍵、花鍵、銷、聯軸器、離合器；滾動軸承、滑動軸承等。滾動軸承、滑動軸承等。 專用零件專用零件例如：葉片、犁鏵、槍栓等。例如：葉片、犁鏵、槍栓等。注：通用零件是本課程的主要學習對象，而專用

7、零件注：通用零件是本課程的主要學習對象，而專用零件的設計方法應在有關專業(yè)課中學習。的設計方法應在有關專業(yè)課中學習。4.4.機器和機構的區(qū)別機器和機構的區(qū)別機器能作有用功，而機構不能，機構僅機器能作有用功，而機構不能，機構僅能實現預能實現預期的機械運動期的機械運動。兩者之間也有兩者之間也有聯系聯系，機器是由若干個機構組成，機器是由若干個機構組成的系統(tǒng)，最簡單的機器只有一個機構。的系統(tǒng)，最簡單的機器只有一個機構。零件零件構件構件機構機構機器機器小結小結: :四、四、 本課程的內容、地位和任務本課程的內容、地位和任務通用零部件通用零部件工作原理工作原理結構特點結構特點設計計算設計計算常用機構常用機構

8、運動特性運動特性動力特性動力特性設計計算設計計算2.2.本課程的地位本課程的地位是一門培養(yǎng)學生具有機械設計能力的是一門培養(yǎng)學生具有機械設計能力的技術基礎課技術基礎課。1.1.本課程的本課程的內容內容3.3.本課程的任務：本課程的任務：（1）認識和了解機械系統(tǒng)的組成與結構、機械系統(tǒng)認識和了解機械系統(tǒng)的組成與結構、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。的功能和工作原理，能正確選擇和使用通用機械。 （2）了解機械設計的基本要求，基本內容、一般程了解機械設計的基本要求，基本內容、一般程序，掌握常用機構的結構、運動特性，初步具備分析序，掌握常用機構的結構、運動特性，初步具備分析和設計常用機

9、構的能力。和設計常用機構的能力。 （3）掌握通用機械零件的工作原理、結構特點、設掌握通用機械零件的工作原理、結構特點、設計計算和維護等基本知識，并初步具有設計簡單機械計計算和維護等基本知識，并初步具有設計簡單機械及常用機械傳動裝置的能力。及常用機械傳動裝置的能力。 （4）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關技術具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力資料的能力 。1 1機械設計的基本要求機械設計的基本要求二、機械零件設計的基本要求二、機械零件設計的基本要求1.1.強度強度2.2.剛度剛度3.3.耐磨性耐磨性4.4.耐熱性耐熱性機器設計的一般程序機器設計的一般程序 市場調市場調研研可行

10、性可行性研究研究原理原理方案方案設計設計技 術技 術設設 計計試制試制試驗試驗小批生小批生產試銷產試銷投投產產設設計計任任務務書書定定出出最最佳佳方方案案裝配圖、裝配圖、零件圖、零件圖、技術文件技術文件樣樣機機評評價價改改進進考核考核工藝工藝性收性收集用集用戶意戶意見見產產品品銷銷售售三、機械設計的一般程序三、機械設計的一般程序 四、機械設計現代設計方法簡介四、機械設計現代設計方法簡介1.1.計算機輔助設計計算機輔助設計 2.2.優(yōu)化設計優(yōu)化設計 3.3.可靠性設計可靠性設計 4.4.模塊化設計模塊化設計 5.5.并行設計并行設計 一、一、載荷和應力分類載荷和應力分類靜載荷靜載荷變載荷變載荷載

11、荷載荷名義載荷名義載荷計算載荷計算載荷載荷載荷2.2.應力分類應力分類零件單位面積上所受的力稱為應力。零件單位面積上所受的力稱為應力。1.1.載荷分類載荷分類不穩(wěn)定循環(huán)變應力不穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力靜應力靜應力變應力變應力應力應力隨機變應力隨機變應力脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力3.3.穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力的的基本參數基本參數 ammaxmintO2minmaxm 2minmaxa axminmr （1）平均應力）平均應力（2）應力幅）應力幅（3）循環(huán)特性）循環(huán)特性T4.4.穩(wěn)定循環(huán)應力的穩(wěn)定循環(huán)應力的3 3

