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1、机械设计基础知识一、一、机器、机构及其结构组成机械机械是各类机器机器的通称。机器机器的种类繁多、外形万变、用途各异。但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器都是由能产生相对运动的单元体的组合而成，这些单元体称为构构件件。具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构机构。机器是由各种机构组成的。一部机器可能由多种机构组成，如内燃机就是由曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。 悍马轿车悍马轿车国产国产J10J10美国美国 F117F117“勇气号勇气号”火星探测器火星探测器美
2、国小鹰号航母美国小鹰号航母内燃机机构简图内燃机机构简图 从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机器的共同特征：（1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造的一种装置。（2）它们必须执行确定的机械运动。（3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务。相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动传递和运动形式转换的特征。 零零件件构构件件机机构构机机器器组成组成组成组成组成组成机机械械作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如图所示。 1.动力系统动力系统动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能是向机器提供运
3、动和动力，是机械系统的动力源。如图电动机。另外还有内燃机、液压马达、气马达、液压缸、气缸及电磁驱动等。 2.执行系统执行系统执行系统包括执行机构和执行构件，它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。执行系统一般处于机械系统的末端，执行构件直接与工作对象接触。执行系统可以只包含一个执行机构和多个执行构件。 执行系统也可以由几个执行机构组成，如图中的自动曲柄冲压机，其执行机构除曲柄滑块机构外，还有由气缸及推料头组成的送料机构，它们配合完成冲压-送料工作。3.传动系统传动系统传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系统的中间装置。 4.操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统操纵系统操
4、纵系统: :多指通过人工操作以实现上述要求的装置。如图中的离合器是通过由连杆等构件组成的踏板机构控制其离合，实现传动的接入和分离。另外还有起动、制动器、变速、换向等装置。控制系统控制系统: :是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。如图中的电磁铁，电控换向阀和电控箱等组成了控制系统，协调冲压、送料等动作配合，实现自动化操作。 5.框架支撑系统及其他的辅助系统框架支撑系统及其他的辅助系统框架支撑系统框架支撑系统：包括基础件（如床身、底座、立柱等）和支撑构件（如支架、箱体等）。它用于安装和支承动力系统、传动系统和操作系统等。机器
5、各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。此外，根据机械系统的功能要求，还有一些辅助系统辅助系统，如润滑、冷却、显示、照明等。二、课程的内容、性质、特点及学习方法提示二、课程的内容、性质、特点及学习方法提示1、内容：是研究普遍工作条件下一般尺寸、一般参数的通用零件的设计计算问题。一般尺寸（不是太大，太小）重型机的一个地脚螺栓180公斤，矿山卷扬机齿轮直径10 m，而有些仪器仪表的重量以克表示，这些均不是研究范围。通过本课程学习后，学生能达到如下要求：（1）掌握通用机械的设计原理，方法，具有设计一般机械的能力。（2）具有应用标准，规
6、范，手册，图册及查阅有关技术资料的能力。（3）掌握典型机械零件的设计方法。（4）对机械设计新方法有所了解。 2 、本课程的性质本课程的性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，从承载能力出发，考虑零件的材料、结构、强度及工艺性。 从传统意义及时间安排上是一门技术基础课。从教学要求上是一门重中之重的考试课。 3、本课程特点（1）工程设计性（2）综合性 要用到以前学过的几乎所有课程知识。（3）实践性4、学习方法提示（1）、少问为什么，多问怎么样。（2）、注意使用设计手册，设计资料，机械设计离不开手册，标准及各种经验资料，尽可能地查阅这些资料是机械零件课的任务之一，尽可能地多阅读各种类型结构。（
