機(jī)械設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)- 課件 第一章 緒 論

第一章緒論第一節(jié)機(jī)械的組成第二節(jié)機(jī)械零件常用材料及其性能

第三節(jié)機(jī)械分析的一般程序和基本方法第四節(jié)本課程的性質(zhì)、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法教學(xué)重點(diǎn)：一、機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別二、機(jī)構(gòu)的常見類型三、機(jī)械零件常用材料及其性能教學(xué)難點(diǎn)：一、典型工程機(jī)器的組成分析二、常用金屬材料牌號的識讀第一章緒論

一、機(jī)器和機(jī)構(gòu)

二、機(jī)器的組成第一節(jié)機(jī)械的組成一、機(jī)器和機(jī)構(gòu)

機(jī)器——一種人為實(shí)物組合的具有確定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，它用來完成一定的工作過程，以代替或減輕人類的勞動(dòng)。

例如：自行車、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、拖拉機(jī)、金屬切削機(jī)床、起重機(jī)、包裝機(jī)、復(fù)印機(jī)等。機(jī)器的分類：（按工作類型的不同分類）（1）動(dòng)力機(jī)器——實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換如：內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)等。

（2）工作機(jī)器——完成有用的機(jī)械功或搬運(yùn)物品如：機(jī)床、汽車、飛機(jī)、起重機(jī)、輸送機(jī)等。

（3）信息機(jī)器——完成信息的傳遞和變換如：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、照像機(jī)等。功能：把燃?xì)馊紵龝r(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

12567834910組成：汽缸體3、活塞4、進(jìn)氣閥5、排氣閥6、連桿2、曲軸1、凸輪8、頂桿7、齒輪9、10工程實(shí)例：單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)工作原理：（1）進(jìn)氣閥開啟，活塞下行，將混合氣體吸入汽缸；（2）進(jìn)氣閥關(guān)閉，活塞上行壓縮混合氣體，在頂部點(diǎn)火使氣體燃燒、膨脹；（3）兩氣閥關(guān)閉，高壓燃燒氣體推動(dòng)活塞下行，通過連桿帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，向外輸出機(jī)械能；（4）活塞再次上行，排氣閥開啟，廢氣體被排出汽缸。進(jìn)氣壓縮爆炸排氣內(nèi)燃機(jī)的工作過程:（四個(gè)沖程）循環(huán)運(yùn)動(dòng)曲軸輸出連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作原理：作用：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)。內(nèi)燃機(jī)各組成部分及其作用：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：活塞、連桿、曲軸、缸體凸輪機(jī)構(gòu)：

凸輪、頂桿、缸體作用：保證進(jìn)、排氣閥與活塞之間形成協(xié)調(diào)動(dòng)作。各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作的結(jié)果：

熱能

機(jī)械能作用：啟閉進(jìn)氣閥和排氣閥。齒輪機(jī)構(gòu)：

大齒輪、小齒輪、缸體功能：把電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。組成：機(jī)座9偏心輪１及齒輪1′(固結(jié))、桿件2、3、4、滾子5、槽凸輪6及齒輪6′(固結(jié))、滑塊7、壓桿8、工程實(shí)例：小型壓力機(jī)工作原理：1.偏心輪1偏心輪1桿件2桿件3

齒輪1′齒輪6′槽凸輪6滾子52.桿件4滑塊7壓桿8桿件4（合成）壓桿作上下移動(dòng)沖壓動(dòng)作功能：把電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。工程實(shí)例：小型壓力機(jī)壓力機(jī)各組成部分：連桿機(jī)構(gòu):

偏心輪1、桿件2、3、4、滑塊7、壓桿8、機(jī)座9凸輪機(jī)構(gòu):

凸輪6、滾子5、桿件3、桿件4、機(jī)座9齒輪機(jī)構(gòu):

齒輪1′、齒輪6′、機(jī)座9各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作的結(jié)果：電能沖頭往復(fù)沖壓的機(jī)械能，完成有用功。功能：把電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變往復(fù)切削的機(jī)械能。組成：電動(dòng)機(jī)、齒輪、滑塊導(dǎo)桿、刨頭、刀架

工作臺、絲杠、床身

工程實(shí)例：牛頭刨床

各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作的結(jié)果：電能刨刀往復(fù)切削的機(jī)械能，完成切削工件的有用功。①人為的實(shí)物（機(jī)件）組合體。②各個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)物之間具有確定的相對運(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。凡具備上述①、②兩個(gè)特征的實(shí)物組合體稱為機(jī)構(gòu)。

僅從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看，機(jī)器與機(jī)構(gòu)并無區(qū)別。通常把機(jī)器與機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為機(jī)械。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別：機(jī)器的共有特征：

