第00章機(jī)設(shè)基礎(chǔ)概論

第00章機(jī)械設(shè)計(jì)概論Hewhoquestionsnothinglearnsnothing機(jī)器(Machine)—主要是指機(jī)械裝置。如電動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)床、汽車、火車、飛機(jī)、輪船、起重運(yùn)機(jī)械、冶金礦山機(jī)械、輕紡食品機(jī)械等等。機(jī)械（Machinery)——是機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱。

機(jī)械設(shè)計(jì)(MachineDesign)——即為各種機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)是為了滿足機(jī)器的某些特定功能而進(jìn)行的創(chuàng)造性過程，設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的勞動(dòng)，設(shè)計(jì)的本質(zhì)在于創(chuàng)新。本課程主要介紹機(jī)械設(shè)計(jì)中的一些基礎(chǔ)知識(shí)。內(nèi)燃機(jī)機(jī)械基礎(chǔ)課程的研究對(duì)象——機(jī)械。如：指南車破碎機(jī)帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸帶電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器聯(lián)軸器減速器索杰納火星車它是美國(guó)國(guó)家航空航天局于格林威治時(shí)間1997年7月4日17時(shí)07分發(fā)射的火星探路者號(hào)宇宙飛船成功地在火星表面著陸，該飛船攜帶了索杰納火星車，這也是一種機(jī)器。世界最小的微型機(jī)械人

World'ssmallestrobot美國(guó)山迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，成功研制了相信是世界最小的微型機(jī)械人，這微型機(jī)械人體積只有四分之一立方寸，體重小於一盎司。

“神舟五號(hào)”發(fā)射時(shí)的情景。發(fā)射塔、運(yùn)載火箭都是龐大的機(jī)器。一.機(jī)器及其類型§0-1機(jī)器的組成是完成有用的機(jī)械功或者是搬運(yùn)物品?！獛竭\(yùn)輸機(jī)、縫紉機(jī)等是用來獲得和變換信息?！娫挋C(jī)動(dòng)力機(jī)器工作機(jī)器信息機(jī)器2.機(jī)器類型是能量變換的裝置，即可將某種形式的能量變換成機(jī)械能，或者把機(jī)械能變換成其他形式的能量——電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等1.機(jī)器——是指執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換和傳遞能量、物料與信息。機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成的。如：二.機(jī)器的組成——缸體活塞連桿曲軸曲柄滑塊機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)組成凸輪推桿三.機(jī)構(gòu)及基本組成單元1.機(jī)構(gòu)——是由構(gòu)件以可動(dòng)聯(lián)接方式聯(lián)接起來，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和力的構(gòu)件系統(tǒng)。如：內(nèi)燃機(jī)中由缸體、活塞、連桿、曲軸四構(gòu)件組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)缸體（機(jī)架）活塞（滑塊）連桿曲軸（曲柄）曲軸2．基本組成單元構(gòu)件（link）——構(gòu)件是機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)單元，構(gòu)件可以是單一的整體如活塞、曲軸，也可以是由幾個(gè)零件組成的剛性結(jié)構(gòu)（如：連桿）零件（element）——是制造的單元，是不可分割的最小單元。如：連桿體、連桿蓋、軸瓦螺栓、螺母、開口銷

連桿體連桿蓋軸瓦螺栓螺母開口銷連桿機(jī)械：是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱機(jī)器：是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換或傳遞能量，物料和信息。機(jī)器由若干機(jī)構(gòu)組成。機(jī)構(gòu)：是由構(gòu)件以可動(dòng)聯(lián)接方式聯(lián)接起來，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和力的構(gòu)件系統(tǒng)。構(gòu)件：是機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)單元。構(gòu)件可以是單一的整體，也可是由幾個(gè)零件組成的鋼性結(jié)構(gòu)。如內(nèi)燃機(jī)的連桿零件：是最小的制造單元。如軸系結(jié)構(gòu)中的齒輪，軸等。結(jié)論機(jī)器的基本組成要素是構(gòu)件和零件機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別

構(gòu)件與零件的區(qū)別

§0-2機(jī)械基礎(chǔ)課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，主要介紹機(jī)械中的常用機(jī)構(gòu)和通用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。

連桿機(jī)構(gòu)常用的機(jī)構(gòu)輪系齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)一.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)主要內(nèi)容1、研究機(jī)構(gòu)的組成及具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；基本機(jī)構(gòu)的工作原理、特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)方法。齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)通用的零件設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)螺紋聯(lián)接軸鍵聯(lián)接軸承聯(lián)軸器2

