機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件第+0章+緒論

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祝同學(xué)們在新的學(xué)期里，平安健康，事事如意，學(xué)有所成！

2/5/2023機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

機(jī)械設(shè)計(jì)與制造系羅齊漢qhluo@134699551892/5/2023FoundationofMachineDesign

教材：黃華梁,彭文生主編：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（第四版）高等教育出版社，2008年參考書：揚(yáng)可楨，程光蘊(yùn)主編：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》高等教育出版社

ShigleyJE，《MechanicalEngineeringDesign》，NewYorkMcGraw-Hill

第0章緒論機(jī)械的組成本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)中常用材料的選用原則許用應(yīng)力和安全系數(shù)§0-1機(jī)械的組成為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造和發(fā)展了各種機(jī)械。國家的發(fā)展離不開機(jī)械，機(jī)械發(fā)展的水平可以反映一個(gè)國家發(fā)展水平。機(jī)械的種類繁多，其構(gòu)造、性能和用途等各不相同。當(dāng)從機(jī)械的組成分析，又有其共同特點(diǎn)，它們都有一些典型的機(jī)構(gòu)和零件組成。我們將通過幾個(gè)例子了解機(jī)械的組成、工作過程及它們所具有的共性。機(jī)器例１----內(nèi)燃機(jī)

機(jī)器例2----平面的牛頭刨床機(jī)器例3----自行車小結(jié)：

機(jī)械一般是由一些典型的機(jī)構(gòu)和零件組成。本課程就是以這些典型的機(jī)構(gòu)和零件為研究對(duì)象。多缸內(nèi)燃機(jī)齒輪減速器挖掘機(jī)機(jī)器的組成(ComposingofaMachine)：一臺(tái)發(fā)展完善的現(xiàn)代化機(jī)器可由四部分組成：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。(1)原動(dòng)機(jī)(PrimingMover)(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(TransmissionMechanism)：(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(ExecutiveMechanism)(4)控制系統(tǒng)(ControlSystem)：用來處理機(jī)器各組成部分之間，以及與外部其它機(jī)器之間的工作協(xié)調(diào)關(guān)系，它通常由各種計(jì)算機(jī)和控制器組成。名詞術(shù)語機(jī)器(Machine)

人類制造出來的、各組成部分具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的、可完成人們期望的預(yù)定職能（轉(zhuǎn)換能量或代替人作有用的機(jī)械功）的實(shí)物組合。內(nèi)燃機(jī)、牛頭刨床、自行車等就是常見的機(jī)器。機(jī)構(gòu)(Mechanism)

實(shí)現(xiàn)某種特定運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合。內(nèi)燃機(jī)中的活塞、連桿、曲軸和氣缸體組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；凸輪、頂桿和氣缸體組成凸輪機(jī)構(gòu)。機(jī)械(Machinery)

從研究運(yùn)動(dòng)和受力來看，機(jī)器與機(jī)構(gòu)并無區(qū)別。因此，習(xí)慣上用“機(jī)械”一詞作為機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。即：機(jī)械=機(jī)器+機(jī)構(gòu)

名詞術(shù)語構(gòu)件組成機(jī)器的運(yùn)動(dòng)單元。

（包括運(yùn)動(dòng)速度為零的單元），亦稱為“桿”，內(nèi)燃機(jī)中，活塞、連桿、曲軸、凸輪、挺桿、氣缸體等都是構(gòu)件。零件機(jī)器中不可分拆的基本制造單元。

通用零件（各類機(jī)器中廣泛應(yīng)用的零件，如齒輪、螺栓、軸承等）。專用零件（僅出現(xiàn)在某些類機(jī)器中的零件，如曲軸、連桿、汽輪機(jī)葉片等）。名詞術(shù)語設(shè)計(jì)為滿足某一特定要求而進(jìn)行研究、分析、構(gòu)思、計(jì)算、繪圖、實(shí)驗(yàn)、決策這樣一個(gè)創(chuàng)造過程。機(jī)械設(shè)計(jì)是指規(guī)劃和設(shè)計(jì)預(yù)期功能的新機(jī)械或改進(jìn)原有機(jī)械的性能。

§0-2本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)一、本課程的性質(zhì)

除機(jī)械制造部門外，多數(shù)工程領(lǐng)域的工程技術(shù)人員，也會(huì)經(jīng)常接觸到各種類型的機(jī)械，他們應(yīng)當(dāng)具備一定的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)。因此，如同《機(jī)械制圖》、《電工學(xué)》一樣，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是高校工科有關(guān)專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

