機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第1章概論學(xué)習(xí)導(dǎo)航知識(shí)目標(biāo)：能力目標(biāo)：了解本課程的研究對(duì)象。掌握零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。掌握零件設(shè)計(jì)的一般步驟。掌握及其與機(jī)構(gòu)的特征。會(huì)判斷構(gòu)件、零件和部位。認(rèn)知機(jī)械零件常見(jiàn)的失效形式。2第1章概論機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是研究機(jī)械類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、改造，一滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需求的基礎(chǔ)知識(shí)課程。機(jī)械設(shè)計(jì)工作設(shè)計(jì)工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。一臺(tái)新的設(shè)備在設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定工作原理及合理的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、強(qiáng)度、剛度分析，完成圖樣設(shè)計(jì)，還要研究在制造、銷售、使用以及售后服務(wù)等方面的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員除必須具有機(jī)械設(shè)計(jì)及與機(jī)械設(shè)計(jì)先關(guān)的深厚的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)外，還要有飽滿的創(chuàng)造熱情。3第1章概論4第1章概論

1.1本課程的研究對(duì)象、主要內(nèi)容及任務(wù)

1.2機(jī)械零件的常用材料與結(jié)構(gòu)工藝性

1.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及步驟

1.4當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的新發(fā)展51.1本課程的研究對(duì)象、主要內(nèi)容及任務(wù)學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容及主要任務(wù)。掌握機(jī)器和機(jī)構(gòu)的主要特征。1.1.1本課程的研究對(duì)象1.1.2本課程研究的主要內(nèi)容1.1.3本課程的主要任務(wù)61.1.1本課程的研究對(duì)象在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程和日常生活中，機(jī)器起著非常重要的作用。機(jī)器在輕工、化工、冶金、礦由、筑路、工程、機(jī)械制造、運(yùn)輸、航天、核能、農(nóng)業(yè)及家用等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用；生產(chǎn)技術(shù)的種類很多，其中機(jī)器的應(yīng)用及發(fā)展程度是國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一；本課程是一門(mén)研究機(jī)械,具體研究機(jī)器或機(jī)構(gòu)的原理、特性、設(shè)計(jì)計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)課程。71.1.1本課程的研究對(duì)象機(jī)架曲軸連桿活塞進(jìn)氣閥排氣閥推桿凸輪大齒輪小齒輪動(dòng)畫(huà)單缸內(nèi)燃機(jī)81.1.1本課程的研究對(duì)象

機(jī)器的主要特征：

1.它們都是人為實(shí)體（構(gòu)件）的組合。

2.各個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)體（構(gòu)件）之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3.能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人類完成有用的機(jī)械功。構(gòu)件所謂構(gòu)件，是指機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)單元。它可以是單一的零件，也可以是幾個(gè)零件聯(lián)接而成的運(yùn)動(dòng)單元。

零件是組成機(jī)器的最小制造單元。91.1.1本課程的研究對(duì)象凸輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)

如圖所示的齒輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是把高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榈退俎D(zhuǎn)動(dòng)或者相反。如圖所示的凸輪機(jī)構(gòu)，它利用凸輪的輪廓曲線使從動(dòng)件做周期性的有規(guī)律的移動(dòng)或擺動(dòng)。101.1.1本課程的研究對(duì)象機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的主要特征是:

(1)它們都是人為實(shí)體（構(gòu)件）的組合;

(2)各個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)體之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析，機(jī)器機(jī)構(gòu)之間并無(wú)區(qū)別，都是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各種實(shí)物的組合，所以，通常將機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為機(jī)械。111.1.1本課程的研究對(duì)象

根據(jù)功能的不同，一部完整的機(jī)器由以下四部分組成：

1.原動(dòng)部分：機(jī)器的動(dòng)力來(lái)源。

2.工作部分：完成工作任務(wù)的部分。

3.傳動(dòng)部分：把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給工作機(jī)。

4.控制部分：使機(jī)器的原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、工作部分按一定的順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)，完成給定的工作循環(huán)。根據(jù)用途不同，機(jī)械可分為：

(1)動(dòng)力機(jī)械實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與其他形式能量間的轉(zhuǎn)換。