7、3）、记好笔记，及时完成作业。机械零件被同学称为“机械零碎”，因为其内容多、而杂，各部分内容之间又缺少联系，若不及时归纳，很易忘记。考试现复习，现抓不行。及时独立完成作业，有助于复习巩固，本课程特点一听就懂，一做题没门，通过做作业，及时复习所学的内容。可以帮你解决。三、设计机器的一般程序三、设计机器的一般程序1、调查决策阶段本阶段包括：（1）任务的提出（2）分析对新设计机器的需要（3）最后写成任务书的形式2 、设计阶段。（1）功能设计研究（2）新产品的技术设计 包括机器的运动学设计，动力学计算，零部件的工作能力计算部分或整机的装配因设计，零件草图的设计及主要零件的校核。最后绘制零件的工作图。然
8、后根据那些零件的工作图，重新绘制其总装图。（3）技术文件的编制阶段技术文件应包括：设计计算说明书、使用说明书、明细表及验收质量标准等文件。实际当中很可能就不那么理想，有可能边干边改一干好几年3、样机的试制评定阶段4、生产 、销售服务阶段 一部机器的质量关键取决于设计质量，设计阶段是决定机器好坏的关键。机械设计的一般过程机械设计的一般过程四四 、机器应满足的基本要求、机器应满足的基本要求1、具有预定使用功能的要求2、经济性要求(1)用先进的设计方法手段，达到尽可能精的结果，加快设计进程。(2)大限度地标准化、系列化、通用化产品。(3)尽可能采用新技术、新工艺和新材料。(4)力求改善零件的工艺性，
9、合理组织生产过程。3、劳动保护要求(1)要使机器的操作者安全方便和安全。(2)改善操作者机器的环境4、可靠性要求5、其它要求对于不同的机器，还有一些特定的要求，如对机床，有长期保持精度的要求，对飞机，有质量小，飞机阻力小的要求。五、机械零件的主要失效形式及计算准则五、机械零件的主要失效形式及计算准则所谓失效是指机械零件丧失工作能力或不能按设计要求进行工作。1.机械零件的主要失效形式整体断裂齿轮轮齿断裂实例齿轮轮齿断裂实例如：如：螺栓的断裂螺栓的断裂 齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形过大的残余变形齿轮齿面接触疲劳点蚀齿轮齿面接触疲劳点蚀滚动轴承滚道的疲劳点蚀滚动轴
10、承滚道的疲劳点蚀滚动轴承外圈滚道的磨损滚动轴承外圈滚道的磨损轴瓦的磨损轴瓦的磨损零件的表面破坏破坏正常工作条件而失效例如：V带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极限值时将发生打滑失效；高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相一致时会发生共振，以致引起断裂失效；液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发生胶合失效等。 2.设计机械零件时应满足的计算准则所谓计算准则：就是为了防止某种失效形式的出现，设计零件时所必须遵循的要求。针对具体的零件，要根据其主要的失效形式，采用相应的计算准则。主要计算准则有：强度准则强度是指零件抵抗破坏的能力。破坏是指整体断裂、表面接触疲劳、塑性变形等。强度不足，零件根本无
11、法工作，因此是最基本的计算准则。强度准则的一般表达式为： 刚度准则刚度是指零件抵抗弹性变形的能力。零件在载荷作用下产生弹性变形量y （它广义地代表任何形式的弹性变形量），小于或等于机器工作性能所允许的极限值y（即许用变形量），就叫做满足刚度要求或符合了刚度计算准则。其表达式为： yy 寿命准则影响零件寿命的主要因素有疲劳、磨损和腐蚀。疲劳、磨损和腐蚀从它们产生的机理到发展规律完全不同，因而属于三个不同的范畴。疲劳寿命的计算，通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算依据。迄今为止，还没有提出实用有效的腐蚀寿命的计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。可能产生磨损的原因很多，影响因素也很多，并且其
12、产生的机理还没有完全搞清楚，因而还没有能够进行定量计算的方法。振动稳定性准则机器中许多运动的零件（齿轮、轴）都是振动源，如果激振频率fp接近共振频率f时，易发生共振，致使机器或零件发生失效。所谓振动稳定性准则，就是设计时使机械零件的激振频率fp远离其共振频率f。 fp0.87f 或 fp1.18f 若不能满足上述条件，则必须采取措施减振。主要措施有：提高系统刚度；提高零件制造精度；增加阻尼系统；采取减振隔离措施；对回转件进行动平衡试验等。耐磨性准则磨损将改变零件的形状及尺寸。因此，在满足设计要求的前提下，应力求提高零件的耐磨性或尽量降低磨损。对于磨损，目前还没有理论计算公式，通常是采取条件性限