12、種類型種類型（1 1）非對稱循環(huán)）非對稱循環(huán)定義定義minmax 循環(huán)特性循環(huán)特性 1,1r ammaxminTtO（2）對稱循環(huán)）對稱循環(huán)minmax 定義定義循環(huán)特性循環(huán)特性1r amaxminTtO（3）脈動循環(huán)）脈動循環(huán)0 min 定義定義循環(huán)特性循環(huán)特性0r amaxmTtO變應力可能由變載荷產生，也可能由靜載荷產生。變應力可能由變載荷產生，也可能由靜載荷產生。注意注意：失效：失效：機械零件由于某些原因不能正常工作。機械零件由于某些原因不能正常工作。 二、工作能力計算準則二、工作能力計算準則失效形式：失效形式：斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、疲斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、疲勞點蝕

13、、磨損、壓潰等。勞點蝕、磨損、壓潰等。工作能力計算準則：工作能力計算準則：1.強度準則強度準則2.剛度準則剛度準則3.壽命準則壽命準則4.散熱準則散熱準則 yy 許用應力：許用應力：零件設計的最大條件應力。零件設計的最大條件應力。 Slim 三、許用應力和安全系數三、許用應力和安全系數1.1.極限應力：極限應力：脆性材料：脆性材料： limlim 為強度極限為強度極限b b（1 1）靜應力：）靜應力：失效形式為斷裂或塑性變形。失效形式為斷裂或塑性變形。塑性材料：塑性材料： limlim 為屈服極限為屈服極限 s s（2）變應力：）變應力：失效形式為疲勞破壞。失效形式為疲勞破壞。lim 為疲勞極

14、限為疲勞極限r（如（如-1、0）rNrNON0NN0循環(huán)基數循環(huán)基數2.安全系數安全系數查表法查表法計算法計算法一、常用工程材料簡介一、常用工程材料簡介 1.1.鋼鋼 含碳量小于含碳量小于2的鐵碳合金稱為鋼。的鐵碳合金稱為鋼。 按用途分：按用途分：按化學成份分：按化學成份分：鋼的分類：鋼的分類：結構鋼結構鋼工具鋼工具鋼特種鋼特種鋼碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼低碳鋼低碳鋼中碳鋼中碳鋼高碳鋼高碳鋼在機械中常用鋼種：在機械中常用鋼種： （2）優(yōu)質碳素結構鋼：）優(yōu)質碳素結構鋼：4545，用于制造較重要的機械，用于制造較重要的機械零件，是機械制造中廣泛應用的鋼種。零件，是機械制造中廣泛應用的鋼種。 （3）合

15、金結構鋼：）合金結構鋼：40Cr40Cr，應用制造重要的或有特，應用制造重要的或有特殊要求的機械零件。殊要求的機械零件。 （4）鑄鋼：）鑄鋼：ZG230-450ZG230-450 （1）碳素結構鋼：）碳素結構鋼： 用于制造一般要求的零件。用于制造一般要求的零件。 AQ235鋼的力學性能：鋼的力學性能：b s 、2.鑄鐵鑄鐵 含碳量大于含碳量大于2的鐵碳合金稱為鑄鐵。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、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。球墨鑄鐵。 （1）灰鑄鐵

16、）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。灰色而得名。灰鑄鐵常用來制造箱體件。 200HT（2）球墨鑄鐵）球墨鑄鐵 球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵經球化處理后有的機械性能比鋼還好，所以常用來制造經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。齒輪、曲柄、連桿、閥體等。 3600 QT3.有色金屬合金有色金屬合金 在金屬中，除了鑄鐵、鋼、黑色金屬外，其它的金在金屬中，除了鑄鐵、鋼、黑色金屬外，其它的金屬則為有色金屬。這

17、類金屬具有很多特殊的性能，即良屬則為有色金屬。這類金屬具有很多特殊的性能，即良好的導電性、導熱性、耐蝕性和減磨性等，因此也具有好的導電性、導熱性、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。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。常用的有色金屬有黃銅、青銅和軸承合金。 4.非金屬材料非金屬材料 在非金屬材料中，最常用的是橡膠，它的彈性好，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。彈簧等。 二、金屬材料的熱處理二、金屬材

