绪 论多媒体教学课件多媒体教学课件 绪 论一、一、 从几个名词概念开始认识机械从几个名词概念开始认识机械 机器 机构 构件 零件 机械1.机械设计基础课程的研究对象与内容机械设计基础课程的研究对象与内容机械机械设计基础设计基础-是一门研究机械的运动学和动力学分析与设计的基本理论问题的课程。 绪 论单缸内燃机单缸内燃机1 1 活塞；活塞； 2 2 连杆；连杆； 3 3 曲柄轴；曲柄轴； 4 4 气缸体；气缸体； 5 5 凸轮；凸轮； 6 6 顶杆顶杆7 7 进、排气阀；进、排气阀； 8 8、9 9 齿轮齿轮 燃气推动活塞往复运动，经连杆转变燃气推动活塞往复运动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮是用来启闭进、为曲轴的连续转动。凸轮是用来启闭进、排气阀门的。为保证曲轴每转两周进、排排气阀门的。为保证曲轴每转两周进、排气阀门各启闭一次，曲轴和凸轮轴之间安气阀门各启闭一次，曲轴和凸轮轴之间安装了齿数比为装了齿数比为1:2的齿轮。这样，当燃气推的齿轮。这样，当燃气推动活塞运动时，各构件协调的动作，进、动活塞运动时，各构件协调的动作，进、排气阀有规律的启闭，加上气化点火等装排气阀有规律的启闭，加上气化点火等装置的配合，就把热能转化为曲轴回转的机置的配合，就把热能转化为曲轴回转的机械能。械能。 绪 论当机械手的手臂和手按指令有规律的运动时，手端夹持器便将物料运送当机械手的手臂和手按指令有规律的运动时，手端夹持器便将物料运送到预定的位置。到预定的位置。机械手、机械臂机械手、机械臂-传递运动、执行任务；传递运动、执行任务；气动、电力装置气动、电力装置-提供动力；提供动力；计算机计算机-实施控制。实施控制。工业机器人工业机器人 绪 论1 1、机器、机器 执行机械运动的装置。是一种可用来传递或变换能量、物料与信息的机构或机构的组合。它有三个特征三个特征。 在日常生活和工程实践中随处都可见到各种各样的机器。例如：2、机构、机构 是用来传递与变换运动和动力的可动装置。它有两个特征两个特征。 它是机器的重要组成部分。例如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。例如： 点击点击 绪 论机构的特征1）它是人为的实体组合；机器的特征3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为机械机械。机构机器2）各实体之间具有确定的相对运动； 绪 论机械的组成：（按功能）机械的组成：（按功能）机械的组成：（按功能）机械的组成：（按功能）1 1）动力部分：）动力部分：机械动力的来源；（机械动力的来源；（利用热力、电力的电动机内燃机利用热力、电力的电动机内燃机）3 3）执行部分：）执行部分：能完成机械预期的动作；（能完成机械预期的动作；（机构机构 主体主体）2 2）传动部分：）传动部分：把原动机运动和功率传递给工作机的中间环节；（把原动机运动和功率传递给工作机的中间环节；（机构机构 主体主体）4 4）控制部分：）控制部分：提供执行动作指令。（提供执行动作指令。（计算机、传感器、电气液压气压装置计算机、传感器、电气液压气压装置）区别：区别：机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动；机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动；联系：联系：机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。机器和机构：机器和机构：机器和机构：机器和机构：1. 构件：构件：组成机构的各个独立运动单元组成机构的各个独立运动单元内燃机内燃机零件：零件：加工制造的单元加工制造的单元在各种机器或机构中常用的零件，称为通用零件 只在特定的机器中才用到的零件，称为专用零件。通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。法应在有关专业课中学习。