(2)加工機(jī)械改變物料的結(jié)構(gòu)形狀、性質(zhì)及狀態(tài)。

(3)運(yùn)輸機(jī)械改變?nèi)嘶蛭锪系目臻g位置。

(4)信息機(jī)械獲取或處理各種信息。121.1.2本課程研究的主要內(nèi)容本課程作為機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要介紹機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)的工作原理、運(yùn)動(dòng)特性、通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法以及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本課程研究的主要內(nèi)容如下：

(1)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和自由度計(jì)算。

(2)平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等的組成原理、運(yùn)動(dòng)分析及設(shè)計(jì)。

(3)各種聯(lián)接零件(如螺紋聯(lián)接、鍵銷聯(lián)接等)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)選擇。

(4)各種傳動(dòng)零件(如帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等)的設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇。

(5)軸系零件(如軸、軸承等)的設(shè)計(jì)計(jì)算及軸承參數(shù)類型選擇。131.1.3本課程的主要任務(wù)

(1)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)問(wèn)題，掌握通用機(jī)械零件的工作原理、特點(diǎn)、選用及計(jì)算方法，初步具有分析失效原因和提高改進(jìn)措施的能力。

(2)培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)部件和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力。

(3)學(xué)會(huì)使用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等設(shè)計(jì)資料。本課程的性質(zhì)與過(guò)去所學(xué)的基礎(chǔ)課程有所不同，思路上有其明顯特點(diǎn)，學(xué)生往往不能很快適應(yīng)而影響學(xué)習(xí)效果，因此在學(xué)習(xí)中學(xué)生要盡快掌握本課程的特點(diǎn)和分析、解決問(wèn)題的方法，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。14

1.2機(jī)械零件的常用材料與結(jié)構(gòu)工藝性學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解機(jī)械零件的常用材料及選擇原則。了解機(jī)械零件的加工工藝性和結(jié)構(gòu)工藝性。1.2.1機(jī)械零件的常用材料1.2.2材料的選擇原則1.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性151.2.1機(jī)械零件的常用材料

機(jī)械零件常用材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復(fù)合材料。其中，碳素結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵應(yīng)用最廣。材料分類應(yīng)用舉例或說(shuō)明鋼碳素鋼低碳鋼(含碳量≤25%)鉚釘、螺釘、連桿、滲碳零件等中碳鋼(含碳量為0.25%~0.60%)齒輪、軸、蝸桿、絲杠、連接件等高碳鋼(含碳量≥0.60%)彈簧、工具、模具等合金鋼低合金鋼(合金元素含量≤5%)較重要的鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件、滲碳零件、壓力容器等中合金鋼(合金元素含量為5%~10%)飛機(jī)構(gòu)件、熱檄鍛模具、沖頭等高合金鋼(合金元素含量≥10%)航空工業(yè)蜂窩結(jié)構(gòu)、液體火箭殼體、核動(dòng)力裝置、彈簧等161.2.1機(jī)械零件的常用材料

機(jī)械零件常用材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復(fù)合材料。其中，碳素結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵應(yīng)用最廣。材料分類應(yīng)用舉例或說(shuō)明鑄鐵灰鑄鐵HT低牌號(hào)(HT100,HT150)對(duì)力學(xué)性能無(wú)一定要求的零件，如蓋、底座、乎輪、機(jī)床床身等高牌號(hào)(HT200~HT400)承受中等靜載的零件，如機(jī)身、底座、泵殼、齒輪、聯(lián)軸器、飛輪、帶輪等可鍛鑄鐵KT鐵素體型承受低、中、高動(dòng)載荷和靜載荷的零件，如差速器殼、犁刀、扳手、支座、彎頭等珠光體型要求強(qiáng)度和耐磨性較高的零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、活塞環(huán)、軸套、犁刀等球墨鑄鐵QT鐵素體型與可鍛鑄鐵基本相同珠光體型171.2.1機(jī)械零件的常用材料

