機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

一、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，共37頁(yè)。一、機(jī)器、機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)組成機(jī)械是各類機(jī)器的通稱。機(jī)器的種類繁多、外形萬變、用途各異。但從機(jī)器的結(jié)構(gòu)組成、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，這些不同的機(jī)器都是由能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的單元體的組合而成，這些單元體稱為構(gòu)件。具有特定結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)特征的構(gòu)件組合稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)器是由各種機(jī)構(gòu)組成的。一部機(jī)器可能由多種機(jī)構(gòu)組成，如內(nèi)燃機(jī)就是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組合而成；也可能僅由一個(gè)最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)組成，如電動(dòng)機(jī)就是只包含一個(gè)由定子和轉(zhuǎn)子所組成的雙桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

第2頁(yè)，共37頁(yè)。悍馬轎車第3頁(yè)，共37頁(yè)。國(guó)產(chǎn)J10第4頁(yè)，共37頁(yè)。美國(guó)F117第5頁(yè)，共37頁(yè)?！坝職馓?hào)”火星探測(cè)器第6頁(yè)，共37頁(yè)。美國(guó)小鷹號(hào)航母第7頁(yè)，共37頁(yè)。內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖第8頁(yè)，共37頁(yè)。從上述例子以及對(duì)其他不同機(jī)器的分析可以得到機(jī)器的共同特征：（1）它們都是人們根據(jù)某種使用要求而設(shè)計(jì)創(chuàng)造的一種裝置。（2）它們必須執(zhí)行確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。（3）用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換等動(dòng)力學(xué)任務(wù)。

相對(duì)于機(jī)器而言，機(jī)構(gòu)主要反映機(jī)器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞和運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換的特征。零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器組成組成組成機(jī)械第9頁(yè)，共37頁(yè)。作為一部完整的機(jī)器，僅具有上述的機(jī)械部分是不夠的，它不能完成預(yù)期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，機(jī)器一般主要由五部分組成，如圖所示。

第10頁(yè)，共37頁(yè)。1.動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力機(jī)及其配套裝置；它的功能是向機(jī)器提供運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力源。如圖電動(dòng)機(jī)。另外還有內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)、氣馬達(dá)、液壓缸、氣缸及電磁驅(qū)動(dòng)等。第11頁(yè)，共37頁(yè)。2.執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件，它的功能是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作。執(zhí)行系統(tǒng)一般處于機(jī)械系統(tǒng)的末端，執(zhí)行構(gòu)件直接與工作對(duì)象接觸。執(zhí)行系統(tǒng)可以只包含一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和多個(gè)執(zhí)行構(gòu)件。

執(zhí)行系統(tǒng)也可以由幾個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖中的自動(dòng)曲柄沖壓機(jī)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)除曲柄滑塊機(jī)構(gòu)外，還有由氣缸及推料頭組成的送料機(jī)構(gòu)，它們配合完成沖壓-送料工作。第12頁(yè)，共37頁(yè)。3.傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)是把動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。4.操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

操縱系統(tǒng):多指通過人工操作以實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的離合器是通過由連桿等構(gòu)件組成的踏板機(jī)構(gòu)控制其離合，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的接入和分離。另外還有起動(dòng)、制動(dòng)器、變速、換向等裝置。第13頁(yè)，共37頁(yè)。

控制系統(tǒng):是指通過人工操作或測(cè)量元件獲得的控制信號(hào)，經(jīng)由控制器，使控制對(duì)象改變其工作參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的電磁鐵，電控?fù)Q向閥和電控箱等組成了控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)沖壓、送料等動(dòng)作配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

5.框架支撐系統(tǒng)及其他的輔助系統(tǒng)

