《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 》課件-第1章

項目一機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)知識任務(wù)一機(jī)械的組成任務(wù)二機(jī)械設(shè)計的性質(zhì)及基本要求

知識目標(biāo)

(1)掌握機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件、零件、部件等基本概念。(2)掌握機(jī)器與機(jī)構(gòu)、構(gòu)件與零件的區(qū)別。(3)掌握機(jī)械的組成。能力目標(biāo)

會判斷機(jī)器和機(jī)構(gòu)。

任務(wù)一機(jī)械的組成

任務(wù)導(dǎo)入圖1－1所示為單缸內(nèi)燃機(jī),說明單缸內(nèi)燃機(jī)的組成及其工作原理。

圖1-1單缸內(nèi)燃機(jī)

任務(wù)實施

一、機(jī)械的概念

機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。

1.機(jī)器

機(jī)器是由若干個機(jī)構(gòu)構(gòu)成的組合體,是根據(jù)某種使用要求而設(shè)計的一種執(zhí)行機(jī)械運動的裝置,用來代替或減輕人類的勞動強(qiáng)度,改善勞動條件,提高勞動生產(chǎn)率。

機(jī)器的主要特征是:

(1)它是人為的實物組合;

(2)各實物間具有確定的相對運動;

(3)能完成有效的機(jī)械功(如機(jī)床)或轉(zhuǎn)換機(jī)械能以及實現(xiàn)信息傳遞和變換的功能,以代替或減輕人類的勞動。

機(jī)器分為原動機(jī)和工作機(jī)。原動機(jī)用于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換(如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動機(jī)等),種類有限;工作機(jī)用于完成有用功(如機(jī)床等),種類繁多。

工作機(jī)由原動機(jī)部分、工作部分、傳動部分和控制部分組成。原動機(jī)部分是工作機(jī)動力的來源,最常見的是電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。工作部分用于完成預(yù)定的動作,位于傳動路線的

終點。傳動部分是連接原動機(jī)和工作部分的中間部分。控制部分用于保證機(jī)器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。各部分的關(guān)系如圖1-2所示。

圖1-2工作機(jī)各組成部分之間的關(guān)系

2.機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組成,用來傳遞運動和動力或改變運動形式的裝置,如圖1-3所示的連桿機(jī)構(gòu)和圖1-4所示的齒輪機(jī)構(gòu)。

只有確定的相對運動,而不能代替人做有用的機(jī)械功的構(gòu)件組合稱為機(jī)構(gòu)。例如,摩托車是機(jī)器,而自行車是機(jī)構(gòu)。

機(jī)構(gòu)分為通用機(jī)構(gòu)和專用機(jī)構(gòu)。通用機(jī)構(gòu)的用途廣泛,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)。

圖1-3連桿機(jī)構(gòu)圖1-4齒輪機(jī)構(gòu)

任何復(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。實際機(jī)器的種類有成千上萬種,但機(jī)構(gòu)的種類有限。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的關(guān)系類似于化合物與化學(xué)元素的關(guān)系。

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)和運動方面并無區(qū)別(僅作用不同),故統(tǒng)稱為機(jī)械。

二、機(jī)械中的構(gòu)件、零件及部件

1.構(gòu)件

構(gòu)件是具有各自特定運動的運動單元。

機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組成的,構(gòu)件在機(jī)構(gòu)中具有獨立的運動特性,在機(jī)械中形成一個運動整體。圖1-5(a)所示的內(nèi)燃機(jī)是由活塞、連桿、曲軸和汽缸等構(gòu)件構(gòu)成的一個典型的曲柄滑

塊機(jī)構(gòu),其中,原動件活塞作直線往復(fù)運動,通過連桿帶動曲軸作連續(xù)轉(zhuǎn)動。

圖1-5內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和連桿

2.零件

1-)零件的概念

零件是機(jī)械加工的最小單元體。

機(jī)械都是由機(jī)械零件組成的。機(jī)械零件是指機(jī)械中每一個單獨加工的單元體,如圖1-1所示的曲軸。構(gòu)件可以是單一的機(jī)械零件,也可以是若干機(jī)械零件的剛性組合。例如圖1-5(b)所示的連桿,它是由連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等零件組合而成的。這些零件之間沒有相對運動,是一個運動整體,故屬一個構(gòu)件。因此,構(gòu)件是運動的單元,零件是制造單元。