機(jī)器能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換或代替人的勞動(dòng)去作有用的機(jī)械功，而機(jī)構(gòu)則沒有這種功能。常用機(jī)構(gòu):連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)二、機(jī)器的組成

動(dòng)力部分傳動(dòng)部分執(zhí)行部分控制部分動(dòng)力部分——是機(jī)器工作動(dòng)力源。如：電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。1．按功能分析機(jī)器的組成傳動(dòng)部分——是機(jī)器中將有原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行部分的中間部分。如：汽車的變速箱、機(jī)床的主軸箱、起重機(jī)的減速器等?？刂撇糠帧刂茩C(jī)器的開動(dòng)和停止，改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向，輸出或切斷動(dòng)力等。如：汽車的方向盤和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排擋桿、剎車及其踏板、離合器踏板及油門等就組成了汽車的控制系統(tǒng)。動(dòng)力部分傳動(dòng)部分執(zhí)行部分控制部分二、機(jī)器的組成

1．按功能分析機(jī)器的組成如：汽車的車輪、起重機(jī)的吊鉤、機(jī)床的刀架、飛機(jī)的尾舵和機(jī)翼、輪船的螺旋漿等。執(zhí)行部分——是直接完成機(jī)器預(yù)定功能的部分?？刂破?控制)電動(dòng)機(jī)(原動(dòng))帶(傳動(dòng))減速器(傳動(dòng))波輪(執(zhí)行)工程實(shí)例：分析自動(dòng)洗衣機(jī)的組成2.按結(jié)構(gòu)分析機(jī)器的組成零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器動(dòng)聯(lián)接協(xié)調(diào)組合與動(dòng)力源零件是組成機(jī)器的最基本單元（制造單元）。構(gòu)件可以是單一的零件，也可以是由幾個(gè)零件裝配而成的剛性結(jié)構(gòu)（如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸、連桿）。

構(gòu)件是組成機(jī)械的各個(gè)相對運(yùn)動(dòng)的機(jī)件（運(yùn)動(dòng)單元）。靜聯(lián)接其中：通用零件——機(jī)器中普遍使用的零件。專用零件——只在某些機(jī)器中使用的零件。部件——為完成共同任務(wù)而結(jié)合起來的一組零件，它是機(jī)器的裝配單元。如：內(nèi)燃機(jī)中的活塞、起重機(jī)中的吊鉤等。如：齒輪、螺釘、軸等。如：聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、減速器等。零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器動(dòng)聯(lián)接協(xié)調(diào)組合與動(dòng)力源靜聯(lián)接2.按結(jié)構(gòu)分析機(jī)器的組成返回第二節(jié)機(jī)械零件常用材料及其性能一、材料的力學(xué)性能三、常用熱處理方法二、常用材料及牌號一、材料的力學(xué)性能力學(xué)性能——金屬材料受到外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。

強(qiáng)度——材料抵抗塑性變形(永久變形)和斷裂的能力。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb。

主要包括：塑性——材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率A和斷面收縮率Z。

硬度——材料表面抵抗硬物壓入的能力。其中：布氏硬度試驗(yàn)法指標(biāo)為HBW

；

洛氏硬度試驗(yàn)法指標(biāo)為HRC

。力學(xué)性能——金屬材料受到外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。

疲勞強(qiáng)度——材料抵抗疲勞破壞的能力,疲勞破壞是指材料在交變應(yīng)力作用下的破壞。對于鋼鐵材料，是指應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107時(shí)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。

主要包括：沖擊韌性——材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。

以沖擊韌度Ak來表征。

一、材料的力學(xué)性能二、常用材料及牌號

鋼是碳含量＜2.11%的鐵碳合金。特點(diǎn)：鋼具有高的強(qiáng)度、良好的韌性和塑性，并可通過熱處理工藝改善其力學(xué)性能。

1．鋼：

鋼的分類：按化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼；按品質(zhì)可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼；按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼；按成形方法分為鍛鋼、鑄鋼、熱軋鋼、冷拉鋼。鋼的品種繁多，常用鋼種的牌號及應(yīng)用見表1-2。

鑄鐵是碳含量＞2.11%的鐵碳合金。常用鑄鐵的牌號及應(yīng)用見表1-3。2．鑄鐵：3．有色金屬：4.非金屬材料：二、常用材料及牌號在工程上通常把鋼鐵材料稱為黑色金屬，而把其他金屬材料稱為非鐵金屬或有色金屬，常用種類見表1-4。通常是指除金屬材料以外的一切工程材料，常用種類見表1-5。三、常用熱處理方法

熱處理——將金屬工件放在介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，在該溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度冷卻的工藝。

