機械結構設計基礎-00文前緒論

機械設計基礎目錄第5章齒輪系傳動第4章蝸桿傳動第3章齒輪傳動機構第2章帶傳動緒論第1章平面機構的結構分析第6章軸目錄第10章平面連桿機構第9章凸輪傳動機構第8章軸承第7章軸轂連接目錄第16章減速器和變速器第15章機械的平衡與調(diào)速第14章間歇運動機構第13章聯(lián)軸器、離合器、制動器和彈簧第11章鏈傳動第12章螺紋連接與螺旋傳動緒論

1.機器的特征、組成及分類。2.本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務。3.機器設計制造的一般程序。4.摩擦及其分類；磨損的過程及分類；潤滑油的種類及其選擇。知識點：0.1機器的組成0.1.1

機器的特征人類為了減輕體力勞動、提高生產(chǎn)率而發(fā)明創(chuàng)造了各種各樣的機器。在人們的生產(chǎn)和生活中，經(jīng)常遇到如汽車、機床、電動機、洗衣機等機械設備。這些機械的功能各不相同，結構性能各異。如圖0.1所示為一單缸四沖程內(nèi)燃機。燃料在氣缸體1內(nèi)燃燒膨脹做功，驅(qū)動活塞2向下移動，經(jīng)連桿3帶動曲軸4轉動。曲軸經(jīng)過一對齒輪5和6，帶動凸輪軸7和挺桿8，以控制進、排氣閥相對活塞的移動作定時啟閉，一邊將可燃混合氣吸入氣缸，一邊排出燃燒后的廢氣，氣缸體1起支撐作用。以上各動作協(xié)調(diào)配合，將燃料燃燒時的熱能，轉變?yōu)榍S轉動的機械能。圖0.1單缸內(nèi)燃機１.氣缸體；２.活塞；３.連桿；４.曲軸；５、6.正時齒輪；7.凸輪軸；8.氣門挺桿0.1機器的組成又如圖0.2所示為一牛頭刨床，它由電動機7、帶傳動6、變速齒輪組9、一對齒輪5、導桿機構4、滑枕(刨頭)3、刀架1、工作臺13和床身8等組成。工作時電動機通過帶傳動和齒輪傳動，使偏心輪（大齒輪）回轉，經(jīng)過滑塊帶動導桿做往復擺動，再由導桿推動滑枕作往復直線運動，使刨刀切削工件而做有用的機械功。圖0.2牛頭刨床１.刀架；２.螺旋機構；３.滑枕；４.導桿機構；５.齒輪機構；6.帶傳動；7.電動機；8.床身；9.變速齒輪；10.圓盤；11.曲柄搖桿機構；12.棘輪機構；13.工作臺0.1機器的組成機器的種類繁多。按照用途的不同，可把機器分為動力機器、工作機器和信息機器。動力機器用來實現(xiàn)其他形式的能量與機械能間的轉換，如內(nèi)燃機、電動機、渦輪機等。工作機器用來做機械功或搬動物品，即變換物料，汽車、金屬切削機床、起重機、收割機等都是工作機器。信息機器用來獲取或變換信息，如照相機、打字機等。作為一部完整的機器，要能完成預期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，一般由以下五部分組成，如圖0.3所示。圖0.3機器的組成0.1.2機器的組成及分類機器的動力來源，包括動力機及其配套裝置，它的功能是向機器提供運動和動力，如電動機、內(nèi)燃機等。1.動力裝置0.1機器的組成執(zhí)行裝置是直接完成機器預定功能的工作部分。包括若干執(zhí)行機構，它的功能是驅(qū)動執(zhí)行件按給定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)預期的工作。執(zhí)行裝置一般處于機械系統(tǒng)的末端，執(zhí)行件直接與工作對象接觸，如刨床的刀架、汽車的驅(qū)動輪等。2.執(zhí)行裝置傳動裝置是把動力裝置的運動和動力變換成執(zhí)行裝置所需的運動形式、運動和動力參數(shù)，并傳遞給執(zhí)行裝置的中間部分。機器中的傳動有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等形式，應用最多的是機械傳動。3.傳動裝置操縱裝置和控制裝置都是為了使動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)工作，并準確可靠地完成整機功能的裝置，如控制機器的啟動、停車、變速、換向等。多指通過人工操作以實現(xiàn)上述要求的裝置。4.操縱、控制裝置0.1機器的組成它包括基礎件(如床身、底座、立柱等)和支撐構件(如支架、箱體等)。它用于安裝和支承動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等。機器各部分的位置精度、運動精度及機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)是機械系統(tǒng)中必不可少的部分。輔助裝置則有照明、潤滑、冷卻裝置等。以汽車為例，發(fā)動機(汽油機或柴油機)是汽車的動力裝置；離合器、變速箱、傳動軸和差速器組成傳動裝置；車輪、懸掛系統(tǒng)及底盤(包括車身)是執(zhí)行裝置。這三個裝置是機器的基本組成部分。5.框架支撐系統(tǒng)及其他的輔助裝置0.1機器的組成從制造的角度看，機器是由若干個零件裝配而成的。零件是機器中不可拆卸的制造單元。按其是否具有通用性可以將零件分為兩大類：一類是通用零件，它的應用很廣泛，幾乎在任何一部機器中都能找到，例如齒輪、軸、螺母、銷釘?shù)?；另一類是專用零件，它僅用于某些機器中，?？杀碚髟摍C器的特點，如內(nèi)燃機的活塞、起重機的吊鉤等。有時為了裝配方便，先將一組協(xié)同工作的零件分別裝配或制造成一個個相對獨立的組合體，然后再裝配成整機，這種組合體常被稱為部件(或組件)，例如車床的主軸箱、尾座，滾動軸承以及自行車的腳蹬子等。將機器看成是由零部件組成的，不僅有利于裝配，也有利于對機器的設計、運輸、安裝和維修等。按零部件的主要功用可以將它們分為連接與緊固件，傳動件、支承件等。在機器中，零件都不是孤立存在的，它們是通過連接、傳動、支承等形式按一定的原理和結構聯(lián)系在一起的，這樣才能發(fā)揮出機器的整體功能。0.1.3零件與構件0.1機器的組成從運動的角度看，機器是由若干個運動的單元組成的，這種組成機器的基本運動單元稱為構件。構件可以是一個零件(如圖0.1中的氣門挺桿8)，也可以是若干個零件的剛性組合體(如圖0.1中的連桿3)。由連桿體、連桿頭和螺栓、螺母等多個零件組合而成的構件，如圖0.4所示。組成構件的各零件相互之間沒有相對運動，各構件之間是靠運動副連接起來的，有確定的相對運動。用運動的觀點看機器，可以認為一部機器是一個機構或若干個機構的組合，這就為機器的運動分析帶來了方便。圖0.4連桿構件圖１.連桿體；２.連桿蓋；３～5.軸瓦；6.螺栓0.2本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務本課程的研究對象是一般工作條件下的常用機構和通用機械零部件，主要講述機械中的常用機構和通用零部件的工作原理、運動特點、結構特點、基本設計理論和計算方法，以及機器動力學中的一些問題。同時簡要介紹國家標準和規(guī)范、某些標準零部件的選用原則和方法，以及通用零部件的一般使用及維護知識。0.2.1課程的內(nèi)容本課程是一門技術基礎課。它綜合運用高等數(shù)學、工程力學、機械制圖、金屬工藝學、互換性與技術測量、計算機程序設計等課程的基本知識，解決常用機構、通用零部件等設計問題。本課程的科學性、綜合性、實踐性都比較強，是機械類或近機類專業(yè)的主干課之一，在相應各專業(yè)的教學計劃中占有重要的地位。0.2.2課程的性質(zhì)0.2本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務本課程的主要任務是培養(yǎng)學生以下幾方面的能力。

