機械設(shè)計基礎(chǔ)1第一章緒論

1、 柴鵬飛 太原理工大學(xué)長治學(xué)院 機械設(shè)計基礎(chǔ) 課程內(nèi)容介紹 機械設(shè)計基礎(chǔ)是機電工程科學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科之一。該學(xué)科所涉及的知識與技能不但為從事與機械工程相關(guān)工作的技術(shù)人員所必備，而且對人們的生活和工作中進行創(chuàng)新實踐活動有極大的幫助。機械工程中的創(chuàng)新活動與機械設(shè)計密切相關(guān)，因此，本課程的學(xué)習(xí)對于學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段樹立創(chuàng)新思維觀念，激發(fā)創(chuàng)新欲望，了解創(chuàng)新方法有很重要的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。 課程內(nèi)容介紹 此外，學(xué)習(xí)機械設(shè)計基礎(chǔ)課程，還將有助于學(xué)生工程思想的建立；有助于科學(xué)精神的培養(yǎng)；有助于增強解決實際工程類問題的能力。 機械設(shè)計基礎(chǔ)是研究機械工作原理、機械構(gòu)成原理、機械零件功用和機械零件結(jié)構(gòu)及其工作可靠度的

2、工程技術(shù)科學(xué)。課程內(nèi)容介紹 機械設(shè)計基礎(chǔ)由實踐和理論兩部分組成。機械設(shè)計基礎(chǔ)實踐是人們掌握機械設(shè)計知識，形成工程技術(shù)能力的一種重要環(huán)節(jié)，是進行機械工程實踐的基本技術(shù)能力。機械設(shè)計基礎(chǔ)理論則是人們對機械與機械設(shè)計最基本、最普遍規(guī)律的認識和概括。 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)階段一般處在課程內(nèi)容介紹 從一般科學(xué)知識學(xué)習(xí)向?qū)I(yè)技術(shù)知識的過渡期，因此本課程既具有機械工程知識普及教育的功能，同時也是一門具有實用價值的，可以獨立設(shè)置的專業(yè)技術(shù)課。讓學(xué)生學(xué)習(xí)基本的機械設(shè)計方面的知識與技能，經(jīng)歷工程實踐的探究過程，受到科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的熏陶；它是以提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程技術(shù)素質(zhì)和職業(yè)道德修養(yǎng)，促進學(xué)生的全面

3、發(fā)展為主要目標的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。 第一章 緒 論第一節(jié) 本課程研究的對象、內(nèi)容 一、機械發(fā)展史問：為什么我國的國徽上代表工人階級是用齒輪？ 工人階級齒輪公元前350年前 我國的機械發(fā)展歷史 中國是世界上機械發(fā)展最早的國家之一。中國的機械工程技術(shù)不但歷史悠久，而且成就十分輝煌，不僅對中國的物質(zhì)文化和社會經(jīng)濟的發(fā)展起到了重要的促進作用，而且對世界技術(shù)文明的進步做出了重大貢獻。 中國機械發(fā)展史可分為六個時期：形成和積累時期，從遠古到西周時期。迅速發(fā)展和成熟時期，從春秋時期到東漢末年。全面發(fā)展和鼎盛時期，從三國時期到元代中期。緩慢發(fā)展時期，從元代后期到清代中期。轉(zhuǎn)變時期，從清代中后期到解放前的發(fā)展時

4、期。復(fù)興時期，解放后的發(fā)展時期。每個時期又可分為不同的發(fā)展階段。 我國的機械發(fā)展歷史 我國古代人民在這方面有著光輝的成就，在商代就利用杠桿原理制成了取水的工具桔槔，至今在一些水淺的地區(qū)還在使用，或利用這一原理來向上吊起重物。漢朝張衡(78-139)在天文儀器（侯風(fēng)地動儀）上就利用了杠桿的原理。西漢時期的指南車和記里鼓車就采用了輪系機構(gòu)、元朝的黃道婆把曲柄、滑塊、連桿、飛輪等零件應(yīng)用在織布機上（現(xiàn)在農(nóng)村還有使用這種老式的織布機）。 還有宋朝的水運儀象臺、秦朝的銅車馬等。 秦陵二號銅車馬 銅車馬說明 1980年冬，我國考古工作者在陜西臨潼縣東的秦始皇陵發(fā)掘出土了兩乘大型彩繪銅車馬。二號銅車馬通長3