隨著機(jī)械的功能和類型日益增多,作為組成機(jī)械的最基本單元的零件更是多種多樣。通常將機(jī)械零件分為通用機(jī)械零件和專用機(jī)械零件兩大類。

2)零件與構(gòu)件的關(guān)系

一個構(gòu)件可以是一個零件,也可以是若干個零件的剛性組合體。

3.部件

1)部件的概念

部件是為完成同一工作,由若干個零件組成的協(xié)同工作組合體,如減速器、主軸箱車床尾座等。

2)部件與構(gòu)件的區(qū)別

部件與構(gòu)件的區(qū)別是各組成零件之間有相對運動。

4.機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件的關(guān)系

機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件的關(guān)系如圖1-6所示。圖1-6機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件的關(guān)系

任務(wù)二機(jī)械設(shè)計的性質(zhì)及基本要求

任務(wù)導(dǎo)入機(jī)械設(shè)計的基本要求及一般程序是什么?

任務(wù)實施

一、機(jī)械設(shè)計課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)

1.機(jī)械設(shè)計課程的內(nèi)容

(1)研究各種常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動的結(jié)構(gòu)、工作特點、運動和動力特性及其設(shè)計計算方法;

(2)從強(qiáng)度、剛度、壽命、結(jié)構(gòu)工藝性和材料選擇等方面,研究通用零部件的設(shè)計計算方法;

(3)研究機(jī)械零部件的工作能力和計算準(zhǔn)則,分析機(jī)械零件設(shè)計的基本要求和一般步驟。

2.機(jī)械設(shè)計課程的性質(zhì)

本課程是介于基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間的主干課程,綜合性應(yīng)用性很強(qiáng),是培養(yǎng)學(xué)生具有一定設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課程。

3.機(jī)械設(shè)計課程的任務(wù)

本課程的主要任務(wù)是通過課堂學(xué)習(xí)、習(xí)題、課程設(shè)計和課程實驗、實訓(xùn)等教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生達(dá)到如下學(xué)習(xí)目標(biāo):

(1)掌握物體機(jī)械運動的一般規(guī)律及常用機(jī)構(gòu)的工作原理、運動特性和運動設(shè)計的方法。

(2)掌握構(gòu)件承載能力的計算方法及通用零部件的原理分析、設(shè)計計算方法和選用的基本知識。

(3)樹立正確的設(shè)計思想,了解機(jī)械設(shè)計的一般規(guī)律。

(4)初步具備一般簡單機(jī)械的維護(hù)、改進(jìn)和設(shè)計能力。

(5)具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊以及查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。

二、機(jī)械設(shè)計的基本要求

1.使用要求

按強(qiáng)度條件設(shè)計的零件,當(dāng)其尺寸和重量都受限制時,應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料;按剛度條件設(shè)計的零件,應(yīng)選用彈性模量較大的材料;若零件表面接觸應(yīng)力較高(如齒輪),應(yīng)選用可以進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的材料(如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼)。此外,對容易磨損的零件(如蝸輪),應(yīng)選用耐磨性好的材料;對滑動摩擦下工作的零件(如滑動軸承),應(yīng)選用減摩性好的材料;對高溫下工作的零件,應(yīng)選用耐熱材料;對腐蝕性介質(zhì)中工作的零件,應(yīng)選用耐腐蝕材料。

2.工藝要求

工藝要求是指選擇冷、熱加工性能好的材料。零件加工應(yīng)考慮到零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小和毛坯類別。對于外形復(fù)雜、尺寸較大的零件,若采用鑄造毛坯,則應(yīng)采用鑄造性能好的材料;若采用焊接毛坯,則應(yīng)選用焊接性能好的低碳鋼,因為含碳量超過0.3%的鋼難以焊接;對于尺寸較小、外形簡單、大量生產(chǎn)的零件,適合沖壓或模鍛,應(yīng)選用延展性較好的材料;需要熱處理的零件,所選材料應(yīng)有良好的熱處理性能。此外,還要考慮材料的易加工性,包括零件熱處理后的易加工性。

