机械设计基础 第一章绪论 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 本章要点包括 1 机械的组成 2 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设计方法 本课程的研究对象 机械机械为机器与机构的总称 第一节机械的组成 一 机器工厂中 车床 刨床 铣床 磨床等机加工设备 农村中 拖拉机 收割机等 家庭中 冰箱 洗衣机 自行车等 机器具有以下共同特征 1 机器的主体是若干机构的组合 2 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 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 连杆机构 凸轮机构 间歇机构 齿轮机构等 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 间歇机构 三 构件和零件 1 构件 机构中作相对运动的各个运动单元称为构件 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 2 零件 零件是机器中的制造单元 零件分为两类 1 通用零件 各种机器中普遍使用的零件 如螺栓 键 带轮 齿轮等 2 专用零件 特定类型机器中所使用的零件 如内燃机中的活塞 凸轮 洗衣机中的波轮 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 四 本课程研究的内容 1 常用机构 平面连杆机构 齿轮机构 凸轮机构 间歇运动机构 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 2 零件 零件是机器中的制造单元 零件分为两类 1 通用零件 各种机器中普遍使用的零件 如螺栓 键 带轮 齿轮等 2 专用零件 特定类型机器中所使用的零件 如内燃机中的活塞 凸轮 洗衣机中的波轮 叶片 吊钩等 第二节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 1 使用要求 根据预期的使用功能 确定机构的组合 2 经济性要求 机械的经济性体现在设计 制造和使用的全过程 3 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 4 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 5 其它要求 不同的机械还有一些特殊的要求 如机床有长期保持精度的要求 飞机有减轻质量的要求 食品机械有防止污染的要求等 原理方案图 结构设计草图 总装配图 二 机械设计的一般程序 二 机械设计的一般过程1 产品规划阶段根据市场预测 用户需求调查和可行性分析 制定出机器的设计任务书 2 方案设计阶段方案设计是在功能分析的基础上 确定机器的工作原理和技术要求 拟定机器的总体布置 传动方案和机构运动简图 3 技术设计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 最后画出总体设计图 4 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 完成全部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件 第三节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 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 1 断裂 1 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的强度极限时 造成过载断裂失效 2 疲劳断裂 零件在循环变应力作用下 长时间工作的零件 容易发生疲劳断裂 如 齿轮轮齿根部的折断 2 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 s时 零件将产生塑性变形 塑性变形改变零件的形状和尺寸 破坏零件间的配合关系 3 表面失效 磨损 1 2 腐蚀 3 疲劳点蚀 4 破坏正常工作条件而引起的失效 1 带传动的过载打滑 2 重载齿轮传动 蜗杆传动的齿面胶合与磨损 磨损 疲劳点蚀 二 机械零件的计算准则 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 称为工作能力计算准则 1 强度准则 零件在外载荷作用下所产生的最大应力 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 疲劳点蚀 强度条件 2 刚度准则 机械零件抵抗弹性变形的能力 刚度条件 3 寿命准则 影响零件寿命的主要因素是磨损 疲劳和腐蚀 1 耐磨性 摩擦与磨损与零件的结构 摩擦副材料 热处理方式 润滑条件等诸多因素有关 设计时应运用摩擦学原理 综合考虑上述因素 2 疲劳寿命 应按使用寿命的疲劳极限进行计算 3 腐蚀寿命 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 当机器的自振频率与干扰频率一致时 会发生共振 振幅急剧增大 使零件失去稳定性 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 5 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计算 三 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤为 1 根据零件的使用要求 选择零件的类型并设计零件的结构 2 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 3 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 4 分析零件工作时可能出现的失效形式 确定满足零件工作能力的计算准则 并计算出零件的主要尺寸 5 根据工艺性及标准化等原则 进行零件的结构设计 6 绘制出零件工作图 编制设计计算说明书 四 机械零件的设计方法 1 理论设计 1 设计计算 按设计公式直接求得零件的主要尺寸 2 校核计算 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 