5、17cm，車高106.2cm。據(jù)研究，這兩乘大型彩繪銅車馬制作于公元前三世紀，車的結(jié)構(gòu)和系駕關(guān)系完全模擬實物，與真車無異。銅車馬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由3462件(包括金銀制零件1720件)個部件組合而成，采用了鑄造、焊接、鉚接、銷釘固定、沖鑿、鏨刻、拋光等工藝，以及各種各樣的連接機構(gòu)。銅車馬除采用部分金銀飾件外，其余全部為青銅鑄件，而且能按不同的使用性能選用不同的合金比例。銅車馬結(jié)構(gòu)合理，工藝精湛，雖埋在地下兩千多年，但各部連接十分靈活，窗門啟閉自如，牽動轅衡，帶動輪軸轉(zhuǎn)動，可以載輿以行。銅車馬制作精美，比例恰當(dāng)，裝飾華麗，是我國古代科技藝術(shù)與造型藝術(shù)完美結(jié)合的典范，是勞動人民智慧的結(jié)晶，充分顯示了我中

6、華民族卓越的創(chuàng)造才能，在中國和世界機械史上留下了極其光輝一頁。 （摘自機械工程師進修大學(xué)刊授教材第一冊20頁） 三星堆圖片1三星堆介紹 1986年7月至9月，三星堆兩個大型祭祀坑的發(fā)現(xiàn)，是本世紀以來最為重要的考古發(fā)現(xiàn)。大宗精品文物洋洋灑灑橫空出世，成為舉世轟動的重大新聞，三星堆從此名揚四海。在這批古蜀秘寶中，有許多光怪陸離、奇異詭譎的各類青銅造型：威儀凜然的青銅大立人、神奇怪異的青銅面具和通天徹地的青銅神樹等，均堪稱獨一無二的曠世神品。而以流光溢彩的金杖為代表的金器，以滿飾圖案的邊璋為代表的玉器，亦多屬前所未見的稀世珍寶。 三星堆圖片2三星堆圖片3三星堆圖片4三星堆圖片5河南博物館文物 解放后

7、，我國的機械制造業(yè)和其他行業(yè)一樣得到了很大的發(fā)展，尤其是黨的十一屆三中全會以來，發(fā)展速度更快，很多先進技術(shù)和科研成果達到或超過了世界先進水平。目前，我國已建立起了比較完整的機械制造工業(yè)體系，為我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)打下了雄后的物質(zhì)基礎(chǔ)。所以，我國的機械制造事業(yè)發(fā)展速度是相當(dāng)快的，當(dāng)然也應(yīng)該看到我國的機械制造業(yè)起點低、發(fā)展時間短，在某些方面和世界先進水平相比，還存在一些差距，這就要求我們要學(xué)好機械，熱愛機械制造業(yè)，將來為我國的機械工業(yè)發(fā)展做出應(yīng)有貢獻。 二、本課程研究的對象 本課程是一門介于基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的較重要的設(shè)計性的技術(shù)基礎(chǔ)課，起著“從理論過渡到實際、從基礎(chǔ)過渡到專業(yè)”的承先啟后的橋