、研究通用機(jī)械零部件（齒輪、蝸桿、帶傳動(dòng)，螺紋聯(lián)接，鍵聯(lián)接，軸、軸承、聯(lián)軸器）的工作原理、特點(diǎn)、選用及設(shè)計(jì)計(jì)算等。蝸桿傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)輪系鏈傳動(dòng)vv主動(dòng)輪1傳動(dòng)帶3從動(dòng)輪2n2n1α1α2帶傳動(dòng)螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接滾動(dòng)軸承半聯(lián)軸器

鍵齒輪滾動(dòng)軸承軸套筒軸系零部件設(shè)計(jì)軸鍵槽滾動(dòng)軸承聯(lián)軸器半聯(lián)軸器螺栓聯(lián)接柱銷彈性套半聯(lián)軸器二.《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的性質(zhì)與作用機(jī)械基礎(chǔ)課程是介入基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的一門設(shè)計(jì)性的技術(shù)基礎(chǔ)課。它起著呈上啟下的橋梁作用，目的是培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。三.《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的任務(wù)1．培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造性思維的方法，了解和貫徹執(zhí)行國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策；

2．掌握常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)動(dòng)特性初步具有分析和設(shè)計(jì)常用機(jī)構(gòu)的能力，并能正確設(shè)計(jì)和確定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案；3．

掌握通用機(jī)械零件的工作原理、特點(diǎn)、選用和設(shè)計(jì)計(jì)算的基本知識(shí)，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力；4．培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用各類標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、CAD及網(wǎng)絡(luò)信息等資料，對(duì)設(shè)計(jì)方案(或構(gòu)思圖)具有自我思考、判斷和決策的能力；5、為機(jī)械的創(chuàng)新和技術(shù)革新提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)。一）先修課程：機(jī)械制圖、工程力學(xué)、金屬工藝學(xué)、互換性與技術(shù)測(cè)量等。四．本課程需用到的先修課程及學(xué)習(xí)方法二）正確的學(xué)習(xí)方法：1．緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，聯(lián)系機(jī)構(gòu)及整體機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析

2．努力培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維能力和解決工程實(shí)際問題的能力。按解決工程實(shí)際問題的思維方法及創(chuàng)新模式努力培養(yǎng)和提高自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。3．把握每章的重點(diǎn)及分析處理問題的思路和基本方法。本課程中分析問題和解決問題的思路和方法，也正是解決工程實(shí)際問題中常用的的思路和方法。兩個(gè)著重、兩個(gè)不強(qiáng)調(diào)1）著重基本概念的理解和基本設(shè)計(jì)方法的掌握，不強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的理論分析；2）著重理解公式建立的前提、意義和應(yīng)用，不強(qiáng)調(diào)對(duì)公式的具體理論推導(dǎo)。2．按時(shí)、按質(zhì)、按量獨(dú)立完成課外作業(yè)，缺交作業(yè)或缺課三分之一以上者，取消考試資格；五．學(xué)習(xí)紀(jì)律及要求1．認(rèn)真聽課，做筆記，做到不遲到、不早退、不無故曠課；平時(shí)成績(jī)：上課的考勤（個(gè)人和團(tuán)體考勤相結(jié)合）、筆記、課外作業(yè)、習(xí)題討論課及實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)計(jì)入平時(shí)成績(jī)，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)30%左右。3．不談?wù)撆c課堂無關(guān)的內(nèi)容考試：不復(fù)習(xí)，考試重點(diǎn)在講課的時(shí)候給出課本：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，黃華梁江：jlhju@131632356705．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等§0-3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求、機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則一．機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1．實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的要求，工作可靠；2．經(jīng)濟(jì)性好：設(shè)計(jì)和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低\維護(hù)管理費(fèi)用少；3．操作方便，運(yùn)行安全；4．標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高：以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；二．機(jī)械零件的工作能力及計(jì)算準(zhǔn)則一）機(jī)械零件的工作能力零件的工作能力

—

是指在一定的運(yùn)動(dòng)、載荷和環(huán)境情況下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。二）機(jī)械零件的主要失效形式：過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應(yīng)力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應(yīng)力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限σB引起1．?dāng)嗔褖簼ⅰ⑦^度磨損——零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過大膠

合——

零件工作溫升△t過高引起表面疲勞損壞——零件表面接觸應(yīng)力σH過大引起3．表面失效計(jì)算準(zhǔn)則—用于計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對(duì)于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。常用的計(jì)算準(zhǔn)則有：三）機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1．強(qiáng)度準(zhǔn)則—針對(duì)零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強(qiáng)度—指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強(qiáng)度不夠，不僅因?yàn)榱慵氖箼C(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對(duì)斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對(duì)表面疲勞損壞2．剛度準(zhǔn)則

