机械设计 第一篇 总论讲解

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1、机 械 设 计 主编 濮良贵 参考书： 1. 机械设计，邱宣怀主编，高教出版社 2. 机械设计，吴宗泽主编 ，高教出版社 机械设计课程成绩评定 序号 考察项目 成绩比例 1 期末考试 80 % 2 平时作业加实验 20 % 第一篇 总论 第一章 绪论 第二章 机械设计总论 第三章 机械零件的强度 第四章 摩擦、磨损及润滑概述 第一章第一章 总论总论 1-1 机械工业在现代化建设中的作用 1-2 本课程的内容、性质与任务 1-1 机械工业在现代化建设中的作用 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志 。 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或 不便进行的工作

2、，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳 动生产率和改善劳动条件。 只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便 于实现高度的机械化、电气化和自动化。 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发 展的力度加速我国的现代化建设。 （一）机器的基本组成要素 1-2 本课程内容、性质与任务 机器：执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。 机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体 。 机械：机器和机构的总称。 零件、构件、机构、机器等关系 零件 刚性 组合

3、构件 机架 原动件 从动件 运动副 组合 机构 机器 原动机 工作机 信息机 机器的基本组成要素是机械零件 机械零件：组成机器的不可拆的基本单元。 部件：为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件 。 机械零件 通用件：各种机器中普通使用的零件。 如：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动、轴、联轴器、 离合器、滚动轴承、滑动轴承、螺栓、键、花键、销、铆、焊、胶 结构件、弹簧、机架、箱体等。 专用件：只在一定类型的机器中使用的零件。 如：叶片、犁铧、枪栓等。 本课程只研究通用零件。 标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件 。 易损件：在正常运转过程中容易损坏，并在规定

4、期限内必须更换 的零件或部件。 （二）本课程的具体内容 2）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接 3）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动 以及摩擦轮传动等； 4）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，离合器 5）其他部分：弹簧，减速器，机架 1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料 选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识； 课程性质：一门设计性质的技术基础课，起承上启下的作用。 承上：本课程与前面所学的课程：高数、制图、力学、机械原理 、公差等均有联系 启下：本课程是学习后续专业课程的基础：机制工艺学、机电一 体化、机床、刀具

5、、汽车等 课程目的（任务）：综合运用各种机械零件、各种机构的知识以 及其他先修课程的知识，掌握设计机械传动装置和一般机械的能 力。 （三）本课程的性质 本课程所涉及的先修课程有： 工程制图：设计的图形表达。 工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。 机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。 公差配合与技术测量：解决精度设计问题。 理论力学：解决力分析与动力计算。 材料力学：解决强度分析问题。 机械原理：解决机械的方案设计。 （四）本课程的任务 l1）有正确的设计思想并勇于创新探索； l2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律 ，进而具有综合运用所学知识，研究改进或开发新的基 础件及设计简

6、单的机械的能力； l3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术 资料的能力； l4）掌握典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技 能的基本训练； l5）了解机械设计的最新动态。 第二章第二章 机械设计总论机械设计总论 2-1 机器的组成 2-2 设计机器的一般程序 2-3 2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求 2-4 2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 2-5 2-5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求 2-6 2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则 2-7 2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法 2-8 2-8 机械零件设计的

7、一般步骤机械零件设计的一般步骤 2-9 2-9 机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用 2-10 2-10 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 2-11 2-11 机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介 2-1 机器的组成 人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各 异的机器。 一台完整的机器的组成大致可包括： 原动机部分传动部分执行部分 辅助系统，例如：润滑、显示、照明等 控 制 系 统 传感器传感器传感器 简单的机器只由原动机部分、传动部分和执行部分这三部分组成 ，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高， 辅助系统、控制系统就应运而生。 机器

8、的组成（本节将以汽车为例讲述机器的组成） 1动力部分： 原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等） 2执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身） 3传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速 箱、传动轴、差速器等） 4控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它 各种操作手柄及刹车、油门、离合器踏板） 5辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照明、显示、 信号等） 2-2 设计机器的一般程序 机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平 ，机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定 的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机 器的一般程序。 设计的各个阶段是相互