目的：1、發(fā)揮金屬材料的潛力，提高工件的使用性能；

2、能減輕工件的重量，節(jié)約材料，降低成本；

3、延長工件的使用壽命。

方法：退火、正火、淬火、回火、調(diào)質(zhì)、時(shí)效處理、表面淬火和表面化學(xué)熱處理等。即：加熱保溫冷卻三、常用熱處理方法

1．退火：

方法：將工件加熱到一定溫度（一般在500°以上），經(jīng)保溫后隨爐緩慢冷卻。目的：消除組織缺陷，改善組織，使成分均勻化并細(xì)化晶粒。提高力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力；同時(shí)可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。退火既消除和改善了前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，又為后續(xù)工序作好準(zhǔn)備。三、常用熱處理方法

2．正火：

方法：將工件加熱到一定溫度（一般在800°C以上），經(jīng)保溫后在空氣中冷卻。目的：是退火的一種特殊形式，具有與退火相似的目的。只是消除內(nèi)應(yīng)力效果不如退火好，但正火得到的組織更細(xì)致。常用于改善材料的切削性能，有時(shí)也用于對要求不高的零件作為最終熱處理。三、常用熱處理方法

3．淬火：

方法：將工件加熱到一定溫度(一般在850°C以上)，經(jīng)保溫后放入介質(zhì)中快速冷卻。目的：含碳量高于0.25％的鋼可以進(jìn)行淬火。可提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。但會降低塑性、增加脆性、增大內(nèi)應(yīng)力。淬火時(shí)常用的介質(zhì)有油、水和鹽溶液等。

三、常用熱處理方法

4．回火：

方法：將淬火后的工件在低于650°C的適當(dāng)溫度下保溫，然后冷卻到室溫。目的：低溫（150~250°C）回火，保持鋼的高硬度和耐磨性，降低淬火引起的內(nèi)應(yīng)力和脆性；中溫（350~500°C）回火，使鋼有一定的韌性并提高其彈性極限和屈服強(qiáng)度。

三、常用熱處理方法

5．調(diào)質(zhì)：

方法：是淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝。即淬火后高溫（500~650°C）回火的熱處理方法。目的：碳含量0.25％～0.60％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼稱為調(diào)質(zhì)鋼(即可用于調(diào)質(zhì)熱處理)。調(diào)質(zhì)可使金屬的性能、材質(zhì)得到很大調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性均好，具有良好的綜合機(jī)械性能。

三、常用熱處理方法

6．時(shí)效處理：

方法：低溫回火后，精加工前，把工件重新加熱到100~150°C，保持5~20h。目的：一些精密量具、模具、零件淬火后，為避免其在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，采取時(shí)效處理以穩(wěn)定精密零件的質(zhì)量。

三、常用熱處理方法

7．表面淬火：

方法：利用氧乙炔火焰或高頻感應(yīng)加熱等方法將零件表面加熱到淬火溫度，然后在介質(zhì)中快速冷卻。目的：可達(dá)到零件表面淬硬，而心部韌性、塑性不變的目的。一般用于中碳鋼或中碳合金鋼（如45、40Cr等）。在表面淬火前零件應(yīng)先經(jīng)過正火或調(diào)質(zhì)，使零件內(nèi)部具有較好的綜合力學(xué)性能；表面淬火后常用低溫回火消除應(yīng)力并保持較高的硬度。

三、常用熱處理方法

8．表面化學(xué)熱處理：

方法：將某些化學(xué)元素滲人鋼的表層，以改變鋼的表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理方法。目的：可提高零件表層硬度、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。常有滲碳、氮化、氰化、滲金屬等。其中滲金屬可使機(jī)械零件表面層合金化，使工件表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。返回第三節(jié)機(jī)械分析的一般程序和基本方法

一、機(jī)械分析的一般程序二、機(jī)械分析的基本方法一、機(jī)械分析的一般程序1．準(zhǔn)備階段2．方案分析階段3．技術(shù)分析階段二、機(jī)械分析的基本方法

1．理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合

2．抓住分析對象的共性

3．采用綜合分析的方法返回第四節(jié)本課程的性質(zhì)、任務(wù)和方法

一、本課程的性質(zhì)和任務(wù)二、本課程的學(xué)習(xí)方法一、本課程的性質(zhì)和任務(wù)1．本課程的性質(zhì)

①是一門介紹機(jī)械分析的基本知識、基本理論和基本方法，并培養(yǎng)一定機(jī)械分析能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。

④在培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決工程實(shí)際問題的能力、動(dòng)手能力、合作能力和創(chuàng)新能力，以及對擇業(yè)的適應(yīng)能力等方面都有著重要的影響和作用。