8、梁作用。 本課程研究的對象是機械 機械是機器與機構(gòu)的總稱機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標志。機器是代替人們體力和部分腦力勞動的工具，機器既能承擔(dān)人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進產(chǎn)品質(zhì)量，特別是能夠大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。只有使用機器，才能便于實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、系列化和通用化，尤其是便于實現(xiàn)高度的機械化、電氣化和自動化。機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和促進技術(shù)改造的重任。大量地設(shè)計制造和廣泛采用各種先進的機器，可大大加強促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度加速我國的現(xiàn)代化建設(shè)。機器的定義： 人為的實物組合體；各實體間具有確定的相對運動；能代替人類做有用的機械

9、功或進行能量轉(zhuǎn)換。機器的實例如：汽車、車床、照相機、洗衣機等。 機器的組成機器由一般由三大部分組成： 原動部分 傳動部分 執(zhí)行部分 圖示轎車除原動機部分、傳動部分和執(zhí)行部分外，還包含了控制系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng) 轎車的組成自動洗衣機的組成：上蓋控制面板進水口排水管外箱體盛水桶支撐拉桿脫水桶電動機帶傳動減速器波輪 人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，研制了類型繁多、功能各異的機器。尤其是蒸汽機出現(xiàn)之后，使機器具有了完整的形態(tài)。 一臺完整的機器的組成如下：原動機部分傳動部分執(zhí)行部分潤滑、顯示、照明等輔助部分控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器原動部分機器完成預(yù)定功能的動力源，最常見的是 內(nèi)燃機、電動機。 執(zhí)行部分完成

10、預(yù)定的動作，位于傳動路線的終點。 傳動部分聯(lián)接原動機和執(zhí)行部分的中間部分。 控制部分保證機器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。傳感部分將機器的工作參數(shù)，如位移、速度、加速 度、溫度、壓力等反饋給控制部分。輔助部分包括機器的潤滑、顯示、照明等。也是保 證機器正常工作不可缺少的部分機構(gòu)的定義： 具有確定的相對運動；能實現(xiàn)一定運動轉(zhuǎn)換的實物組合體。機構(gòu)實例內(nèi)燃機功能：內(nèi)燃機是將燃氣燃燒時的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機械裝置 組成：見右圖氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪9幾個術(shù)語： 零件制造的最小單元 通用零件在各種機器中通用的零件 專用零件只有在特定的機器中才用的零件 構(gòu)件運動的最小單元

11、 部件為實現(xiàn)確定的相對運動的實物組合體 零件數(shù)量舉例 長春汽車廠生產(chǎn)的解放牌CA-15型（載重5噸）汽車由 種， 個零件組成。一般是裝成總成（部件），然后再裝成汽車。 阿波羅飛船有零件 個。 波音飛機747型有零件 個。（世界博覽86.11.第12頁，波音飛機占世界飛機總量的57%）20868753560萬五億多 大型的設(shè)備舉例30米長的汽車32米長的汽車載重154噸的汽車載重400噸的汽車A380飛機山峽水庫截流使用的汽車天下第一鐘第二節(jié) 本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)1、本課程的內(nèi)容包括二部分： 機械原理部分 機械零件部分本課程的主要內(nèi)容和任務(wù) 2、本課程的任務(wù)： 懂基本理論 會設(shè)計常用機械第三節(jié)

12、 本課程的學(xué)習(xí)方法1、本課程的特點：1）、與先修課的關(guān)系：機械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、金屬工藝學(xué)、公差配合與技術(shù)測量。通過本課程的學(xué)習(xí)，可為今后學(xué)習(xí)機床夾具設(shè)計、機床、機械制造工藝學(xué)等專業(yè)課程打下基礎(chǔ)本課程的學(xué)習(xí)方法 2）、本課程的特點 用基礎(chǔ)科學(xué)與機械設(shè)計的區(qū)別進行講解：舉例：萬有引力重力破碎機本課程的學(xué)習(xí)方法舉例：螺釘本課程的學(xué)習(xí)方法實踐性強 本課程是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其研究對象是在生產(chǎn)實際中廣泛應(yīng)用的機械，所要解決的問題大多數(shù)是工程中的實際問題（與理論力學(xué)的不同點），因此要求學(xué)生加強基本技能的訓(xùn)練，如簡圖測繪、齒輪參數(shù)測量等。要培養(yǎng)工程素養(yǎng)，作圖應(yīng)嚴格按要求進行。要重視實驗課。 本課程的