内燃机中的连杆内燃机中的连杆套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖构件可以由一个或几个零件（刚性联结）组成构件可以由一个或几个零件（刚性联结）组成机器、机构、构件与零件机器、机构、构件与零件一部机器可以只包含一个机构（如电动机），也一部机器可以只包含一个机构（如电动机），也可包含多个机构可包含多个机构在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之间并无区别间并无区别机械机械构件：组成机构的各个独立运动单元构件：组成机构的各个独立运动单元构件可以由一个或几个零件（元件刚性）组成。构件可以由一个或几个零件（元件刚性）组成。 绪 论动画篇动画篇 绪 论机械设计总论机械设计总论本章学习要求：本章学习要求：1、了解机械的功能组成，了解设计机器的一般程、了解机械的功能组成，了解设计机器的一般程序和要求序和要求2、掌握机械零件的主要失效形式，设计准则、掌握机械零件的主要失效形式，设计准则3、掌握机械零件设计基础、掌握机械零件设计基础4、理解机械零件的设计方法、标准化和材料选择、理解机械零件的设计方法、标准化和材料选择原则原则 绪 论一、一、 机器的组成机器的组成原动机原动机传动系统传动系统执行系统执行系统辅助系统辅助系统控制系统控制系统 绪 论1 1、计划阶段、计划阶段 明确机器的功能、约束条件；明确机器的功能、约束条件； 写出设计任务书。写出设计任务书。一、一、 机械设计的一般程序机械设计的一般程序2 2、方案设计阶段、方案设计阶段 机器的功能分析机器的功能分析 必须必须达到的要求；达到的要求； 最低最低要求；要求； 希望希望达到的要求。达到的要求。机器的功能机器的功能经济性估计经济性估计制造的要求制造的要求使用的要求使用的要求完成期限完成期限分析的结果：分析的结果：确定出功能参数确定出功能参数 绪 论 提出解决的办法提出解决的办法执行机构执行机构 有有N N3 3种执行机构方案；种执行机构方案；原动机原动机不同工作原理就有不同工作原理就有不同的机器；同一不同的机器；同一工作原理工作原理有不同的结构有不同的结构 有有N N2 2种原动机方案；种原动机方案；传动系统传动系统电机还是热机电机还是热机高速还是低速高速还是低速直流还是交流直流还是交流有有N N1 1种传动系统方案。种传动系统方案。共有共有N NN N1 1N N2 2N N3 3 个方案个方案原动机不同，传动系统不同原动机不同，传动系统不同工作机不同，传动系统不同工作机不同，传动系统不同同一传动任务，多种传动机构同一传动任务，多种传动机构技术方面和经技术方面和经济方面的综合济方面的综合评价评价最佳方案最佳方案 绪 论 最后决策最后决策 确定确定原理图或机构运动简图；原理图或机构运动简图； 在借鉴的基础上创新。在借鉴的基础上创新。 3 3、技术设计阶段、技术设计阶段 运动学设计运动学设计 确定原动机的参数确定原动机的参数 确定各运动件的运动参数确定各运动件的运动参数 动力学设计动力学设计 计算各零件上所受的载荷大小和特性。计算各零件上所受的载荷大小和特性。功率功率转速等转速等 绪 论零件的工作能力计算零件的工作能力计算 根根据据工工作作能能力力准准则则、失失效效形形式式、工工作作特特性性等等进进行行零零件件的的强强度度、刚刚度度、振振动动稳稳定定性性、寿寿命命等等计计算算，并并确确定定基本尺寸。基本尺寸。装配图的设计装配图的设计 通通过过装装配配草草图图的的设设计计，对对所所有有零零件件的的外外形形及及尺尺寸寸进进行结构化设计，并注意结构工艺性。行结构化设计，并注意结构工艺性。主要零件的校核主要零件的校核 对某些零件进行必要的校核。对某些零件进行必要的校核。零件工作图及总装图的设计零件工作图及总装图的设计 绘制零件加工图及装配图。绘制零件加工图及装配图。 绪 论4 4、技术文件编制阶段、技术文件编制阶段 编编写写计计算算说说明明书书、使使用用说说明明书书、标标准准件件明明细细表表、工工艺艺文件等。文件等。 绪 论二、二、 机械设计的主要要求机械设计的主要要求1 1、使用功能的要求、使用功能的要求 所设计的机器能完成用户提出的所有要求。所设计的机器能完成用户提出的所有要求。2 2、经济性要求、经济性要求 在在实实现现使使用用功功能能的的前前提提下下，用用最最经经济济的的手手段段设设计计和制造出来。和制造出来。设计制造经济性设计制造经济性成本低。