機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1章緒論2011

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(jīchǔ)主講：申儒林(rúlín)博士副教授中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院Telmail:srl1234@126.comPublicemail:jixiejichu@passward：1234321中南大學(xué)精品資料第1章緒論§1－1本課程研究(yánjiū)的對象和內(nèi)容§1－2本課程(kèchéng)在教學(xué)中的地位§1－3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般過程§1－5機(jī)械零件的材料選擇§1－4機(jī)械零件工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則§1－6機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝§1－7機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化中南大學(xué)精品資料顧名思義(gùmíngsīyì)，本課程研究對象為：機(jī)械機(jī)械(jīxiè)機(jī)器斜面任何機(jī)械都經(jīng)歷了：簡單→復(fù)雜的發(fā)展過程。機(jī)械－人造的用來減輕或替代人類勞動(dòng)的多件實(shí)物的組合體。

機(jī)構(gòu)

（包括：龍門吊、鶴式吊、汽車吊、卷揚(yáng)機(jī)、叉車、電梯－電腦控制）。一般而言，機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱→杠桿→起重轱轆→滑輪組→手動(dòng)(電動(dòng))葫蘆→現(xiàn)代起重機(jī)起重機(jī)的發(fā)展歷程：§1－1本課程研究的對象和內(nèi)容中南大學(xué)精品資料機(jī)器－根據(jù)某種具體使用要求(yāoqiú)而設(shè)計(jì)的多件實(shí)物的組合體。機(jī)構(gòu)－能夠(nénggòu)用來傳遞運(yùn)動(dòng)和力或改變運(yùn)動(dòng)形式的多件實(shí)物的組合體。如：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等。種類有限如:縫紉機(jī)、洗衣機(jī)、各類機(jī)床、運(yùn)輸車輛、農(nóng)用機(jī)器、起重機(jī)等。

機(jī)器的種類繁多，結(jié)構(gòu)、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。中南大學(xué)精品資料典型機(jī)器(jīqì)的分析：1.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)組成(zǔchénɡ)：65438712910汽缸體1、活塞2、進(jìn)氣閥3、排氣閥4、連桿5、曲軸6、凸輪7、頂桿8、齒輪9、10工作原理：1.活塞下行，進(jìn)氣閥開啟，混合氣體進(jìn)入汽缸；2.活塞上行，氣閥關(guān)閉，混合氣體被壓縮，在頂部點(diǎn)火燃燒；3.高壓燃燒氣體推動(dòng)活塞下行，兩氣閥關(guān)閉；4.活塞上行，排氣閥開啟，廢氣體被排出汽缸。循環(huán)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使曲軸輸出連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中南大學(xué)精品資料設(shè)計(jì)(shèjì)：潘存云進(jìn)氣(jìnqì)壓縮爆炸排氣內(nèi)燃機(jī)的工作過程：活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，該組合體稱為：內(nèi)燃機(jī)各部分的作用：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)凸輪和頂桿用來啟閉進(jìn)氣閥和排氣閥；稱為：凸輪機(jī)構(gòu)兩個(gè)齒輪用來保證進(jìn)、排氣閥與活塞之間形成協(xié)調(diào)動(dòng)作，稱為：齒輪機(jī)構(gòu)各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作的結(jié)果：化學(xué)能機(jī)械能中南大學(xué)精品資料機(jī)器(jīqì)的共有特征：①人造(rénzào)的實(shí)物組合體；②各部分有確定的相對運(yùn)動(dòng)；③代替或減輕人類勞動(dòng)完成有用功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換

機(jī)器的作用

機(jī)器的分類：原動(dòng)機(jī)－實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)）種類有限工作機(jī)－完成有用功（如機(jī)床等）

種類繁多中南大學(xué)精品資料機(jī)器(jīqì)的組成：原動(dòng)部分－是工作(gōngzuò)機(jī)動(dòng)力的來源，最常見的是電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。工作部分－完成預(yù)定的動(dòng)作，位于傳動(dòng)路線的終點(diǎn)。