③起著從理論性課程學(xué)習(xí)過渡到結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的承前啟后的橋梁作用。②起著對相關(guān)專業(yè)課程不可缺少的支撐作用；2．本課程的任務(wù)①掌握常用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和通用零部件有關(guān)的基本知識、基本理論和基本方法，并了解有關(guān)現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用；②具有計(jì)算、繪圖、實(shí)操、使用技術(shù)資料和基本工具（如計(jì)算機(jī)、基本測量儀器等）的基本技能；③具有對一般機(jī)械傳動(dòng)裝置的進(jìn)行分析的基本能力；并初步具備綜合分析和解決實(shí)際生產(chǎn)中或產(chǎn)品在使用、維護(hù)、維修、仿制、改造等過程中相關(guān)技術(shù)問題的能力；④培養(yǎng)創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)，樹立創(chuàng)業(yè)和敬業(yè)精神、團(tuán)隊(duì)合作精神。一、本課程的性質(zhì)和任務(wù)二、本課程的學(xué)習(xí)方法１．著重應(yīng)用能力的培養(yǎng)２．加強(qiáng)概念的深化和理論的應(yīng)用３．注重知識的融會貫通返回表1-2

常用鋼種的牌號及應(yīng)用種類牌號示例應(yīng)用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號以“Q+數(shù)字+字母+字母”表示例如，Q235CF即表示屈服強(qiáng)度為235MPa的C級沸騰鋼，常用的有Q275A、Q235A、Q215A等

主要用于制造一般要求、受力不大的機(jī)械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

牌號以“兩位數(shù)字+Mn”表示例如，45鋼表示平均碳含量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；65Mn表示平均碳含量為0.65％，錳含量為0.70％～1.20％的高錳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼常用的有35、45、50、65Mn等

具有良好的綜合力學(xué)性能，可用來制造各種機(jī)械零件合金結(jié)構(gòu)鋼牌號以“兩位數(shù)字+元素+數(shù)字+…”表示例如，20CrMnTi表示平均碳含量為0.20％，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5％，并含有微量Ti的合金結(jié)構(gòu)鋼。常用的合金滲碳鋼20Cr、20CrMnTi等；合金調(diào)質(zhì)鋼有40Cr、35CrMo等；彈簧鋼有60Si2Mn、55Mn等；滾動(dòng)軸承鋼有GCr9、GCrl5等

具有強(qiáng)度高、韌性好、耐蝕性強(qiáng)等良好性能，常用于制造重要或特殊要求的機(jī)械零件鑄鋼牌號由“ZG”和兩組數(shù)字組成例如，ZG270-500表示σs≥270MPa、σb≥500MPa的一般工程用鑄造碳素鋼,常用的有ZG270-500、ZG310-570等

可以鑄造成各種形狀的零件，其強(qiáng)度和韌性均較好返回表1-3

常用鑄鐵的牌號及應(yīng)用返回種類牌號示例應(yīng)用灰鑄鐵

牌號由“HT”和一組數(shù)字組成例如，HT200表示最小抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄鐵常用的有HT200、HT250、HT300等

與普通碳鋼相比，其抗拉強(qiáng)度和塑性、韌性都遠(yuǎn)低于鋼，但耐磨性消振性、工藝性好。常用于制造帶輪、機(jī)座和箱體等零件球墨鑄鐵

牌號由“QT”和兩組數(shù)字組成例如，QT400-18表示最小抗拉強(qiáng)度為400MPa，延長率為18%的球墨鑄鐵常用的有QT400-18、QT600-3、QT900-2等

與灰鑄鐵相比，抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞極限較高，塑性、韌性、剛性良好，但消振能力比灰鑄鐵低很多?？赏ㄟ^合金化和熱處理提高其機(jī)械性能。故可在一定條件下代替鑄鋼、鍛鋼等，用以制造受力復(fù)雜、載荷較大和要求耐磨的鑄件表1-4常用有色金屬牌號及應(yīng)用種類牌號示例應(yīng)用鋁及其合金變形鋁合金：2A01，7A04，2A50等；鑄造鋁合金：ZL101，ZL201，ZL301，ZL401等

純鋁強(qiáng)度、硬度低，不適合制作受力的機(jī)械零件。但加入合金元素使得鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性，是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件的重要材料銅及其合金H70(普通黃銅)HPb59-1(特殊黃銅)ZCuZn40Pb2(鑄造黃銅)ZCuSn3Zn8Pb6Nil(鑄造錫青銅)ZCuAl10Fe3(鑄造鋁青銅)

純銅強(qiáng)度低，不宜做結(jié)構(gòu)零件。機(jī)械產(chǎn)品常用黃銅和青銅。例如，錫青銅具有良好的強(qiáng)度、硬度、耐蝕性和鑄造性，用來制作耐磨零件和與酸、堿、蒸汽等接觸的零件。錫青銅價(jià)格昂貴，常用鋁青銅替代軸承合金ZSnSb12Pb