成本低。 使使用用经经济济性性高高生生产产率率、高高效效率率、低低消消耗耗、低低维维护护费等。费等。 绪 论3 3、劳动保护要求、劳动保护要求操作者方便和安全；操作者方便和安全；改改善善操操作作者者及及机机器器的的环环境境（噪噪声声、有有毒毒有有害害物物、废废水废气的治理等）。水废气的治理等）。4 4、可靠性要求、可靠性要求 保证机器有足够的使用寿命。保证机器有足够的使用寿命。5 5、其它要求、其它要求( (操作方便，安全，造型美观，污染少操作方便，安全，造型美观，污染少) ) 视视不不同同的的机机器器而而定定，如如运运输输的的可可靠靠性性、流流动动机机器器的装拆方便性等。的装拆方便性等。 绪 论三三 机械零件的设计准则机械零件的设计准则1 1、基本概念：、基本概念：1 1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。注意注意：a)a)失效不等于破坏失效不等于破坏 机械零件的机械零件的失效形式失效形式很多很多 b)b)同一种零件可能的失效形式往往有若干种。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 绪 论机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式整体断裂整体断裂 占总失效的占总失效的5%5% 疲劳断裂：循环应力作用下，危险剖面的断裂疲劳断裂：循环应力作用下，危险剖面的断裂过载断裂：瞬间大载荷导致的局部断裂过载断裂：瞬间大载荷导致的局部断裂过大残余变形过大残余变形 残余变形：应力超过屈服极限所产生的变形残余变形：应力超过屈服极限所产生的变形 绪 论 零件的表面破坏零件的表面破坏 占占75%75% 疲疲劳劳点点蚀蚀：接接触触应应力力长长期期作作用用，产产生生裂裂纹纹直直到到剥剥落落的的现现象象磨损：接触表面产生材质丧失或转移的现象磨损：接触表面产生材质丧失或转移的现象腐蚀：化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象腐蚀：化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象 摩擦传动的打滑摩擦传动的打滑：传动带或摩擦轮在另一个轮上滑过的传动带或摩擦轮在另一个轮上滑过的现象现象振动引起的失效振动引起的失效 共共振振：干干扰扰频频率率与与固固有有频频率率相相等等时时发发生生的的灾灾难难性性破坏破坏热引起的破坏热引起的破坏：零件的变形、润滑性能的降低零件的变形、润滑性能的降低 绪 论四 零件设计准则 绪 论一、强度准则一、强度准则强度：指机械零件工作时抵抗破坏的能力。强度：指机械零件工作时抵抗破坏的能力。 强度条件有两种表示方法：强度条件有两种表示方法：1 1） 用应力表示：用应力表示： 2 2）用安全系数表示：）用安全系数表示：式中：式中： 计算最大应力计算最大应力极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成换成即可。即可。 绪 论表面挤压强度表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在法向载荷作用下，接触表面上两零件之间为面接触时，在法向载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应力，用产生的应力称为挤压应力，用 表示。表示。 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：挤压应力作用下，接触面的失效形式是挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃压溃”。二二刚度准则刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度条件为：刚度条件为： 实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 绪 论三三 表面磨损强度表面磨损强度 （耐磨性计算）（耐磨性计算） 到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。