18、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，以改變其內部組織結構，從而獲得不同的冷卻方式，以改變其內部組織結構，從而獲得所需性能的一種工藝方法。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、常用的熱處理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面熱處理等。表面熱處理等。 名名 稱稱說說 明明應應 用用退退 火火退火是將鋼件（或毛坯）加熱到臨界溫度退火是將鋼件（或毛坯）加熱到臨界溫度（一般為（一般為723）以上）以上3050，保溫一段，保溫一段時間，然后隨爐一起緩慢冷卻時間，然后隨爐一起緩慢冷卻消除鍛、鑄、焊的零

19、、構件的內應力；降消除鍛、鑄、焊的零、構件的內應力；降低硬度使其易于切削加工；細化品粒，調低硬度使其易于切削加工；細化品粒，調整組織改善機械性能整組織改善機械性能正正 火火正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫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，冷卻速度一段時間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火快比退火快處理低、中碳鋼及滲碳零件，作用與退火處理低、中碳鋼及滲碳零件，作用與退火類似類似淬淬 火火淬火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫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）急冷下來材料在空氣中

20、）急冷下來提高鋼件的硬度和強度，但淬火后鋼材性提高鋼件的硬度和強度，但淬火后鋼材性能變脆，并存在著很大內應力，所以還需能變脆，并存在著很大內應力，所以還需要進行低溫回火要進行低溫回火回回 火火回火是將淬硬的鋼件再加熱到臨界點以下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，然后在空氣中或的溫度，保溫一段時間，然后在空氣中或油中冷卻下來。根據回火溫度不同，又分油中冷卻下來。根據回火溫度不同，又分低溫（低溫（150250）回火、中溫（）回火、中溫（300500）回火、高溫（）回火、高溫（500650）回火）回火消除淬火后的脆性和內應力，提高鋼件的消除淬火后的脆性和內應力，提高鋼件的塑性

21、和韌性，低溫回火硬度可達塑性和韌性，低溫回火硬度可達HRC5562，中溫回火硬度可達，中溫回火硬度可達HRC3545，高溫，高溫回火硬度可達回火硬度可達HRC2335調調 質質淬火后再進行高溫回火，稱為調質淬火后再進行高溫回火，稱為調質使鋼件獲得較高的韌性和強度。很多中碳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）常用調質處理鋼制造的零件（如軸類）常用調質處理表面淬表面淬火火使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部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。根據加熱方法不保持原有的強度和韌性。根據加熱方法不同，分為火焰表面淬火和高頻表面淬火同，分為火焰表面淬火和高頻表面

22、淬火表面淬火常用來處理齒輪、花鍵等零件表面淬火常用來處理齒輪、花鍵等零件滲滲 碳碳將低碳鋼或合金鋼零件置于滲碳劑中，加將低碳鋼或合金鋼零件置于滲碳劑中，加熱到熱到900950保溫，使碳原子滲入鋼的保溫，使碳原子滲入鋼的表面層，然后再淬火和回火表面層，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、保持較好的韌性和塑性，多用于重載荷、受沖擊、耐磨的零件受沖擊、耐磨的零件三、材料選擇的基本原則三、材料選擇的基本原則 1.1.使用要求使用要求 （1 1）機械性能方面的要求。）機械性能方面的要求。 （2 2）物理性能方面的要求

23、。）物理性能方面的要求。 （3 3）化學性能方面的要求。）化學性能方面的要求。 2.2.工藝要求工藝要求 3 3經濟要求經濟要求 本課程的特點和學習方法本課程的特點和學習方法 本課程的幾個特點：本課程的幾個特點： 涉及面廣涉及面廣 關系多關系多因與諸多先修課關系密切。因與諸多先修課關系密切。 要求多要求多強度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經濟性。強度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經濟性。 公式多公式多計算多，有解析式、半解析式、經驗的、半經驗的及定義式。計算多，有解析式、半解析式、經驗的、半經驗的及定義式。 圖表多圖表多結構圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線圖、標準、經驗數表。結構圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線圖、標準、經驗數表。 門類多門類多各類零件，各有特點，設計方法各異。各類零件，各有特點，設計方法各異。 實踐性強實踐性強不僅讀懂書就行，要多聯系實際，要注重實踐性環(huán)