框架支撐系統(tǒng)：包括基礎(chǔ)件（如床身、底座、立柱等）和支撐構(gòu)件（如支架、箱體等）。它用于安裝和支承動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等。機(jī)器各部分的位置精度、運(yùn)動(dòng)精度及機(jī)器的承載能力等主要依靠框架支撐系統(tǒng)來保證，該系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中必不可少的部分。此外，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的功能要求，還有一些輔助系統(tǒng)，如潤(rùn)滑、冷卻、顯示、照明等。第14頁(yè)，共37頁(yè)。二、課程的內(nèi)容、性質(zhì)、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法提示1、內(nèi)容：是研究普遍工作條件下一般尺寸、一般參數(shù)的通用零件的設(shè)計(jì)計(jì)算問題。一般尺寸（不是太大，太?。┲匦蜋C(jī)的一個(gè)地腳螺栓180公斤，礦山卷?yè)P(yáng)機(jī)齒輪直徑10m，而有些儀器儀表的重量以克表示，這些均不是研究范圍。通過本課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生能達(dá)到如下要求：（1）掌握通用機(jī)械的設(shè)計(jì)原理，方法，具有設(shè)計(jì)一般機(jī)械的能力。（2）具有應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范，手冊(cè)，圖冊(cè)及查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。（3）掌握典型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法。（4）對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)新方法有所了解。2、本課程的性質(zhì)本課程的性質(zhì)是以一般通用零件的設(shè)計(jì)為核心的設(shè)計(jì)性課程，從承載能力出發(fā)，考慮零件的材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及工藝性。從傳統(tǒng)意義及時(shí)間安排上是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。從教學(xué)要求上是一門重中之重的考試課。第15頁(yè)，共37頁(yè)。3、本課程特點(diǎn)（1）工程設(shè)計(jì)性（2）綜合性要用到以前學(xué)過的幾乎所有課程知識(shí)。（3）實(shí)踐性4、學(xué)習(xí)方法提示（1）、少問為什么，多問怎么樣。（2）、注意使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)資料，機(jī)械設(shè)計(jì)離不開手冊(cè)，標(biāo)準(zhǔn)及各種經(jīng)驗(yàn)資料，盡可能地查閱這些資料是機(jī)械零件課的任務(wù)之一，盡可能地多閱讀各種類型結(jié)構(gòu)。（3）、記好筆記，及時(shí)完成作業(yè)。機(jī)械零件被同學(xué)稱為“機(jī)械零碎”，因?yàn)槠鋬?nèi)容多、而雜，各部分內(nèi)容之間又缺少聯(lián)系，若不及時(shí)歸納，很易忘記?？荚嚞F(xiàn)復(fù)習(xí)，現(xiàn)抓不行。及時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)，有助于復(fù)習(xí)鞏固，本課程特點(diǎn)一聽就懂，一做題沒門，通過做作業(yè)，及時(shí)復(fù)習(xí)所學(xué)的內(nèi)容?？梢詭湍憬鉀Q。第16頁(yè)，共37頁(yè)。三、設(shè)計(jì)機(jī)器的一般程序1、調(diào)查決策階段本階段包括：（1）任務(wù)的提出（2）分析對(duì)新設(shè)計(jì)機(jī)器的需要（3）最后寫成任務(wù)書的形式2、設(shè)計(jì)階段。（1）功能設(shè)計(jì)研究（2）新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計(jì)包括機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)計(jì)算，零部件的工作能力計(jì)算部分或整機(jī)的裝配因設(shè)計(jì)，零件草圖的設(shè)計(jì)及主要零件的校核。最后繪制零件的工作圖。然后根據(jù)那些零件的工作圖，重新繪制其總裝圖。（3）技術(shù)文件的編制階段技術(shù)文件應(yīng)包括：設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、使用說明書、明細(xì)表及驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等文件。實(shí)際當(dāng)中很可能就不那么理想，有可能邊干邊改一干好幾年3、樣機(jī)的試制評(píng)定階段4、生產(chǎn)、銷售服務(wù)階段一部機(jī)器的質(zhì)量關(guān)鍵取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。第17頁(yè)，共37頁(yè)。機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程第18頁(yè)，共37頁(yè)。四、機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求1、具有預(yù)定使用功能的要求2、經(jīng)濟(jì)性要求(1)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法手段，達(dá)到盡可能精的結(jié)果，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。(2)大限度地標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化產(chǎn)品。(3)盡可能采用新技術(shù)、新工藝和新材料。(4)力求改善零件的工藝性，合理組織生產(chǎn)過程。3、勞動(dòng)保護(hù)要求(1)要使機(jī)器的操作者安全方便和安全。(2)改善操作者機(jī)器的環(huán)境4、可靠性要求5、其它要求對(duì)于不同的機(jī)器，還有一些特定的要求，如對(duì)機(jī)床，有長(zhǎng)期保持精度的要求，對(duì)飛機(jī)，有質(zhì)量小，飛機(jī)阻力小的要求。第19頁(yè)，共37頁(yè)。五、機(jī)械零件的主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則所謂失效是指機(jī)械零件喪失工作能力或不能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作。1.機(jī)械零件的主要失效形式①整體斷裂齒輪輪齒斷裂實(shí)例如：螺栓的斷裂