13、學(xué)習(xí)方法獨立性強各章內(nèi)容彼此獨立，前后聯(lián)系不甚密切。好處是前面的章節(jié)沒學(xué)好，不影響后面的章節(jié)學(xué)習(xí)。不好處是不容易形成完整的知識，因此，要經(jīng)常復(fù)習(xí)前面已學(xué)過的內(nèi)容，找出某些共同點，建立比較完整的機械設(shè)計知識，以免出現(xiàn)猴子扮苞米的現(xiàn)象。本課程的學(xué)習(xí)方法綜合性強 本課程學(xué)習(xí)要綜合運用已學(xué)過的知識，先修課程的知識點對本課程的學(xué)習(xí)很有用處，要綜合運用先修課的知識來學(xué)習(xí)本課程。除理論知識點外，還要有一定的生產(chǎn)實踐知識，要對觀察生產(chǎn)實踐中的機械設(shè)備。涉及面廣關(guān)系多因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多強度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟性。門類多各類零件，各有特點，設(shè)計方法各異。公式多計算多，有解析式、半解析式

14、、經(jīng)驗的、半經(jīng)驗的及定義式。圖表多結(jié)構(gòu)圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線 圖、標準、經(jīng)驗數(shù)表。 本課程的學(xué)習(xí)方法本課程的學(xué)習(xí)方法 2、本課程的學(xué)習(xí)方法：除常規(guī)的學(xué)習(xí)方法外，注意三個問題：1）、轉(zhuǎn)折-理論聯(lián)系實際；2）、明確-設(shè)計并非計算；3）、認清-范例并非標準。本課程的學(xué)習(xí)方法如何學(xué)習(xí)本課程？1）著重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握機構(gòu)分析與綜合的基本方法。2）注意把一般原理和方法與具體運用密切聯(lián)系起來。并用所學(xué)知識觀察日常生活與生產(chǎn)遇到的各種機械。本課程的學(xué)習(xí)方法3）注意培養(yǎng)運用所學(xué)基本理論與方法去分析和解決工程實際問題的能力。4) 注意培養(yǎng)綜合分析、全面考慮問題的能力。解決同一實際問題，

15、往往有多種方法和結(jié)果，要通過分析、對比、判斷和決策，做到優(yōu)中選優(yōu)。本課程的學(xué)習(xí)方法5) 注意培養(yǎng)科學(xué)嚴謹、一絲不茍的工作作風(fēng)。在今后的工作中要與各種機械設(shè)備、各種裝置打交道，稍有不慎，即可能造成損失、損壞。 第四節(jié) 機械零件設(shè)計概述 機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求是：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。 主要要求有：使用要求、經(jīng)濟要求、安全要求、外觀要求 此外還有：噪聲、起重、運輸、衛(wèi)生、防腐蝕、防凍等 實質(zhì)上可歸納為二條： 1、避免失效； 2、提高總體效益。 一、機械設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求 機械零件由于某種原因不能正常工作（完不成規(guī)定

16、的功能或達不到設(shè)計要求的性能）時，稱為失效。破壞是失效，但失效并不單純意味著破壞。 在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。此限度對載荷而言時，又稱為承載能力。二、機械零件的失效形式和設(shè)計準則機械零件可能的失效形式歸納起來主要有以下幾種：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作表面的過度磨損或損傷；發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛；摩擦傳動的打滑等。當(dāng)周期性干擾力的頻率與軸的自振頻率相等或接近時，就會發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅急劇增大，這種現(xiàn)象稱為失去振動穩(wěn)定性。共振可能在短期內(nèi)使零件損壞，所以對于重要的、特別是高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)驗算其振動穩(wěn)定性。機械零件雖然有多種可能的失效形式，但歸納起來