技術(shù)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)理論課工程專業(yè)課

本課程是許多理論和實(shí)際知識(shí)的綜合運(yùn)用。學(xué)習(xí)者應(yīng)具備先修課程《機(jī)械制圖》、《工程材料》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》、《金工實(shí)習(xí)》、《理論力學(xué)》和《材料力學(xué)》等的有關(guān)知識(shí)。此外，考慮到現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中大多包含復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，因此學(xué)生還應(yīng)當(dāng)對(duì)液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)等有關(guān)知識(shí)有所了解。二、本課程的任務(wù)為學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)機(jī)械設(shè)備課程提供必要的理論基礎(chǔ)。使學(xué)生獲得常用機(jī)械的工作原理，設(shè)備的正確使用與維護(hù)以及設(shè)備故障分析方面的基本知識(shí)。使學(xué)生學(xué)會(huì)使用手冊和有關(guān)規(guī)范，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡單機(jī)械的能力。三、本課程的內(nèi)容

本課程實(shí)際上是《機(jī)械原理》和《機(jī)械零件》兩課的合二為一。著重研究常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械中一般參數(shù)、一般工況的通用零件，具體內(nèi)容如下：機(jī)械原理部分——研究常用機(jī)構(gòu)(連桿、凸輪、齒輪、輪系和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))、機(jī)械運(yùn)動(dòng)理論以及有關(guān)機(jī)器動(dòng)力學(xué)的一些基本知識(shí)。機(jī)械零件部分——研究機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，常用聯(lián)接(如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接)，機(jī)械傳動(dòng)（齒輪傳動(dòng)、帶、鏈傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)），軸系零、部件（軸、軸承、聯(lián)軸器）和彈簧等，并扼要介紹國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)范?！?-3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序一、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械多種多樣，因而相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)要求可能有所不同，但共同的基本要求都是適用、可靠、經(jīng)濟(jì)、美觀。適用滿足預(yù)期的功能要求，技術(shù)性能良好、便于操作和維護(hù)。例如轎車要求有良好的乘坐、駕駛舒適性，良好的加速性能等；機(jī)床要求較高的生產(chǎn)率和精度，適當(dāng)?shù)募庸し秶取C(jī)器是需要人操縱控制的，機(jī)器用一段時(shí)間總是會(huì)出現(xiàn)材料老化、零件磨損等問題的，因此適用還包含有良好的操作性和維護(hù)性要求?？煽恳辛己玫男阅芊€(wěn)定性和安全防護(hù)裝置。前者是指在預(yù)期的使用期限內(nèi)，完成預(yù)定功能的概率要高；后者是指在誤操作或偶然事件作用下要能避免傷人損機(jī)?！?-3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序經(jīng)濟(jì)機(jī)器的研制費(fèi)用、使用費(fèi)用盡可能低，生產(chǎn)效率盡可能高，使用壽命盡可能長。也就是要求有盡可能好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。美觀造型優(yōu)美、色調(diào)宜人。不同的使用者對(duì)造型是否優(yōu)美有不同的評(píng)價(jià)，因此設(shè)計(jì)時(shí)必需明確產(chǎn)品的使用對(duì)象；對(duì)工業(yè)設(shè)備來講，色調(diào)宜人的含義應(yīng)是：使人的中樞神經(jīng)既不是太緊張，也不是太松弛，從而使人發(fā)揮最高的效能。

上述的８字要求說起來容易，做起來困難，它涉及到設(shè)計(jì)工作的方方面面。因此，要成為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員，必需在學(xué)好本課程的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)更多的有關(guān)課程。機(jī)械設(shè)計(jì)方法分類及程序1.設(shè)計(jì)方法分類內(nèi)插設(shè)計(jì)

主要應(yīng)用類比的方法。這種設(shè)計(jì)有成功的經(jīng)驗(yàn)和有用的資料可借鑒，只要精心對(duì)待，認(rèn)真作一些技術(shù)改進(jìn)工作，通過少量的試驗(yàn)研究就能設(shè)計(jì)出成功的產(chǎn)品。外推設(shè)計(jì)

只有部分成功經(jīng)驗(yàn)和資料可借鑒。因此，外推設(shè)計(jì)必需慎重。通常對(duì)于參數(shù)、功能超出一般設(shè)計(jì)方法所適用范圍的外推部分，應(yīng)作好技術(shù)開發(fā)的理論研究和相關(guān)的試驗(yàn)研究。開發(fā)設(shè)計(jì)

應(yīng)用新原理、新材料、新技術(shù)（三新）設(shè)計(jì)新型機(jī)械設(shè)備。開發(fā)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且工作量巨大的工作，非全面協(xié)調(diào)市場調(diào)研、研究設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造與試驗(yàn)等各方面的工作不能順利完成。機(jī)械設(shè)計(jì)方法分類及程序2.機(jī)械設(shè)計(jì)的程序隨設(shè)計(jì)性質(zhì)和設(shè)計(jì)對(duì)象的不同，設(shè)計(jì)程序有簡有繁，以產(chǎn)品開發(fā)的程序最為繁多。右表為產(chǎn)品開發(fā)的一般程序?！?-4機(jī)械零件的工作能力和計(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工作條件下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。主要指標(biāo)（準(zhǔn)則）：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、耐熱性。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。二、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1.強(qiáng)度準(zhǔn)則