产生过大的磨损量。 即即 压强不超过许用值压强不超过许用值 p p p p 速度不超过许用值速度不超过许用值 v v v v 压强与速度乘积不超过许用值压强与速度乘积不超过许用值 pv pv p v p v 绪 论四、散热性准则四、散热性准则 零件工作时如果温度过高将导致润滑油失效，材料的强零件工作时如果温度过高将导致润滑油失效，材料的强度极限下降，引起热变形和附加热应力，使零件不能正常工度极限下降，引起热变形和附加热应力，使零件不能正常工作。散热性准则：根据热平衡条件，工作温度作。散热性准则：根据热平衡条件，工作温度t t不应超过许不应超过许用工作温度用工作温度t t 即即 t t tt 绪 论五五 寿命的要求及计算准则（可靠性准则）寿命的要求及计算准则（可靠性准则）零件寿命零件寿命零件工作所持续的时间。零件工作所持续的时间。影响零件寿命的主要因素有：影响零件寿命的主要因素有： 磨损、腐蚀、疲劳破坏。磨损、腐蚀、疲劳破坏。计算准则：求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。计算准则：求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。另：另：可靠性要求（见课本）可靠性要求（见课本）结构工艺性、经济性、质量小等要求自学结构工艺性、经济性、质量小等要求自学 绪 论五五机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤根据零件的使用要求选择零件的类型和结构；根据零件的使用要求选择零件的类型和结构；根根据据机机器器的的工工作作要要求求，计计算算作作用用于于零零件件上上的的载荷；载荷；选择材料；选择材料；分分析析失失效效形形式式，并并确确定定计计算算准准则则，通通过过计计算算确定零件的基本尺寸或主要参数；确定零件的基本尺寸或主要参数；进行结构设计；进行结构设计；绘绘出出零零件件的的工工作作图图，标标出出必必要要的的技技术术条条件件，编写说明书。编写说明书。 绪 论六六 机械零件常用材料及选用原则机械零件常用材料及选用原则1、常用材料：、常用材料：（1 1）金属材料）金属材料机械制造中，钢铁材料占机械制造中，钢铁材料占90%90%以上以上特点：力学性能好，价格便宜且容易获得特点：力学性能好，价格便宜且容易获得（2 2）高分子材料）高分子材料特点：原料丰富，密度小，弹性、耐腐蚀性好，易老化特点：原料丰富，密度小，弹性、耐腐蚀性好，易老化（3 3）陶瓷材料）陶瓷材料特点：硬度极高、耐磨、耐腐蚀、熔点高、刚度大以及密度特点：硬度极高、耐磨、耐腐蚀、熔点高、刚度大以及密度比钢铁低；但比较脆、加工工艺性差，价格昂贵。比钢铁低；但比较脆、加工工艺性差，价格昂贵。（4 4）复合材料）复合材料特点：高强度和弹性模量，质量小特点：高强度和弹性模量，质量小 耐热性差、导热和导电性较差耐热性差、导热和导电性较差 绪 论材料选用的原则（钢铁）材料选用的原则（钢铁）1 1、载荷的大小、性质和分布、载荷的大小、性质和分布 脆性材料只能用于静载荷；脆性材料只能用于静载荷； 塑性材料可用于有冲击载荷、变应力下。塑性材料可用于有冲击载荷、变应力下。2 2、零件的工作环境、零件的工作环境 湿热环境下，选耐腐防锈材料；湿热环境下，选耐腐防锈材料； 温差大的环境下，选机械性能随温度改变而比较温差大的环境下，选机械性能随温度改变而比较 稳定的材料，配对材料的膨胀系数不能相差过大；稳定的材料，配对材料的膨胀系数不能相差过大； 污染大的环境下，选耐磨材料或高表面硬度的材料。污染大的环境下，选耐磨材料或高表面硬度的材料。 绪 论3、材料的经济性及供应情况、材料的经济性及供应情况在在满满足足使使用用要要求求的的前前提提下下，尽尽量量选选用用廉廉价价的的材料，尽量选用大众化的材料。材料，尽量选用大众化的材料。4、材料的加工工艺性、材料的加工工艺性选材料要考虑加工方法，工艺要求。选材料要考虑加工方法，工艺要求。七、七、机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化标准化的内容：标准化的内容：标准化标准化系列化系列化通用化通用化