13、制。限制压强不超过许用值，以防止压强过大，使零件工作表面油膜破坏而产生过快磨损，其验算式为： P p (MPa) 对相对滑动速度较大的摩擦表面，还要控制摩擦表面的温度，以防止润滑油出现解析现象从而导致磨损加剧。因此，要限制单位接触面上单位时间产生的摩擦力不要过大，当摩擦系数f为常数时，则可验算pv值不超过许用值，即： pvpv (MPa m/s) 六、机械零件的材料及制造工艺性六、机械零件的材料及制造工艺性1.机械零件材料的选择原则制造机械零件的材料是多种多样的，主要有钢、铸铁、铜合金、非金属材料及复合材料等。正确选择材料是设计中一个非常重要的环节。各种通用零件的常用材料及其牌号将在以后各章节
14、中详细介绍。下面仅就材料的选择原则，加以介绍：使用要求满足使用要求是选择零件材料的最基本原则。使用要求一般是指零件的工作状况、受载情况、零件的重要性及对零件尺寸和重量的限制等。： 铝铝( (LY12) )、铜、铜( (ZCuSn10P1)黑色金属黑色金属有色金属有色金属铁铁钢钢高分子材料高分子材料复合材料复合材料: :陶陶 瓷瓷: :金属材料金属材料非金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢( (如：如：08F 45 60 1Cr18Ni9） ：灰铸铁、球墨铸铁：灰铸铁、球墨铸铁( (如：如：TH300 Q
15、T500-5) ) 强如钢、轻如铝、硬如金刚石强如钢、轻如铝、硬如金刚石 强度高、弹性模量大、质量轻强度高、弹性模量大、质量轻机械零件的常用材料机械零件的常用材料 工艺要求结构复杂、尺寸较大的零件宜采用铸造毛坯或选择焊接而成。对于结构简单的零件，视其批量大小可采用模锻或自由锻制取毛坯。经济性要求经济性首先表现在材料的相对价格，当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不要选择价格高的材料。这对于大批量生产的零件，尤为重要。但选材时不能只着眼于相对价格，还要考虑零件的加工费用。2.机械零件的制造工艺性在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小、加工费用最少的零件，就认为具有良好的工艺性。造型简单合
16、理合理选择毛坯的种类铸造的工艺性焊接工艺性热处理工艺性切削加工工艺性结构装配工艺性机器由零件组装而成，而且机器工作一段时间后，需拆开检修，因此零件间必须具有良好的装配工艺性。有关结构装配工艺性如书图所示。 七、机械零件设计的步骤七、机械零件设计的步骤由于零件的种类不同，其具体的设计步骤也不一样，但一般都可按下列步骤进行：1.选择零件的类型：根据使用条件及工作载荷的性质，选择零件的类型。因此，设计者必须了解各种常用机械零件的类型、特点及适用范围。2.确定零件上的载荷：根据动力机及工作机的实际工作情况，考虑到各种影响载荷作用的因素，确定出作用在零件上的计算载荷。3.选择零件材料：根据零件的工作条件
17、及对零件的特殊要求（在高温或腐蚀介质中工作等），选择合适的材料。4.确定计算准则：根据零件可能出现的失效形式，确定应采用的计算准则。5.理论设计：根据计算准则所得到的设计计算公式，确定出零件的主要几何尺寸和参数。6.结构设计：根据功能的要求，加工及结构工艺性、刚度要求等进行零件的结构设计，确定出零件的结构尺寸。7.精确校核：结构设计完成后，对有些重要零件（如轴）应进行详细的校核计算，以判定结构设计是否合理。8.画出零件工作图，并写出计算说明书。绘制的零件工作图应符合制图标准，并能满足加工要求。写出的计算说明书要条理清晰、数据正确格式统一，并附有必要的结构草图和计算草图。重要的公式及引用参数，一
18、般要注明来源。 八、机械零件设计中的标准化、通用化和系列化八、机械零件设计中的标准化、通用化和系列化1.标准化标准化，就是通过对零件尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。标准化意义重大，带来的优越性表现在：以最先进的方法，在专门的加工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量、降低成本。扩大了互换性，便于维修。采用了标准结构及零、部件，可以简化设计工作、缩短设计周期，提高设计质量。统一了零件的性能指标，提高了零件的可靠性。可集中成功经验，减少设计、制造上的技术差错。2.通用化通用化，就是指最大限度减少与合并产品的型式、尺寸、材料和品种，使零件和部件尽量在不同规格的同类产品或不同类产品上通用，通用化是广义的标准化。3.系列化系列化，就是对于同一产品，为了符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列，即为系列化的含义。例如：对于同一结构、同一内径的滚动轴承，制出不同外径及宽度的产品，称为滚动轴承系列。