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1、机机 械械 设设 计计 基基 础础 第第1章章绪绪论论 从一个机械设计师的角度出发，运用本课程的内容从一个机械设计师的角度出发，运用本课程的内容和方法去分析问题和解决问题。和方法去分析问题和解决问题。本章要点包括：本章要点包括：1.机械的组成。机械的组成。2.机械设计的基本要求和一般程序。机械设计的基本要求和一般程序。3.机械零件设计的基本知识和一般步骤。机械零件设计的基本知识和一般步骤。本课程的研究对象本课程的研究对象：机械机械 机械为机械为机器机器与与机构机构的总称的总称1.1 机械的组成一、机器机器工厂中：车床、铣床、刨床、磨床、压床等。工厂中：车床、铣床、刨床、磨床、压床等。农村中：拖
2、拉机、收割机等。农村中：拖拉机、收割机等。家庭中：冰箱、洗衣机、自行车等家庭中：冰箱、洗衣机、自行车等。机器具有以下共同特征：机器具有以下共同特征：（1）机器的主体是若干机构的组合；）机器的主体是若干机构的组合；（2）用于传递运动和动力；）用于传递运动和动力；（3）具有变换或传递能量、物料或信息的功能。）具有变换或传递能量、物料或信息的功能。二、机构二、机构 机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运动，但不具备机器的变换或传递能量、物料、信息的功能。动，但不具备机器的变换或传递能量、物料、信息的功能。常用机构：常用机构：连杆机构、凸轮机构、间
3、歇机构、齿轮机构等。连杆机构、凸轮机构、间歇机构、齿轮机构等。连杆机构连杆机构齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构间歇机构间歇机构三、构件和零件三、构件和零件1.构件构件构件：机构中作相对运动的各个运动单元。构件：机构中作相对运动的各个运动单元。构件是运动的单元：可能是单一的刚体或是多个零件构件是运动的单元：可能是单一的刚体或是多个零件的刚性组合。如；内燃机中的曲轴或连杆。的刚性组合。如；内燃机中的曲轴或连杆。连杆1连杆体；2连杆盖；3、4、5轴瓦；6螺栓；7螺母；8销曲轴2.零件零件零件是零件是机器中机器中的制造单元。制造单元。零件分为两类：零件分为两类：（1）通用零件：各种机器中普遍使用的零件
4、，如齿轮、）通用零件：各种机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴承、弹簧、螺栓等。轴承、弹簧、螺栓等。（2）专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如曲）专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如曲轴、活塞、叶片、吊钩等。轴、活塞、叶片、吊钩等。2.研究各种通用机械零件（连接件、传动件、轴系件研究各种通用机械零件（连接件、传动件、轴系件等）的结构、特点及工作原理、选用原则、设计和计算方等）的结构、特点及工作原理、选用原则、设计和计算方法、使用及维护等。法、使用及维护等。四、本课程研究的内容四、本课程研究的内容1.常用机构（连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇常用机构（连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动
5、机构）的组成形式和运动特性、选用原则，以及机运动机构）的组成形式和运动特性、选用原则，以及机器动力学基础知识。器动力学基础知识。1.2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序机械设计是根据用户的需求，创造性地设计和制造出具机械设计是根据用户的需求，创造性地设计和制造出具有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求（1 1）使用要求：根据预期的使用功能，确定机构的组合。）使用要求：根据预期的使用功能，确定机构的组合。（2 2）经济性要求：机械的经济性体现在设计、制造和使用）经济性要求：机械的经济性体现