傳動(dòng)部分－聯(lián)接原動(dòng)機(jī)和工作部分的中間部分。

控制部分－保證機(jī)器的啟動(dòng)、停止和正常協(xié)調(diào)動(dòng)作。

其關(guān)系如下機(jī)械機(jī)器機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)工作控制原動(dòng)機(jī)工作機(jī)中南大學(xué)精品資料控制(kòngzhì)器(控制(kòngzhì))電動(dòng)機(jī)(原動(dòng))帶(傳動(dòng)(chuándòng))減速器(傳動(dòng))波輪(工作)分析自動(dòng)洗衣機(jī)的組成：中南大學(xué)精品資料同理，通過對典型機(jī)構(gòu)(jīgòu)進(jìn)行分析可知：機(jī)構(gòu)(jīgòu)的共有特征：①人造的實(shí)物組合體；②各部分有確定的相對運(yùn)動(dòng)；③用來傳遞力或?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。機(jī)構(gòu)的分類：通用機(jī)構(gòu)和專用機(jī)構(gòu)。

通用機(jī)構(gòu)---用途廣泛，如齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。專用機(jī)構(gòu)---只能用于特定場合，如鐘表的擒縱機(jī)構(gòu)。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的關(guān)系：由兩個(gè)實(shí)例推廣到一般任意復(fù)雜的機(jī)器都是由若干組機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律組合而成的。實(shí)際機(jī)器的種類有成千上萬種，但機(jī)構(gòu)的種類確有限。類似關(guān)系：化合物與化學(xué)元素由機(jī)器與機(jī)構(gòu)的共有特征可知：機(jī)器與機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方面并無區(qū)別（僅作用不同），故統(tǒng)稱為機(jī)械。人造的組合體、有確定的相對運(yùn)動(dòng)中南大學(xué)精品資料中南大學(xué)精品資料課程性質(zhì)(xìngzhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課作用(zuòyòng)：承前啟后本課程的特點(diǎn)：是工程制圖、工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)、理論力學(xué)，材料力學(xué)、金工實(shí)習(xí)等理論知識(shí)和實(shí)踐技能的綜合運(yùn)用。作為一名工程技術(shù)人員，同學(xué)們在今后的工作崗位上將會(huì)接觸各種各樣的通用或?qū)Ｓ脵C(jī)械，因此必須掌握機(jī)械方面的基礎(chǔ)知識(shí)?！?－2本課程在教學(xué)中的地位中南大學(xué)精品資料機(jī)械設(shè)計(jì)---規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)(shíxiàn)預(yù)期功能的新機(jī)械或改進(jìn)原有機(jī)械的性能?；疽螅涸跐M足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、維修簡單(jiǎndān)和造型美觀。機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容：1.確定機(jī)械的工作原理，選擇合宜的機(jī)構(gòu)；2.擬定設(shè)計(jì)方案；3.進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，計(jì)算各構(gòu)件上的載荷；4.進(jìn)行零部件工作能力計(jì)算、總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?！?－3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般過程中南大學(xué)精品資料§1－4機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算(jìsuàn)準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求(yāoqiú)：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件曲于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動(dòng)的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為中南大學(xué)精品資料對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力(nénglì)判定條件強(qiáng)度條件：計(jì)算(jìsuàn)應(yīng)力<許用應(yīng)力；機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟：1)擬定零件的計(jì)算簡圖;5)繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。

防止失效的判定條件是：計(jì)算量<許用量----工作能力計(jì)算準(zhǔn)則。2)確定作用在零件上的載荷;3)選擇合適的材料;4)根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀;

注意，零件尺寸的計(jì)算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計(jì)者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標(biāo)誰、規(guī)格加以圓整失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、溫度等原因。剛度條件：變形量<許用變形量；中南大學(xué)精品資料載荷系數(shù)K----考慮各種(ɡèzhǒnɡ)附加載荷因素的影響。名義載荷-----在理想的平穩(wěn)工作(gōngzuò)條件下作用在零件上的載荷。§1－4.1強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算載荷-----載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計(jì)算應(yīng)力-----按名義載荷計(jì)算所得之應(yīng)力：名義應(yīng)力-----按名義載荷計(jì)算所得之應(yīng)力。強(qiáng)度判定條件：σ、τ[σ]=、[τ]-----許用應(yīng)力S-----安全系數(shù)σlim、τ

lim-----極限應(yīng)力，由實(shí)驗(yàn)方法測定。然而在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，零件還會(huì)受到各種附加載荷，通常用引入中南大學(xué)精品資料初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋接觸(jiēchù)強(qiáng)度若兩個(gè)零件在受載前是點(diǎn)接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小(yīxiǎo)面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時(shí)零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。如齒輪、凸輪、滾動(dòng)軸承等。機(jī)械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時(shí)間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴(kuò)展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點(diǎn)蝕。發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力。裂紋的擴(kuò)展與斷裂油失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點(diǎn)蝕金屬剝落出現(xiàn)小坑后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動(dòng)和噪音。中南大學(xué)精品資料b由彈性力學(xué)(lìxué)可知，應(yīng)力為：對于(duìyú)鋼或鑄鐵取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,則有簡化公式。上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。ρ2ρ1FnσHσHρ1Fnbρ2σHσH中南大學(xué)精品資料σH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲(hèzī)應(yīng)力;b-------接觸(jiēchù)長度;Fn