17、最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。 對于各種不同的失效形式，相應(yīng)地有各種工作能力判定條件。這種為防止失效而制定的判定條件，通常稱為工作能力計算準則。 機械零件的設(shè)計準則有強度準則 強度準則是指零件中的應(yīng)力不得超過允許的限度，即許用應(yīng)力，用公式表示為 零件的損壞將影響人身安全。以自行車為例，如自行車的前叉、橫梁的生產(chǎn)，一般情況下保證不出現(xiàn)問題； 零件的損壞不造成人身事故，但對整個設(shè)備造成很大的影響。如自行車的腳蹬、鏈條等，不更換就不能運行，要基本保證不出現(xiàn)問題； 零件的損壞不造成太大的設(shè)備事故，但影響正常運行。如自行車內(nèi)胎破了，必須補好，不常出現(xiàn)，但不能保證不出現(xiàn)

18、； 零件的損壞不造成任何設(shè)備事故，要求最低。如自行車的幅條斷了。安全系數(shù)的選取可以分為四種情況 當(dāng)然，也可取大的安全系數(shù)，以避免零件的損壞，但那樣就會造成零件的結(jié)構(gòu)龐大，浪費材料和增加設(shè)備的成本。如為了保證自行車輪胎不破，可以使用平板車的輪胎；如為了使自行車的幅條不斷，可用幾毫米的鋼筋棒來做成輻條。這樣，雖然輪胎和輻條的可靠度大了，但重量也增加了，成本也大了，整個自行車的體積就大了，自行車會因價格高、體積重而沒有銷路。所以，不能單純地追求很高的可靠度。過高的追求安全就意味著存在浪費。剛度準則 指零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量不大于允許值，用公式表示為 yy1、三、機械零件的設(shè)計方法和一般步驟

19、 理論設(shè)計方法二種：設(shè)計-從頭作起，很少用；校核-先假設(shè)，再進行校核計算。經(jīng)驗設(shè)計-又稱為類比設(shè)計法，以一定的實物為參考，設(shè)計出新產(chǎn)品，實際上應(yīng)用這種方法為多。 計算機輔助設(shè)計 模擬實驗設(shè)計2、設(shè)計方法3、設(shè)計步驟（1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)；（2）根據(jù)工作要求，計算零件上載荷；（3）根據(jù)工作條件，選擇材料；（4）確定計算準則，計算出零件的基本尺寸；（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計；（6）校核計算；（7）寫說明書。桔槔 桔槔是在一根豎立的架子上加上一根細長的杠桿，當(dāng)中是支點，末端懸掛一個重物，前段懸掛水桶。當(dāng)人把水桶放入水中打滿水以后，由于杠桿末端的重力作用，便能輕易把水提拉至所需處。桔槔早在春秋時期就已相當(dāng)普遍，而且延續(xù)了幾千年，是中國農(nóng)村歷代通用的舊式提水器具。侯風(fēng)地動儀指南車記里鼓車織布機 水運儀象臺 水運儀象臺是以水為動力來運轉(zhuǎn)的天文鐘。蘇頌和韓公廉于宋元祜元年（公元1086年）開始設(shè)計，到元祜七年全部完成。臺高約12米,寬約7米，最上層設(shè)置渾儀且有可以開閉的屋頂，這已具現(xiàn)代天文臺的雛型。中層是渾象.下層是報時系統(tǒng)。這三部分用一套傳動裝置和一組機輪聯(lián)接起來，用漏壺水沖動機輪，帶動渾儀、渾象、報時裝置一起轉(zhuǎn)動。可通過控制勻速流動的水來調(diào)節(jié)樞輪向某一方向等時轉(zhuǎn)動，使渾儀和渾象的轉(zhuǎn)動與天體運動