6、在设计、制造和使用的全过程。的全过程。（3 3）人、机和环境要求：所设计的机械应使人、机和环境）人、机和环境要求：所设计的机械应使人、机和环境所组成的系统关系协调。所组成的系统关系协调。（4 4）可靠性要求：机械在规定的环境条件下和规定的使用）可靠性要求：机械在规定的环境条件下和规定的使用期限内，完成规定功能的一种特性。期限内，完成规定功能的一种特性。（5 5）其它要求：不同的机械还有一些特殊的要求：）其它要求：不同的机械还有一些特殊的要求：如机床如机床有长期保持精度的要求；飞机有减轻质量的要求；食品机械有有长期保持精度的要求；飞机有减轻质量的要求；食品机械有防止污染的要求等。防止污染的要求等
7、。产品规划产品规划结构方案设计结构方案设计原理方案设计原理方案设计技术技术设计设计施工设计施工设计可行性报告可行性报告设计任务书设计任务书原理方案图原理方案图结构设计草图结构设计草图总装配图总装配图部装图、零件图部装图、零件图技术文档技术文档投产和售后服务投产和售后服务二、机械设计的一般过程二、机械设计的一般过程 1.1.产品规划阶段产品规划阶段 根据市场预测、用户需求调查和可行性分析，制定出机器根据市场预测、用户需求调查和可行性分析，制定出机器的设计任务书。的设计任务书。2.2.方案设计阶段方案设计阶段 在功能分析的基础上，确定机器的工作原理和技术要求，在功能分析的基础上，确定机器的工作原理
8、和技术要求，拟定机器的总体布置、传动方案和画出机构运动简图。拟定机器的总体布置、传动方案和画出机构运动简图。3.3.技术设计技术设计阶段阶段 将机器的功能原理方案具体化为机械及零部件的合理结构，将机器的功能原理方案具体化为机械及零部件的合理结构，画出总体设计图。画出总体设计图。4.4.施工设计阶段施工设计阶段 进行总装配图、部件装配图和零件工作图的设计，完成全进行总装配图、部件装配图和零件工作图的设计，完成全部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件。部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件。1.3机械零件的主要失效形式和计算准则一、机械零件的主要失效形式一、机械零件的主要失效形式失效：机械
9、零件由于各种原因造成丧失正常工作能力失效：机械零件由于各种原因造成丧失正常工作能力的现象。的现象。1.断裂断裂1）过载断裂）过载断裂 零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时，造成过载断裂失效。的强度极限时，造成过载断裂失效。2）疲劳断裂）疲劳断裂 零件在循环变应力作用下，零件在循环变应力作用下，长时间工作的零件，容易发生疲长时间工作的零件，容易发生疲劳断裂。如：齿轮轮齿根部的折劳断裂。如：齿轮轮齿根部的折断。断。2.过大的残余变形过大的残余变形当作用在零件上的应力超过材料的屈服极限当作用在零件上的应力超过材料的屈服极限s时，
10、零时，零件将产生塑性变形。塑性变形改变零件的形状和尺寸，破件将产生塑性变形。塑性变形改变零件的形状和尺寸，破坏零件间的配合关系。坏零件间的配合关系。3.表面失效表面失效磨损磨损1)2)腐蚀腐蚀3)疲劳点蚀疲劳点蚀4.破坏正常工作条件而引起的失效破坏正常工作条件而引起的失效1)带传动的过载打滑带传动的过载打滑2)重载齿轮传动、重载齿轮传动、蜗杆传动的齿面胶合与磨损蜗杆传动的齿面胶合与磨损磨损磨损疲劳点蚀疲劳点蚀二、设计准则二、设计准则计算准则：针对不同失效形式建立的判定零件工作计算准则：针对不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为机械零件的设计准则。能力的条件，称为机械零件的设计准则。1.