—

針對(duì)過大彈性變形剛度—指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)床正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。剛度的計(jì)算準(zhǔn)則為:y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時(shí)的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；3．耐磨性準(zhǔn)則

—

針對(duì)過度磨損、膠合破壞耐磨性—指零件在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件接觸界的抗磨損面能力。耐磨性是保證有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件正常工作的基本要求。其驗(yàn)算式為：p≤[p]—

防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞4．振動(dòng)和噪聲準(zhǔn)則

—

針對(duì)高速機(jī)械的振動(dòng)失穩(wěn)（即共振）當(dāng)零件的固有振動(dòng)頻率f等于或趨近于零件的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率fp時(shí)，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機(jī)械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動(dòng)又是產(chǎn)生噪聲的主要原因。防止共振的條件為：fp

≤0．87f或fp

≥1．18f式中，f—

零件的固有振動(dòng)頻率，取決于零件的質(zhì)量和剛度fp

—

零件受激振源作用引起的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求很多，但強(qiáng)度要求是所有零件都必須滿足的首要條件，而強(qiáng)度計(jì)算必需確定作用于零件上的載荷和應(yīng)力。一．載荷和應(yīng)力的類型一）載荷靜載荷—大小和方向均不隨時(shí)間變化的載荷變載荷—大小或方向隨時(shí)間變化的載荷靜應(yīng)力—大小和方向均不隨時(shí)間變化（或變化極緩慢）的應(yīng)力變應(yīng)力—

大小和方向，或大小或方向隨時(shí)變化的應(yīng)力

二）應(yīng)力§0-4機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算的基本知識(shí)2．變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1）變應(yīng)力參數(shù)：最大應(yīng)力：σmax

最小應(yīng)力：σmin應(yīng)力循環(huán)特征：用來表示應(yīng)力的變化情況γ=σmin/σmax2）典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征γ平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：σmaxσmσminσaσatσ圖1-5應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：γ=+1變應(yīng)力特例b）非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力γ在（+1～-1）間變化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常數(shù)c）對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力γ=-1σtσaσmaxσmind）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力γ=0σtσaσaσmaxσm二．機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算一）零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、塑性變形變應(yīng)力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。

1．零件失效形式2．零件強(qiáng)度條件式：σ≤[σ]=σlim

/S

材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)二）極限應(yīng)力及安全系數(shù)確定方法脆性材料制造的零件：σlim=σb

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力

2．變應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力

——σlim=σγN疲勞極限1）疲勞極限σγN

—在給定應(yīng)力循環(huán)特征γ的條件下，經(jīng)過N次循環(huán)后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力。

2）疲勞極限σγN的決定——用疲勞曲線求得3）疲勞曲線——表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σγN間的關(guān)系曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞極限σγN圖1-6疲勞曲線無限壽命區(qū)σγ有限壽命區(qū)N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ圖中：N1、N2…N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60n

th

ɑ每轉(zhuǎn)受栽次數(shù)使用壽命（h）σγN1、σγN2…σγN—對(duì)應(yīng)于N1、N2…N時(shí)材料有限壽命疲勞極限N0——應(yīng)力循環(huán)基數(shù)，材料試驗(yàn)時(shí)規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N0的具體數(shù)值隨材料性質(zhì)不同而變化，如中低碳鋼通常取N0=106～107。σγ—疲勞極限（或稱持久疲勞極限），是對(duì)應(yīng)于N0時(shí)的疲勞極限。σ-1、σ0、σ+1均可由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中根據(jù)材料牌號(hào)查出。轉(zhuǎn)速（r/min）σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ無限壽命區(qū)有限壽命區(qū)σγN04）用疲勞曲線求取疲勞極限σγN的方法有限壽命區(qū)（N＜N0)疲勞曲線方程：σmrNnNn

=σmγN=C無限壽命區(qū)（N≥N0）疲勞曲線方程：σγN=σγ

疲勞極限：kN=1，σγN=σγ疲勞極限:kN—壽命系數(shù)三）安全系數(shù)S安全系數(shù)的取值對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作的可靠性均有影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)零件的重要性、零件材料的質(zhì)量、栽荷計(jì)算的準(zhǔn)確性等方面，合理選取，具體數(shù)值可參考設(shè)計(jì)資料。本章內(nèi)容小結(jié)

機(jī)器—由機(jī)構(gòu)和零件組成，能