機(jī)械零件常用材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復(fù)合材料。其中，碳素結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵應(yīng)用最廣。材料分類應(yīng)用舉例或說(shuō)明銅合金鑄造銅合金鑄造黃銅用于軸瓦、襯套閥體、船舶零件、耐腐蝕零們管接頭等鑄造青銅用于軸瓦、蝸輪、絲杠螺母、葉輪、管配件等軸承合金錫基軸承合金用于軸承襯，其摩擦系數(shù)低，減摩性、抗膠合性、磨合性、耐蝕性、韌度、導(dǎo)熱性均良好鉛基軸承合金強(qiáng)度、韌度和耐蝕性稍差，但價(jià)格較低塑料熱塑性塑料(如聚乙烯、有機(jī)玻璃、尼龍等)熱固性塑料(如酚醛塑料、氨基塑料等)用于一般結(jié)構(gòu)零件，減摩、耐腐蝕件、絕緣件、密封件、耐磨零件，傳動(dòng)件、透明件等橡膠通用橡膠特種橡膠用于密封件，減振、軟管、絕緣材料、輪胎防振件，傳動(dòng)帶、運(yùn)輸帶和、膠輥、化工襯里等181.2.2材料的選擇原則

合理選擇材料是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。選擇材料首先必須保證零件在使用過(guò)程中具有良好的工作能力，同時(shí)還要考慮其加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。滿足使用性能要求1

(1)零件的受力狀況當(dāng)零件（如螺栓、銷等）受拉伸或剪切這類分布均勻的靜載荷時(shí)，應(yīng)選用組織均勻的材料，按塑性和強(qiáng)度性能選材。

(2)零件的環(huán)境狀況及特殊要求。

根據(jù)零件的工作環(huán)境及特殊要求不同，除對(duì)材料的力學(xué)性能提出要求外，還應(yīng)對(duì)材料的物理性能及化學(xué)性能提出要求。191.2.2材料的選擇原則有良好的加工工藝性2

(1)熱加工工藝性能熱加工工藝性能主要指鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和熱處理性能。

(2)切削加工性能金屬的切削加工性能一般用刀具耐用度為60min時(shí)的切削速度v60來(lái)表示，v60越高，則金屬的切削加工性能越好。金屬切削加工性能分為八個(gè)級(jí)別，1級(jí)容易加工，8級(jí)難加工。各種金屬材料的切削加工性能可查閱有關(guān)手冊(cè)。201.2.2材料的選擇原則選擇材料要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性要求3

(1)材料價(jià)格在產(chǎn)品總成本中占較大比重，一般占產(chǎn)品價(jià)格的30%~70%。

(2)提高材料的利用率。采用精鑄、模鍛等毛坯加工方法，可以減少切削加工對(duì)材料的浪費(fèi)。

(3)零件的加工和維修費(fèi)等要盡量低。

(4)采用組合結(jié)構(gòu)。如蝸輪齒圈可采用減摩性好的鑄造錫青銅，而其他部分可采用廉價(jià)材料。

(5)材料的合理代用。對(duì)生產(chǎn)批量大的零件要考慮我國(guó)資源狀況，材料來(lái)源要豐富，盡量避免采用稀缺材料。如碳鋼可用熱處理方法強(qiáng)化，代替合金鋼而降低成本。211.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性鑄造零件的結(jié)構(gòu)工藝性1(1)為了防止?jié)茶T不足，對(duì)于不同鑄造方法，鑄件壁厚有一允許的最小值。(2)零件箱壁交叉部分要有過(guò)渡圓角，以避免尖角處產(chǎn)生裂紋。(3)鑄件應(yīng)有明顯的分型面。鑄件過(guò)渡圓角大小應(yīng)適當(dāng)鑄件應(yīng)有明顯的分型面221.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性鑄造零件的結(jié)構(gòu)工藝性1

(4)鑄件應(yīng)有必要的斜度以便于取出模型。

(5)為避免采用活塊，可將凸臺(tái)加長(zhǎng)，引至分型面。避免采用活塊231.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性鑄造零件的結(jié)構(gòu)工藝性1

(6)鑄鐵抗拉強(qiáng)度差而抗壓強(qiáng)度高，在設(shè)計(jì)零件形狀時(shí)應(yīng)盡可能把拉應(yīng)力(或彎曲應(yīng)力)化作壓應(yīng)力。避免鑄鐵受拉力

241.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性2

(1)避免銳邊尖角，應(yīng)將其倒鈍或改成圓角，圓角半徑要大些。

(2)零件形狀要求簡(jiǎn)單、對(duì)稱。

(3)軸類零件的長(zhǎng)度與直徑之比不可太大。

(4)提高零件的結(jié)構(gòu)剛性，必要時(shí)增加加強(qiáng)肋。

(5)形狀復(fù)雜或者不同部位有不同性能要求時(shí)，可用組合結(jié)構(gòu)(如機(jī)床鑄鐵床身上鑲裝鋼導(dǎo)軌)。251.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性切削加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性3