9、联系、相互影响、相互制约的， 在设计中不可避免的会出现反反复复，在设计中要注意 运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如采用优 化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质 量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽快地进入 市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。 设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细 表、使用说明书等 样机样机试制、检测、验收、改进原型的设计 市场调研、比较分析并拟定设计任务书设计任务书如:开发的 吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先 进性等 计划阶段 (提出问题) 技术设计阶段 (解决问题) 技术文件编制阶 段 方案设计阶段 (分析问题)

10、 试制鉴定阶段 (验证问题) 对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价 决策、选择最终方案最终方案。如：四轮、三轮；柴油机、汽 油机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等 机器运动学设计：原动机参数-各运动构件的运动参数 机器动力学计算：由运动参数计算零件所受载荷的大小 零件工作能力设计：由载荷进行零件的初步设计 部件装配草图及总装配草图设计：绘图（总装图、部件 图、零件图 主要零件的校核 初步计算及设计 产品设计定型 批量生产阶段 从小批到中批再到大批，注重售后服务售后服务，不断 反馈信息，不断改进、不断提高 （一）使用功能要求 机器应具有预定的使用功能 如起动、转 弯半径、吨

11、位、速度、制动等 （二）经济性要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、 系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等） （三）劳动保护和环境保护要求 安全装置（气囊、安全带）、噪声；环境保护（尾气、噪声） （以汽车为例） （六）其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等） 2-3 对机器的主要要求 （四）寿命与可靠性的要求 在规定的使用条件及使用期限 内不出故障 （五）人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则 机械设计中的“三化” 1 1 标准化标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、 设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹 联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的

12、、集中制造，用 户根据要求选用） 2 2 系列化系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基 本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品 ，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程 机械的系列化） 33通用化通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（如：汽车与 农用车之间零部件的通用） 2-4 机械零件的主要失效形式 失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能 时，称为失效。同一种零件发生失效的形式可能有多 种，不同的工作条件，失效形式不同。 工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为工 作能力。 机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余 变形、

13、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的 失效等。 （一）整体断裂 整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过 零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面 发生的疲劳断裂。 齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂 （二）过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产 生残余变形。 齿轮齿面塑形变形 轴承外圈塑性变形 （三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀） 。 齿面接触疲劳 轴瓦磨损 （四）破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如 ： 液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传

14、动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当 的间隔才能正常工作。 零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载 荷性质等很多因素有关。 有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨 损、腐蚀等因素引起。 （一）避免在预定寿命期内失效的要求 1. 1.强度强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形） 2. 2.刚度刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度 3. 3.寿命寿命：零件正常工作延续的时间，影响寿命的主要因素有材料 的疲劳、材料的腐蚀、磨损 2-5 设计机械零件时应满足的基本要求 （二）结

15、构工艺性的要求 结构简单便于制造加工与装配 （三）经济性 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。价廉物美（遵循 三化原则） （四）质量小的要求 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。 （五）可靠性要求 应降低零件发生故障的可能性（概率）。零件的可靠性决定了 机器的可靠性。 2-6 机械零件的设计准则 （一） 强度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则 以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则： 零件中的应力不得超过允许的限度。即：确保零件不发生 断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。 两种判断零件强度的方法 1、强度条件 2、实际安全系数 静应力时零件的主

16、要失效形式：塑性变形、断裂 塑性材料 脆性材料 塑性材料极限应力： 脆性材料极限应力： 变应力时零件的主要失效形式：疲劳破坏 （二）刚度准则 确保零件不发生过大的弹性变形。 （三）寿命准则 通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。 （四）振动稳定性准则 高速运转机械的设计应注重此项准则 。 （五）可靠性准则 可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完 成规定功能的能力。 当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。 2-7 机械零件的设计方法 机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方 法两大类。 现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善 、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法 。如机械优