第20頁(yè)，共37頁(yè)。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形②過大的殘余變形第21頁(yè)，共37頁(yè)。齒輪齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕滾動(dòng)軸承滾道的疲勞點(diǎn)蝕滾動(dòng)軸承外圈滾道的磨損軸瓦的磨損③零件的表面破壞第22頁(yè)，共37頁(yè)。④破壞正常工作條件而失效例如：V帶傳動(dòng)當(dāng)傳遞的有效圓周力大于摩擦力的極限值時(shí)將發(fā)生打滑失效；高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件當(dāng)其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的固有頻率相一致時(shí)會(huì)發(fā)生共振，以致引起斷裂失效；液體潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承當(dāng)潤(rùn)滑油膜被破壞時(shí)將發(fā)生膠合失效等。第23頁(yè)，共37頁(yè)。2.設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的計(jì)算準(zhǔn)則所謂計(jì)算準(zhǔn)則：就是為了防止某種失效形式的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)零件時(shí)所必須遵循的要求。針對(duì)具體的零件，要根據(jù)其主要的失效形式，采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。主要計(jì)算準(zhǔn)則有：①?gòu)?qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度是指零件抵抗破壞的能力。破壞是指整體斷裂、表面接觸疲勞、塑性變形等。強(qiáng)度不足，零件根本無法工作，因此是最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。強(qiáng)度準(zhǔn)則的一般表達(dá)式為：σ≤〔σ〕第24頁(yè)，共37頁(yè)。②剛度準(zhǔn)則剛度是指零件抵抗彈性變形的能力。零件在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形量y（它廣義地代表任何形式的彈性變形量），小于或等于機(jī)器工作性能所允許的極限值[y]（即許用變形量），就叫做滿足剛度要求或符合了剛度計(jì)算準(zhǔn)則。其表達(dá)式為：y≤[y]③壽命準(zhǔn)則影響零件壽命的主要因素有疲勞、磨損和腐蝕。疲勞、磨損和腐蝕從它們產(chǎn)生的機(jī)理到發(fā)展規(guī)律完全不同，因而屬于三個(gè)不同的范疇。疲勞壽命的計(jì)算，通常是求出使用壽命時(shí)的疲勞極限來作為計(jì)算依據(jù)。迄今為止，還沒有提出實(shí)用有效的腐蝕壽命的計(jì)算方法，因而也無法列出腐蝕的計(jì)算準(zhǔn)則。可能產(chǎn)生磨損的原因很多，影響因素也很多，并且其產(chǎn)生的機(jī)理還沒有完全搞清楚，因而還沒有能夠進(jìn)行定量計(jì)算的方法。第25頁(yè)，共37頁(yè)。④振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則機(jī)器中許多運(yùn)動(dòng)的零件（齒輪、軸）都是振動(dòng)源，如果激振頻率fp接近共振頻率f時(shí)，易發(fā)生共振，致使機(jī)器或零件發(fā)生失效。所謂振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則，就是設(shè)計(jì)時(shí)使機(jī)械零件的激振頻率fp遠(yuǎn)離其共振頻率f。fp＜0.87f或fp＞1.18f若不能滿足上述條件，則必須采取措施減振。主要措施有：提高系統(tǒng)剛度；提高零件制造精度；增加阻尼系統(tǒng)；采取減振隔離措施；對(duì)回轉(zhuǎn)件進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)等。第26頁(yè)，共37頁(yè)。⑤耐磨性準(zhǔn)則磨損將改變零件的形狀及尺寸。因此，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)力求提高零件的耐磨性或盡量降低磨損。對(duì)于磨損，目前還沒有理論計(jì)算公式，通常是采取條件性限制。限制壓強(qiáng)不超過許用值，以防止壓強(qiáng)過大，使零件工作表面油膜破壞而產(chǎn)生過快磨損，其驗(yàn)算式為：

P≤[p](MPa)

對(duì)相對(duì)滑動(dòng)速度較大的摩擦表面，還要控制摩擦表面的溫度，以防止?jié)櫥统霈F(xiàn)解析現(xiàn)象從而導(dǎo)致磨損加劇。因此，要限制單位接觸面上單位時(shí)間產(chǎn)生的摩擦力不要過大，當(dāng)摩擦系數(shù)f為常數(shù)時(shí)，則可驗(yàn)算pv值不超過許用值，即：

pv≤[pv](MPam/s)第27頁(yè)，共37頁(yè)。六、機(jī)械零件的材料及制造工藝性1.機(jī)械零件材料的選擇原則制造機(jī)械零件的材料是多種多樣的，主要有鋼、鑄鐵、銅合金、非金屬材料及復(fù)合材料等。正確選擇材料是設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。各種通用零件的常用材料及其牌號(hào)將在以后各章節(jié)中詳細(xì)介紹。下面僅就材料的選擇原則，加以介紹：①使用要求滿足使用要求是選擇零件材料的最基本原則。使用要求一般是指零件的工作狀況、受載情況、零件的重要性及對(duì)零件尺寸和重量的限制等。第28頁(yè)，共37頁(yè)。：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料:陶瓷:金屬材料非金屬材料：塑料、橡膠、合成纖維

