《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件 緒論1課

第一章機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概論第一節(jié)機(jī)械工業(yè)發(fā)展概況

中國是世界上機(jī)械發(fā)展最早的國家之一

在中國古代時(shí)期的有些機(jī)械已具備了機(jī)器的基本組成要素，即原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)三個(gè)組成部分。從三國時(shí)期到元代中期，我國的機(jī)械加工、農(nóng)業(yè)機(jī)械、紡織機(jī)械、造船和儀器制造等多方面都組在了世界的前列不少機(jī)械傳到了國外，對(duì)世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響。我國古代在機(jī)械方面的卓越成就由此可見一斑。公元一世紀(jì)東漢“水排”用水力鼓風(fēng)煉鐵，其中應(yīng)用了帶和連桿機(jī)構(gòu)古代中國晉代

“連磨”用一頭牛驅(qū)動(dòng)八臺(tái)磨盤，其中應(yīng)用了齒輪系。

新中國的建立，特別是改革開放以來，為我國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊的道路。機(jī)械行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。

在機(jī)械制造方面，各種先進(jìn)技術(shù)如數(shù)控技術(shù)、電火花技術(shù)、線切割技術(shù)、激光技術(shù)得到了大量的應(yīng)用。

機(jī)械設(shè)計(jì)方面，從過去只能從事簡(jiǎn)單的模仿設(shè)計(jì)到現(xiàn)在對(duì)先進(jìn)設(shè)備的自行設(shè)計(jì)。建立我國完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的普遍應(yīng)用，等等。所有這些，均標(biāo)志著我國機(jī)械工業(yè)正朝著世界先進(jìn)水平邁進(jìn)?！窘虒W(xué)內(nèi)容】：機(jī)器的組成及概念；機(jī)器和機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本知識(shí)及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；本課程的性質(zhì)、內(nèi)容、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法等?！净疽蟆浚好鞔_本課程研究的對(duì)象和內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法；掌握機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件等概念的含義；了解機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化?！窘虒W(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)】：機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件等；現(xiàn)代機(jī)器的組成。第二節(jié)機(jī)器的組成普通車床第二節(jié)機(jī)器的組成數(shù)控車床第二節(jié)機(jī)器的組成數(shù)控加工中心清洗飛機(jī)的機(jī)器人1、機(jī)器和機(jī)構(gòu)機(jī)器——通常把能實(shí)現(xiàn)確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，又能做有用的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量、物料、信息的傳遞與變換的裝置稱為機(jī)器。機(jī)構(gòu)——只能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞與變換的裝置稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)器和機(jī)構(gòu)最明顯的區(qū)別是：機(jī)器能作有用功，而機(jī)構(gòu)不能，機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。兩者之間也有聯(lián)系，機(jī)器是由幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡(jiǎn)單的機(jī)器只有一個(gè)機(jī)構(gòu)。機(jī)械——機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。機(jī)構(gòu)：

機(jī)構(gòu)——只能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞與變換的裝置稱為機(jī)構(gòu)。一部機(jī)器可能包含多種類型的機(jī)構(gòu)，也可能只包含一種機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)

