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1、机械设计基础 主讲：申儒林 博士 副教授 中南大学机电工程学院 Tel: 13808480496 Email: srl1234 Public email: jixiejichu passward： 1234321 第1章 绪 论 11 本课程研究的对象和内容 12 本课程在教学中的地位 13 机械设计的基本要求和一般过程 15 机械零件的材料选择 14 机械零件工作能力和计算准则 16 机械零件的结构工艺 17 机械零件设计中的标准化 顾名思义，本课程研究对象为：机械 机械 机器 斜面 任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。 机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的 组合体。 机构 （包括
2、：龙门龙门 吊、鹤鹤式吊、汽车车吊、 卷扬扬机、叉车车、电电梯电脑电脑 控制）。 一般而言， 机械是机器和机构的总称 杠杆 起重轱辘轱辘滑轮组轮组 手动动(电动)葫芦 现现代起重机 起重机的发展历程： 11 本课程研究的对象和内容 机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。 机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、 齿轮机构等。种类有限 如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用 机器、起重机等。 机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但 具有相同的基本特征。 典型机器的分析： 1.内燃机 内燃机 组成： 6 5 43 8 7 1
3、 2 9 10 汽缸体1、活塞2、进气阀3、 排气阀4、连杆5、曲轴6、 凸轮7、顶杆8、齿轮9、10 工作原理： 1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点火燃烧； 3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭； 4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。 循环运动的结果，使曲轴 输出连续的旋转运动 设计：潘存云 进气压缩爆炸排气 内燃机的工作过程： 活塞的往复运动通过连杆转变为曲 轴的连续转动，该组合体称为： 内燃机各部分的作用： 曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为： 凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成
4、协调动 作，称为：齿轮机构 各部分协调动作的结果： 化学能 机械能 机器的共有特征： 人造的实物组合体； 各部分有确定的相对运动； 代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换 机器的作用 机器的分类： 原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机） 种类有限 工作机完成有用功（如机床等） 种类繁多 机器的组成： 原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。 工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。 其关系如下 机械 机器 机构 原动机 传动 工作 控制 原动机 工作机 控制器(控制) 电
5、动机(原动) 带(传动) 减速器(传动) 波轮(工作) 分析自动洗衣机的组成： 同理，通过对典型机构进行分析可知： 机构的共有特征： 人造的实物组合体； 各部分有确定的相对运动； 用来传递力或实现运动的转换。 机构的分类：通用机构和专用机构。 通用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。 专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。 机器与机构的关系：由两个实例推广到一般 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组 合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素 由机器与机构的共有特征可知： 机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同 ） ，故统称为
6、机械。人造的组合体、有确定的相对运动 课程性质： 技术基础课 作用： 承前启后 本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造 基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识 和实践技能的综合运用。 作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。 12 本课程在教学中的地位 机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。 基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效 率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和 造型美观。 机械设计的内容： 1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构； 2. 拟定设计方案； 3.
7、进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷； 4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。 13 机械设计的基本要求和一般过程 14 机械零件的工作能力和计算准则 机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低 ，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单 和造型美观等。 机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。 工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工 作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又 称为：承载能力。 零件的失效形式: 断裂或塑性变形; 过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤; 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩
8、擦传动的打滑等。 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为 对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件 强度条件：计算应力许用应力； 机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是： 计算量许用量 -工作能力计算准则。 2) 确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料; 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用 的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整 失效原因: 强度
9、、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。 刚度条件：变形量2% -含碳量 2% 铁碳合金 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低 廉。 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰锰、硼、钒类钒类 合金钢钢。 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。 零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 表9-2 常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 热轧圆刚 碳素结构钢Q235 （ 3342） 1 铸 件 优
10、质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 3.铜合金 -铜锌合金，并含有少量的锰锰、铝、镍 特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具 有良好的减摩性和抗腐蚀性。 零件毛坯获取方法：辗压、铸造。 应用：应用范围广泛。 种类 青铜 黄铜 轴承合金（巴氏合金） -含锡青铜、不含锡青铜 二、非金属材料 1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。 常
11、用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等 。硬橡胶可用于制造用水润润滑的轴轴承衬衬。 2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件 ，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝 热热性、绝缘绝缘 性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来 在机械制造中其应应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 选材因素： 设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用 途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺艺性能、经济经济 性 。 零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国
12、标、行标 和机械设计手册中查得。 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料 的品种。 16 机械零件的结构工艺 一、工艺性 零件设 计要求 使用要求-具备所要求的工作能力； 制造要求-制造工艺可行，成本低； 零件工艺性良好的标志： 在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。 工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 制备方法：选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。 毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。 单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。 大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。 2) 结构简单合理 最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合； 尽量减少加工面
13、数和加工面积； 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。 决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下 ，尽量采用较低的精度和表面质量。 尽量采用标准件； 增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、 螺纹、键、齿轮模数等）的数量； 4) 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸 。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。 尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉 末冶金等先进工艺满足上述要求。 欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工 艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。 内容： 1)产品品种规格的系
14、列化 将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等 依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足 用户的广泛要求。 定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实 践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标 准，以获得最佳秩序和效益。 2)零部件的通用化 将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经 过统一后实现互换； 3)产品质量标准化 要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、 加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。 16 机械零件设计中的标准化 基本特征：统一、简化。 意义： 1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品 质量，又能降低成本； 2)设计方面可减少设
15、计工作量； 3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。 标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学 管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过 标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。 标准层次：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准 。 推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用 。 标准 性质 强制标准（GB）-必须强制执行； 作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和 使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。 为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多 数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大 批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将 为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。 3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手 组装各种机构。 课程安排：共64学时，其中讲授56学时，实验8学时。 要求： 1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业