-------作用在圓柱體上的載荷;-----綜合曲率半徑;-----綜合彈性模量;E1、

E2分別為兩圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為：bFn中南大學(xué)精品資料中南大學(xué)設(shè)計(jì)(shèjì)：潘存云設(shè)計(jì)(shèjì)：潘存云lFF’F”θ1θ2彎矩→

彎曲變形扭矩→

扭轉(zhuǎn)變形若剛度不夠?qū)е螺S的變形過大，就會(huì)影響其正常工作。變形量的描述：撓度y、轉(zhuǎn)角θ

、扭角φ

設(shè)計(jì)要求：

y

≤[y]θ≤[θ]

φ≤[φ]

復(fù)習(xí)材料力學(xué)相關(guān)內(nèi)容。yTTlφ§1－4.2剛度準(zhǔn)則中南大學(xué)精品資料§1－4.3耐磨性準(zhǔn)則(zhǔnzé)運(yùn)動(dòng)(yùndòng)副摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會(huì)逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。磨損↑→間隙↑、精度↓、效率↓、振動(dòng)↑、沖擊↑、噪音↑據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。

磨損的主要類型：1）磨粒磨損2）粘著磨損(膠合磨損)在滾動(dòng)或兼有滑動(dòng)和滾動(dòng)的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時(shí)材料表層有很大的接觸應(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)作用時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或疲勞點(diǎn)蝕。在摩擦過程申，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損，稱為腐蝕磨硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗?，在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆粒可能是零件本身磨損造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時(shí)，實(shí)際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強(qiáng)很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)。若接觸處發(fā)生粘著，滑動(dòng)時(shí)會(huì)使接觸表面材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴(yán)重時(shí)摩擦表面能相互咬死。3）疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕)4）腐蝕磨損中南大學(xué)精品資料實(shí)用耐磨計(jì)算是限制(xiànzhì)運(yùn)動(dòng)副的壓強(qiáng)p，即:p≤[p][p]由實(shí)驗(yàn)或同類機(jī)器(jīqì)使用經(jīng)驗(yàn)確定相對運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)副單位時(shí)間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv

值與許用的[pv]

值進(jìn)行比較。即:pv≤

[pv]中南大學(xué)精品資料§1－5機(jī)械零件的材料(cáiliào)選擇機(jī)械制造(jīxièzhìzào)中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%鐵碳合金特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。中南大學(xué)精品資料選用(xuǎnyòng)原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點(diǎn)：與鑄鐵相比(xiānɡbǐ)，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表9-2常用材料的相對價(jià)格材料種類規(guī)格相對價(jià)格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動(dòng)軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價(jià)格便宜且供應(yīng)充分我國資源豐富

中南大學(xué)精品資料3.銅合金-銅鋅合金，并含有(hányǒu)少量的錳、鋁、鎳特點(diǎn)(tèdiǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。中南大學(xué)精品資料2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種(ɡèzhǒnɡ)不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。3.其它非金屬材料：皮革、木材(mùcái)、紙板、棉、絲等。選材因素：設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，選擇合適的材料是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件材料各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。中南大學(xué)精品資料§1－6機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)(jiégòu)工藝一、工藝性零件設(shè)計(jì)(shèjì)要求使用要求----具備所要求的工作能力；制造要求----制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標(biāo)志：在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工且費(fèi)用低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理制備方法：選用型材、焊接、鑄造、鍛造、沖壓等。毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時(shí)，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。中南大學(xué)精品資料2)結(jié)構(gòu)簡單(jiǎndān)合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其(jíqí)組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量?！M量采用標(biāo)準(zhǔn)件；▲增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；4)盡量減小零件的加工量▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本?！M量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進(jìn)工藝滿足上述要求。欲設(shè)計(jì)出工藝性良好的零件，設(shè)計(jì)者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。中南大學(xué)精品資料內(nèi)容：1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸(chǐcun)、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求。定義：標(biāo)準(zhǔn)化是在經(jīng)