2 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 机械设计方法 常规设计方法 现代设计方法 1 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 标准和规范作为设计依据 采用经验公式 模型或类比等的设计方法 3 模型实验设计 对于尺寸很大 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 可采用模型或样机设计 2 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计方法 主要表现在 1 发展光机电一体化技术 提高机器的效率 生产率和自动化程度 2 采用断裂力学 有限元方法 摩擦学 统计强度理论 相似理论 模拟仿真技术 模态分析技术 监测技术等新的理论和技术 使设计结果更加符合实际 3 采用优化设计 可靠性设计和价值设计等方法 提高机械的性能 降低成本 4 利用计算机运算快速 准确 具有存储和逻辑判断功能等特点 并与图形分析 自动绘图等相结合 在人机交互作用下进行计算机辅助设计 CAD 第五节机械制造中常用材料及选择 一 常用材料 1 金属材料 1 铸铁 铸铁和钢都是铁碳合金 区别在于含碳量不同 铸铁是脆性材料 强度低 耐磨性差 不能碾压和锻造 但易熔性 流动性好 具有良好的铸造工艺性 另外具有减震性 价格便宜 铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为1 4 故铸件在结构上应尽量受压不受拉 铸铁常用于制造大型 形状复杂的零件 如 机床床身 机座 箱体等 第五节机械零件的常用材料和选择原则 一 机械零件的常用材料 机械零件常用的材料有钢 铸铁 有色金属和非金属等 常用材料的牌号 性能及热处理可查阅机械设计手册 1 钢 钢的种类很多 按化学成分分为碳素钢和合金钢 按用途分为结构钢 工具钢和特殊性能钢 按质量分为普通钢 优质钢和高级优质钢 按脱氧程度分为镇静钢 半镇静钢和沸腾钢 钢是机械制造中应用最广泛的材料 制造机械零件时可以轧制 锻造 冲压 焊接和铸造 并且可以用热处理方法获得较高的力学性能或改善加工性能 铸铁是碳的质量分数大于2 11 的铁碳合金 根据碳在铸铁中存在形式的不同 铸铁分为白口铸铁 灰铸铁和麻口铸铁 根据铸铁中石墨形态的不同分为 灰铸铁 石墨呈片状 可锻铸铁 石墨呈团絮状 球墨铸铁 石墨呈球状 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 3 有色金属合金 有色金属合金具有良好的减摩性 跑合性 抗腐蚀性 抗磁性和导电性等 在机械制造中常用的有铜合金 铝合金和轴承合金等 由于产量少 价格较贵 应节约使用 2 铸铁 灰铸铁属脆性材料 抗拉性差 但抗压性 耐磨性和抗振性较好 价格便宜 通常用作机架和壳体 球墨铸铁是使铸铁中的石墨呈球状 球墨铸铁的强度较灰铸铁高 且有一定的塑性 可代替铸钢和锻钢制造零件 4 非金属材料 橡胶是在生胶 天然橡胶或合成橡胶 中加入适量的硫化剂和配合剂组成的高分子弹性体 机械制造中的非金属材料有塑料 橡胶 陶瓷 木料 皮革等 1 工程塑料工程上用于制造机械零件 工程结构件的塑料 称为工程塑料 优点为 质轻 比强度高 耐腐蚀性能 减摩性与自润滑性能良好 绝缘性 耐电弧性 隔声性 吸振性优 工艺性好 缺点为 强度 硬度 刚度低 耐热性 导热性差 热膨胀系数大 易燃烧 易老化等 工程塑料可用于制造齿轮 蜗轮 轴承 密封件 各种耐磨 耐腐 绝缘等零件 2 橡胶 橡胶具有高弹性 较高的韧性 化学稳定性 耐蚀性 耐磨性 吸振性 密封性 能与金属 线织物 石棉等材料相连接 橡胶按用途分为通用橡胶和特种橡胶两类 通用橡胶用于制造传动件 减振 防振件和密封件等 特种橡胶用于制造在特殊环境下工作的制品 如耐磨件 散热管 电绝缘件 高级密封件 耐热零件等 5 新材料 近年来出现了许多新型材料 如复合材料 纳米材料和其他功能材料 1 复合材料 复合材料由基体材料与增强材料组成 它具有 密度小 比强度 比弹性模量高 抗疲劳性能 高温性能好 具有隔热 耐磨 耐蚀 减振性及特殊的光 电 磁方面的特性 常用复合材料有碳纤维树脂复合材料 玻璃钢 金属陶瓷等 2 金属陶瓷是一种将颗粒状的增强体均匀分散在基体内得到的复合材料 金属陶瓷常用作耐高温零件及切削加工刀具的材料 3 纳米材料又称超微细材料 其核子粒径范围在1 100nm 1nm 10 9m 之间 纳米材料具有优异的电 磁 光 力学 化学等特性 作为一种新型材料 在机械 电子 冶金 宇航 生物等领域有广泛的应用前景 二 机械零件常用材料的选择原则 机械零件的使用性能 工作可靠性和经济性与材料的选择有很大关系 因此 设计师在选择材料时 应充分了解材料的性能和适用条件 并考虑零件的使用 工艺和经济性等要求 1 使用要求为保证机械零件不失效 应根据零件所承受载荷的大小 性质以及应力状态 对零件尺寸及质量的限制 针对零件的重要程度 对材料提出强度 刚度 弹性 塑性 冲击韧度 吸振性能等力学性能方面的要求 同时 由于零件工作环境等其他要求 对材料可能还有密度 导热性 抗腐蚀性 热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求 2 工艺要求选择零件材料时必须考虑到制造工艺的要求 3 经济性要求从经济观点出发 在满足性能要求的前提下 应尽可能地选用价格低廉 资源丰富的材料 第六节机械零件的制造工艺性及标准化 一 机械零件的工艺性设计师在设计机械零部件的结构时 必须考虑结构的工艺性 在保证使用功能的前提下 力求所设计的零部件在制造过程中生产率高 材料消耗少 生产成本低 能源消耗少 同时 设计师还必须了解零件的制造工艺 从材料选择 毛坯制造 机械加工 装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题 零件结构工艺性的好坏关系机器的性能和经济性 关于零件工艺性方面的知识 读者可以查阅机械设计手册和相关书籍 二 机械设计中的标准化 零件的标准化 部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策 1 通用化是在设计系列产品时 采用同一结构和尺寸的零部件 它可以减少产品的规格 形状 尺寸和材料品种等 实现通用互换 2 系列化是将产品尺寸和结构按尺寸大小分档 按一定规律优化组合成产品系列 以减少产品型号数目 系列化是标准化的重要内容