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F45601Cr18Ni9）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：TH300QT500-5)強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕機(jī)械零件的常用材料

第29頁(yè)，共37頁(yè)。②工藝要求結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件宜采用鑄造毛坯或選擇焊接而成。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件，視其批量大小可采用模鍛或自由鍛制取毛坯。③經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)在材料的相對(duì)價(jià)格，當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不要選擇價(jià)格高的材料。這對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，尤為重要。但選材時(shí)不能只著眼于相對(duì)價(jià)格，還要考慮零件的加工費(fèi)用。第30頁(yè)，共37頁(yè)。2.機(jī)械零件的制造工藝性

在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費(fèi)勞動(dòng)量最小、加工費(fèi)用最少的零件，就認(rèn)為具有良好的工藝性。①造型簡(jiǎn)單合理②合理選擇毛坯的種類③鑄造的工藝性④焊接工藝性⑤熱處理工藝性⑥切削加工工藝性⑦結(jié)構(gòu)裝配工藝性機(jī)器由零件組裝而成，而且機(jī)器工作一段時(shí)間后，需拆開檢修，因此零件間必須具有良好的裝配工藝性。有關(guān)結(jié)構(gòu)裝配工藝性如書圖所示。第31頁(yè)，共37頁(yè)。七、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟

由于零件的種類不同，其具體的設(shè)計(jì)步驟也不一樣，但一般都可按下列步驟進(jìn)行：1.選擇零件的類型：根據(jù)使用條件及工作載荷的性質(zhì)，選擇零件的類型。因此，設(shè)計(jì)者必須了解各種常用機(jī)械零件的類型、特點(diǎn)及適用范圍。2.確定零件上的載荷：根據(jù)動(dòng)力機(jī)及工作機(jī)的實(shí)際工作情況，考慮到各種影響載荷作用的因素，確定出作用在零件上的計(jì)算載荷。3.選擇零件材料：根據(jù)零件的工作條件及對(duì)零件的特殊要求（在高溫或腐蝕介質(zhì)中工作等），選擇合適的材料。4.確定計(jì)算準(zhǔn)則：根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定應(yīng)采用的計(jì)算準(zhǔn)則。

第32頁(yè)，共37頁(yè)。5.理論設(shè)計(jì)：根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則所得到的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，確定出零件的主要幾何尺寸和參數(shù)。6.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)功能的要求，加工及結(jié)構(gòu)工藝性、剛度要求等進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出零件的結(jié)構(gòu)尺寸。7.精確校核：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)有些重要零件（如軸）應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。8.畫出零件工作圖，并寫出計(jì)算說明書。繪制的零件工作圖應(yīng)符合制圖標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足加工要求。寫出的計(jì)算說明書要條理清晰、數(shù)據(jù)正確格式統(tǒng)一，并附有必要的結(jié)構(gòu)草圖和計(jì)算草圖。重要的公式及引用參數(shù)，一般要注明來源。第33頁(yè)，共37頁(yè)。八、機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化

1.標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化，就是通過對(duì)零件尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化意義重大，帶來的優(yōu)越性表現(xiàn)在：以最先進(jìn)的方法，在專門的加工廠中對(duì)那些用途最廣的零件進(jìn)行大量的、集中的制造，以提高質(zhì)量、降低成本。擴(kuò)大了互換性，便于維修。采用了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及零、部件，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作、縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。統(tǒng)一了零件的性能指標(biāo)，提高了零件的可靠性。可集中成功經(jīng)驗(yàn)，減少設(shè)計(jì)、制造上的技術(shù)差錯(cuò)。第34頁(yè)，共37頁(yè)。2.通用化通用化，就是指最大限度減少與合并產(chǎn)品的型式、尺寸、材料和品種，使零件和部件盡量在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品上通用，通用化是廣義的標(biāo)準(zhǔn)化。3.系列化系列化，就是對(duì)于同一產(chǎn)品，為了符合不同