強(qiáng)度是指零件在一定載荷作用下抵抗破壞的能力。若零件強(qiáng)度不夠就會(huì)出現(xiàn)整體斷裂，表面接觸疲勞或塑性變形等失效。

2.剛度準(zhǔn)則

剛度是指零件在一定載荷下抵抗變形的能力。若剛度不夠，變形就會(huì)過大，從而影響機(jī)械正常工作。例如機(jī)床主軸、齒輪軸變形的后果。（繞度、偏轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)角）二、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則3.耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件工作表面抵抗磨損的能力。若磨損過大，則會(huì)削弱零件強(qiáng)度，降低配合精度和效率。

4.振動(dòng)和噪聲準(zhǔn)則研究系統(tǒng)的動(dòng)力特性，分析其噪聲源，采取使系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離受迫振動(dòng)頻率及提高配合精度等措施降低振動(dòng)和噪聲。§0-5機(jī)械設(shè)計(jì)中常用材料的選擇常用材料：鋼、鑄鐵、有色合金（鋁合金、銅合金）、非金屬材料（尼龍、工程塑料、橡膠）。常用材料的選擇原則：滿足使用要求符合工藝要求綜合經(jīng)濟(jì)效益要求§0-6許用應(yīng)力和安全系數(shù)

按各種準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)先確定零件工作時(shí)所承受的載荷和應(yīng)力的性質(zhì)。一、載荷和應(yīng)力載荷分為靜載、變載。應(yīng)力分為靜應(yīng)力、變應(yīng)力（也可由靜載產(chǎn)生）。衡量應(yīng)力狀態(tài)的主要參數(shù)：平均應(yīng)力應(yīng)力幅

循環(huán)特征幾種典型的變應(yīng)力狀態(tài)：靜應(yīng)力：σm=σmax=σminσa=0γ=1對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力：σm=0σa=σmax=－σminγ=－1幾種典型的變應(yīng)力狀態(tài)：脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力：σm=σa=σmax／2σmin=0γ=0非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力：σm=(σmax+σmin)/2σa=(σmax-σmin)/2γ=σmax/σmin二、零件的極限應(yīng)力σlim1.靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力脆性材料→斷裂破壞→強(qiáng)度極限σB→σlim=σB

塑性材料→過大塑變→屈服極限σS→σlim=σS2.變應(yīng)力下的極限應(yīng)力疲勞破壞圖中：

N0--循環(huán)基數(shù)

-1--對(duì)稱循環(huán)持久極限三、許用應(yīng)力和安全系數(shù)S↑↑→［σ］↓↓→安全↑→結(jié)構(gòu)↑S↓↓→［σ］↑↑→不安全課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法多科綜合本課程涉及的常用機(jī)構(gòu)、通用零件，從分析研究到設(shè)計(jì)計(jì)算，直至完成工作圖，要用到多門基礎(chǔ)課和技術(shù)基礎(chǔ)課的知識(shí)(如機(jī)械制圖、工程材料、機(jī)械制造基礎(chǔ)、理論力學(xué)和材料力學(xué)等)。學(xué)習(xí)中要注意溫習(xí)相關(guān)先修課的知識(shí)。各章內(nèi)容聯(lián)系不緊，顯得零亂不系統(tǒng)因本課涉及機(jī)構(gòu)和零件較多，要用到較多的理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)者如用習(xí)慣的基礎(chǔ)課系統(tǒng)性來看待本課，確實(shí)會(huì)產(chǎn)生“不系統(tǒng)”、“沒有統(tǒng)一研究規(guī)律”的錯(cuò)覺。實(shí)際上，本課程的全部內(nèi)容可歸結(jié)為兩個(gè)問題：“機(jī)構(gòu)怎樣才能實(shí)現(xiàn)人們需要的、理想的運(yùn)動(dòng)”，“零件怎樣才能正常工作”。學(xué)習(xí)中注意把握這兩個(gè)思路，就能在學(xué)習(xí)中逐步適應(yīng)本課程的學(xué)習(xí)規(guī)律。課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法設(shè)計(jì)步驟和結(jié)果不唯一與基礎(chǔ)課問題結(jié)論的唯一性不同，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)問題，從機(jī)構(gòu)選型到選擇材料、確定參數(shù)，往往都可在一定范圍內(nèi)變化，設(shè)計(jì)計(jì)算步驟也因具體情況而變，設(shè)計(jì)結(jié)果往往是不唯一的(這也正是機(jī)械設(shè)計(jì)的樂趣所在)。機(jī)械設(shè)計(jì)中，計(jì)算重要但不唯一學(xué)習(xí)者必需逐步培養(yǎng)把理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝考慮等結(jié)合起來解決問題的能力。一般情況下，計(jì)算結(jié)果僅是必要條件，最終結(jié)果要視具體結(jié)構(gòu)和工藝而定。課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方