(1)加工表面的幾何形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，盡可能布局在同一平面上或同一軸線上，盡可能統(tǒng)一尺寸，以便于加工。

減速箱側(cè)面加工261.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性切削加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性3

(2)有相互位置精度要求的各表面最好能在一次安裝中加工。如零件須從兩端加工，改進(jìn)后可在一端一次加工，這樣能減少工件的安裝次數(shù)，提高加工效率，同時(shí)也提高位置精度。兩孔在一次安裝中加工

271.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性切削加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性3

(3)加工時(shí)應(yīng)能準(zhǔn)確定位、可靠夾緊，并便于加工、易于測(cè)量。

(4)應(yīng)盡量減少加工面的數(shù)目。

(5)形狀應(yīng)便于刀具進(jìn)刀、退刀，如螺紋應(yīng)該有退刀槽。

(6)被加工表面形狀應(yīng)有助于提高刀具的剛性和延長(zhǎng)刀具壽命。減少必要的配合面避免在斜面上鉆孔281.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性零件裝配的結(jié)構(gòu)工藝性4

(1)零件應(yīng)該有正確的裝配基面，由于螺紋間有間隙，對(duì)中不好，活塞桿易產(chǎn)生偏移。如將螺紋聯(lián)接改為配合，使工作情況有了改進(jìn)。不應(yīng)以螺紋面對(duì)中291.2.3機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性零件裝配的結(jié)構(gòu)工藝性4

(2)應(yīng)使裝配方便。如圖所示，若D,D1處均有配合，則裝配困難。

(3)應(yīng)使拆卸方便。如圖所示，為了便于從機(jī)體上卸下軸承外圈，孔臺(tái)肩處的直徑應(yīng)大于軸承外環(huán)的內(nèi)徑。應(yīng)使拆卸方便30

1.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及步驟學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握機(jī)械零件常見(jiàn)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。了解機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟。1.3.1機(jī)械零件的主要失效形式1.3.2機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.3.3機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟311.3.1機(jī)械零件的主要失效形式

機(jī)械零件由于某種原因喪失正常工作能力稱為失效。對(duì)于通用的機(jī)械零件，其強(qiáng)度、剛度、磨損失效是主要失效形式，對(duì)于高速傳動(dòng)的零件還應(yīng)考慮振動(dòng)問(wèn)題。零件的主要失效形式321.3.2機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求零件在工作時(shí)不產(chǎn)生強(qiáng)度失效，強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)取在零件中的危險(xiǎn)截面處，應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力用公式表示為σ≤［σ］=σlim/Sσ(1-1)τ≤［τ］=τlim/Sτ(1-2)

(2)剛度準(zhǔn)則剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度計(jì)算準(zhǔn)則要求零件的彈性變形小于或等于允許值。此允許值根據(jù)變形對(duì)零件工作性能的影響，由分析或?qū)嶒?yàn)方法決定(如軸彎曲變形量影響軸上齒輪的嚙合情況等)。331.3.2機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(3)耐磨性準(zhǔn)則耐磨性是指零件抵抗磨損的能力。例如齒輪的輪齒表面磨損量超過(guò)一定限度后，輪齒齒形會(huì)有較大的改變，從而使齒輪轉(zhuǎn)速均勻性受到影響，產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)因齒根厚度變薄而導(dǎo)致輪齒折斷。

(4)振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則

如果某個(gè)零件的固有頻率f與激振源的頻率fp相同或?yàn)檎麛?shù)倍關(guān)系時(shí)，這些零件就會(huì)產(chǎn)生共振，致使零件破壞或機(jī)器工作情況失常。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，fp與f接近一定范圍內(nèi)時(shí)，即可發(fā)生共振。341.3.2機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(5)可靠性準(zhǔn)則

可靠性表示系統(tǒng)、機(jī)器或零件等在規(guī)定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作的程度或性質(zhì)?？煽啃猿Ｓ每煽慷萊來(lái)表示，可靠度是指系統(tǒng)、機(jī)器或零件等在規(guī)定的使用時(shí)間（壽命）內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，能正常地實(shí)現(xiàn)其功能的概率。R=NS/NT=(NT-Nf)/NT=1-Nf/NT (1-3)