11、强度准则：零件在外载荷作用下所产生的最大应强度准则：零件在外载荷作用下所产生的最大应力力不超过零件的许用应力不超过零件的许用应力。由于强度不足会引起机械零件断裂、塑性变形、疲由于强度不足会引起机械零件断裂、塑性变形、疲劳点蚀。劳点蚀。强度条件：强度条件：2.刚度准则：机械零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则：机械零件抵抗弹性变形的能力。刚度条件：刚度条件：轴的挠度y和偏转角3.寿命准则寿命准则影响零件寿命的主要因素有磨损、疲劳和腐蚀。影响零件寿命的主要因素有磨损、疲劳和腐蚀。1）耐磨性）耐磨性摩擦与磨损与零件的结构、摩擦副材料、热处理方摩擦与磨损与零件的结构、摩擦副材料、热处理方式、润滑条件等诸多
12、因素有关，设计时应运用摩擦学原式、润滑条件等诸多因素有关，设计时应运用摩擦学原理，综合考虑上述因素。理，综合考虑上述因素。2）疲劳寿命）疲劳寿命应按使用寿命的疲劳极限进行计算。应按使用寿命的疲劳极限进行计算。3）腐蚀寿命）腐蚀寿命目前尚无计算方法，选材时应根据防腐要求确定。目前尚无计算方法，选材时应根据防腐要求确定。4.振动稳定性准则：设计时使机器中受激振作用的各振动稳定性准则：设计时使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振频率错开，以避免产生共振。零件的固有频率与激振频率错开，以避免产生共振。剧烈振动会影响机器的工作质量和运转精度，当机器剧烈振动会影响机器的工作质量和运转精度，当机器的自振
13、频率与激振频率一致时，会发生共振，振幅急剧增的自振频率与激振频率一致时，会发生共振，振幅急剧增大，零件失去稳定性，使机器或零件损坏。大，零件失去稳定性，使机器或零件损坏。对高速转动零件应作振动稳定性计算，避开共振区。对高速转动零件应作振动稳定性计算，避开共振区。5.热平衡准则：零件的工作温度过高或由于摩擦生热热平衡准则：零件的工作温度过高或由于摩擦生热而形成高温，会使零件产生热变形、热应力，破坏正常的而形成高温，会使零件产生热变形、热应力，破坏正常的润滑条件，造成胶合破坏。润滑条件，造成胶合破坏。对连续工作的蜗杆传动、滑动轴承通常需进行热平衡对连续工作的蜗杆传动、滑动轴承通常需进行热平衡计算。
14、计算。三、机械零件设计的一般步骤三、机械零件设计的一般步骤 机械零件设计的一般步骤为：机械零件设计的一般步骤为：（1 1）根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的）根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的结构。结构。（2 2）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择材料）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择材料和热处理方式。和热处理方式。（3 3）根据零件的工作情况建立零件的计算简图，计算作用）根据零件的工作情况建立零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。在零件上的载荷。（4 4）分析零件工作时可能出现的失效形式，确定满足零件）分析零件工作时可能出现的失效形式，确定满足零件
15、工作能力的计算准则，并计算出零件的主要尺寸。工作能力的计算准则，并计算出零件的主要尺寸。（5 5）根据工艺性及标准化等原则，进行零件的结构设计。）根据工艺性及标准化等原则，进行零件的结构设计。（6 6）绘制出零件工作图，编制设计计算说明书。）绘制出零件工作图，编制设计计算说明书。1.4机械零件的设计方法机械零件的设计方法1.理论设计理论设计（1）设计计算）设计计算：按设计公式直接求得零件的主要尺寸。：按设计公式直接求得零件的主要尺寸。（2）校核计算）校核计算：已知零件的各部分尺寸，校核其是否能满足：已知零件的各部分尺寸，校核其是否能满足有关的设计准则。有关的设计准则。2.经验设计：根据对同类零
16、件已有的设计与使用实践，归纳经验设计：根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。机械零件的设计方法：常规设计方法、现代设计方法。机械零件的设计方法：常规设计方法、现代设计方法。一、常规设计方法一、常规设计方法 以经验为基础，以力学分析或实验形成的公式、经验数据、标以经验为基础，以力学分析或实验形成的公式、经验数据、标准和规范作为设计依据，采用经验公式、模型或类比等设计方法。准和规范作为设计依据，采用经验公式、模型或类比等设计方法。3.模型实验设计：对于尺寸大，结构复杂，工况条件特殊，模型实验设计：对于尺寸大，结构复杂，工况条件特殊，又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或样机又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或样机设计。设计。二、二、现代设计方法现代设计方法随着新材料、新工艺、新技术等的不断涌现，推动机械产品向大随着新材料、新工艺、新技术等的不断涌现，推动机械产品向大功率、高速度、高精度和自动化方向发展，产生了机械设计的现代设功率、高速度、高精度和自动化