構(gòu)件是從研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)來看，零件是從機(jī)械制造方面來看。通用零件：螺釘、齒輪、軸、軸承、彈簧等專用零件：內(nèi)燃機(jī)曲軸、活塞等。2、構(gòu)件和零件構(gòu)件——組成機(jī)器的各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的單元稱為構(gòu)件，構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的單元體。零件——機(jī)械中不可拆的制造單元體。構(gòu)件可以是單一零件，也可以是多個(gè)零件的組合體。構(gòu)件與零件的關(guān)系連桿的分解典型機(jī)器的分析：內(nèi)燃機(jī)65438712910組成1、汽缸體2、活塞3、進(jìn)氣閥4、排氣閥5、連桿6、曲軸7、凸輪8、頂桿9、10齒輪工作原理：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。內(nèi)燃機(jī)的工作過程配氣機(jī)構(gòu)的工作原理潘存云教授研制設(shè)計(jì)：潘存云進(jìn)氣壓縮爆炸排氣內(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)械能第三節(jié)機(jī)器應(yīng)滿足的要求和設(shè)計(jì)制造程序一、機(jī)器應(yīng)滿足的要求⑴使用要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，達(dá)到規(guī)定性能的要求。⑵經(jīng)濟(jì)性要求：貫穿在設(shè)計(jì)、制造、使用的全過程中，以求獲得最高經(jīng)濟(jì)效益的要求。⑶社會(huì)要求：（人機(jī)工學(xué)要求、安全運(yùn)行要求、工藝美學(xué)要求等）⑷可靠性要求：在規(guī)定使用壽命和工況條件下機(jī)器完成規(guī)定功能的能力。⑸其他特殊要求：例如，機(jī)床有長(zhǎng)期保持精度的要求；食品機(jī)械有防止污染的要求；大型設(shè)備有便于運(yùn)輸與安裝的要求等。二、機(jī)器設(shè)計(jì)制造的一般程序新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)，一般要經(jīng)過六個(gè)階段：⑴可行性研究階段；⑵方案設(shè)計(jì)階段；⑶技術(shù)設(shè)計(jì)階段：⑷施工設(shè)計(jì)階段：⑸樣機(jī)試驗(yàn)階段：⑹投產(chǎn)銷售階段：需求分析機(jī)械方案設(shè)計(jì)機(jī)械方案運(yùn)動(dòng)分析機(jī)械方案動(dòng)力分析機(jī)械造型設(shè)計(jì)機(jī)械工作能力設(shè)計(jì)確定工藝方案確定工藝參數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般流程第四節(jié)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本知識(shí)一、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則失效：機(jī)械零件由于某種原因喪失正常工作能力。歸納起來，產(chǎn)生失效的原因主要是由于強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性等不滿足工作要求。為次，應(yīng)根據(jù)失效原因制定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并以此作為防止失效和進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。接下來，我們來認(rèn)識(shí)相關(guān)概念：（一）強(qiáng)度⑴體積強(qiáng)度：零件體積強(qiáng)度不足會(huì)產(chǎn)生斷裂或過大的塑性變形，體積強(qiáng)度就是抵抗這兩種失效的能力。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)使零件危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ、τ

不超過材料的許用應(yīng)力[σ][τ]、使危險(xiǎn)截面上的安全系數(shù)Sσ、Sτ不小于許用安全系數(shù)[Sσ][Sτ]，即1-11-2（一）強(qiáng)度⑵表面強(qiáng)度：表面強(qiáng)度可分為表面擠壓強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。

以面接觸的兩零件，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)使零件的最大擠壓應(yīng)力σH不超過材料的許用擠壓應(yīng)力。以線接觸的兩零件，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)使零件的最大接觸應(yīng)力σH不超過材料的許用擠壓應(yīng)力。即，1-3（二）剛度剛度：是指零件在載荷作用下抵抗變形的能力。如果零件的剛度不足，產(chǎn)生過大的彈性變形，會(huì)影響機(jī)器的正常工作（如機(jī)床主軸剛度不足會(huì)影響零件的加工精度）。這類零件應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，計(jì)算時(shí)須使零件在載荷作用下產(chǎn)生最大的彈性變形量不超過允用變形量，即1-4（三）耐磨性耐磨性：是指在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件表面抵抗損的能力。

在滑動(dòng)摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因?yàn)檫^度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對(duì)于磨損失效還沒有一個(gè)完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條件性計(jì)算，通過限制影響磨損的主要條件防止產(chǎn)生過大的磨損量。為防止產(chǎn)生過大的磨損應(yīng)滿以下條件：壓強(qiáng)不超過許用值p≤［p］速度不超過許用值v≤［v］壓強(qiáng)與速度乘積不超過許用值pv≤［pv］（四）震動(dòng)穩(wěn)定性

機(jī)械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象稱為振動(dòng)。當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件自身的自激振動(dòng)頻率時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動(dòng)穩(wěn)定性”。振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：應(yīng)使受激振作用零件的自激振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離外力變化的頻率。即f