3.經(jīng)濟(jì)性要求

經(jīng)濟(jì)性是一項綜合性的指標(biāo),要求零件設(shè)計和制造的成本低,生產(chǎn)效率高,能源與材料的消耗少,維護(hù)和管理的費用低等。

在機(jī)械的成本中,材料費用約占30%以上,有的甚至達(dá)到50%,可見選用廉價材料有重大的意義。選用廉價材料,節(jié)約原材料,特別是節(jié)約貴重材料,是機(jī)械設(shè)計的一個基本原則。為了使零件最經(jīng)濟(jì)地制造出來,不僅要考慮原材料的價格,還要考慮零件制造費用。為此,可采取如下具體措施:

(1)盡量采用高強(qiáng)度鑄鐵(如球墨鑄鐵)來代替鋼材,用工程塑料或粉末冶金材料代替有色金屬材料。

(2)采用熱處理(包括化學(xué)熱處理)或表面強(qiáng)化(如噴丸、滾壓等)工藝,充分發(fā)揮和利用材料潛在的力學(xué)性能。

(3)合理采用表面鍍層(如鍍鉻、鍍銅、噴涂減摩層、發(fā)黑等)方法,以減少和延緩腐蝕或磨損的速度,延長零件的使用壽命。

(4)采用組合式零件結(jié)構(gòu),在零件的工作部分使用貴重材料,其他非直接工作部分則可采用廉價的材料。例如大直徑的蝸輪,常采用青銅齒圈和鑄鐵輪芯的組合式結(jié)構(gòu),以節(jié)約大量的有色金屬。

(5)改善工藝方法,提高材料利用率,降低成本。例如采用冷鐓錐齒輪代替齒形刨削加工,實現(xiàn)無切削加工。

(6)用我國富有元素(錳、硅、硼、鉬、釩、鈦等)的合金鋼代替稀有元素(鉻、鎳等)的合金鋼。在選用材料時,還應(yīng)注意本國、本地區(qū)、本企業(yè)的材料供應(yīng)情況,盡可能就地取材,減少采購和管理費用。

4.勞動和環(huán)境保護(hù)要求

在設(shè)計機(jī)器的時候,應(yīng)符合勞動保護(hù)法規(guī)的要求。機(jī)器的操作系統(tǒng)要簡便、安全和可靠,要有利于減輕操作人員的勞動強(qiáng)度。

5.其他特殊要求

在設(shè)計機(jī)器的時候,還應(yīng)滿足某些特殊的要求。如食品機(jī)械必須保持清潔,不能污染食品等。

總之,盡量做到結(jié)構(gòu)上可靠,工藝上可能,經(jīng)濟(jì)上合理。

三、機(jī)械零件設(shè)計的一般過程

機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本要素,其設(shè)計是機(jī)器設(shè)計中極其重要且工作量較大的設(shè)計

環(huán)節(jié)。設(shè)計機(jī)械零件的一般步驟如下:

(1)建立零件的受力模型。根據(jù)簡化計算方法,確定作用在零件上的載荷。

(2)根據(jù)零件功能的要求選定零件的類型與結(jié)構(gòu)。

(3)根據(jù)零件的工作條件及零件的特殊要求,選擇零件材料及熱處理方法。

(4)根據(jù)零件的工作情況的分析,判定零件的失效形式,從而確定其設(shè)計準(zhǔn)則。

(5)選擇零件的主要參數(shù),并根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則計算零件的主要尺寸。

(6)進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這是零件設(shè)計中極為重要的設(shè)計內(nèi)容,往往設(shè)計工作量較大。

(7)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,必要時要進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。如果不滿足強(qiáng)度的要求,則應(yīng)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(8)繪制零件工作圖,編寫計算說明書及有關(guān)技術(shù)文件。

任務(wù)總結(jié)