＜0.85f或fF＞1.15f

式中：f――零件的自激振動(dòng)頻率

fF――外力變化的頻率.按特性應(yīng)力分為靜應(yīng)力：不隨時(shí)間變化或變化較緩慢的應(yīng)力變應(yīng)力：隨時(shí)間變化的應(yīng)力變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力tsts尖峰載荷ts周期ts周期二、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度（一）應(yīng)力的類型和特點(diǎn)二、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度靜應(yīng)力

非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力

對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力

脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力

幾種常見的應(yīng)力形式：各參數(shù)之間的關(guān)系：（二）疲勞斷裂的特征和疲勞曲線疲勞曲線（-N曲線）——即應(yīng)力比г一定時(shí)，表示疲勞極限與循環(huán)次數(shù)N之間關(guān)系的曲線。典型的疲勞曲線如下圖示：可以看出：隨N的增大而降低。但是當(dāng)N超過某一次數(shù)時(shí)（圖中N0），曲線趨于水平。即不再減小。則N0——稱為循環(huán)基數(shù)。以N0為界分為兩個(gè)區(qū)：注：大多數(shù)鋼的疲勞曲線形狀類似上圖所示。但是，高強(qiáng)度合金鋼和有色金屬的（-N）曲線沒有水平部分，不存在無限壽命區(qū)，因此，工程上常以認(rèn)為規(guī)定一個(gè)循環(huán)基數(shù)，而將此基數(shù)下的條件疲勞極限作為表征材料疲勞強(qiáng)度的基本指標(biāo)。也記為

1）無限壽命區(qū)：當(dāng)N≥N0時(shí)，曲線為水平直線，對(duì)應(yīng)的疲勞極限是一個(gè)定值，用表示。它是表征材料疲勞強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是疲勞設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。在工程設(shè)計(jì)中，一般可以認(rèn)為：當(dāng)材料受到的應(yīng)力不超過時(shí)，則可以經(jīng)受無限次的應(yīng)力循環(huán)而不疲勞破壞。——即壽命是無限的。2）有限壽命區(qū)：為了區(qū)別于，把曲線上非水平段（N＜N0）的疲勞極限稱為條件疲勞極限。當(dāng)材料受到的工作應(yīng)力超過時(shí)，在疲勞破壞之前，只能經(jīng)受有限次的應(yīng)力循環(huán)。——即壽命是有限的。（注：不同應(yīng)力比г時(shí)的疲勞曲線具有相似的形狀。但г越大，越大）。г↑↑第五節(jié)零件的結(jié)構(gòu)工藝性一、工藝性設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，不僅應(yīng)使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足生產(chǎn)要求，使所設(shè)計(jì)的零件具有良好的工藝性——在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費(fèi)勞動(dòng)量最小，加工費(fèi)用最少（工時(shí)少、設(shè)備少）的零件，就認(rèn)為具有良好的工藝性。否則就可能制造不出來，或雖能制造但費(fèi)工費(fèi)料很不經(jīng)濟(jì)?！に囆砸蟀庸すに嚭脱b配工藝零件結(jié)構(gòu)既要滿足使用上的要求，又要方便制造。下面列舉一些常見的工藝結(jié)構(gòu)，供畫圖時(shí)參考。一、鑄造零件的工藝結(jié)構(gòu)1、拔摸斜度在鑄造零件毛胚時(shí)，為了方便從砂型中取出模樣，一般沿模樣拔模方向作成約1：2的斜度，稱為撥模斜度。2、鑄造圓角在鑄造毛胚個(gè)表面的相交處，都有鑄造圓角，這樣既方便起模，又能防止?jié)茶T鐵水時(shí)，將砂型沖壞，還可以避免鑄件在冷卻時(shí)產(chǎn)生裂痕或縮孔。3、鑄件壁厚二、零件加工面的工藝結(jié)構(gòu)1、倒角和倒圓在澆鑄零件時(shí)，為了避免各部分冷卻速度的不