1)掌握機構的結構、運動特性，初步具有分析和設計常用機構的能力，對機械動力學的某些基本知識有所了解。

2)掌握通用機械零件的工作原理、結構特點、設計計算和維護等基本知識，并初步具有設計機械傳動裝置的能力。

3)具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力。

4)獲得具有本學科實驗技能的初步訓練?？傊?，通過本課程的學習，應使學生具備使用、維護和改進機械設備的基本知識和分析設備事故的基本能力，使學生能運用手冊設計簡單的機械傳動，為今后的技術革新創(chuàng)造條件，并為學習有關專業(yè)課程奠定必要的基礎。0.2.3課程的任務0.3

機器設計制造的一般過程0.3.1機器應滿足的要求機器(包括整機、部件和零件)的基本要求取決于其所處的地位、作用及工作條件等。其中設計制造機器時主要應考慮以下幾個方面的基本要求。1.使用要求機器應在規(guī)定的使用期限內(nèi)保證實現(xiàn)預定的功能，達到規(guī)定的性能。這項要求主要靠合理地選擇機器的工作原理，正確地設計傳動方案，合理配置輔助系統(tǒng)等來實現(xiàn)。2.經(jīng)濟性要求機器的經(jīng)濟性應體現(xiàn)并貫穿在設計、制造和使用的全過程，以求獲得最高的經(jīng)濟效益。機械產(chǎn)品的價格是其在市場經(jīng)濟條件下有效地參與競爭的重要因素之一，而降低每個零件的成本對整個機械產(chǎn)品的經(jīng)濟性是很重要的。0.3

機器設計制造的一般過程3.社會要求對機器的社會要求有：應滿足人機工程學要求，如操作方便、省力、舒適、勞動強度低、維修簡便等；應滿足安全運行要求，保證人、機安全，如設置安全防護裝置、連鎖互鎖裝置、預警信號系統(tǒng)等；應滿足工藝美學要求，機器造型美觀、色彩協(xié)調(diào)、雅致精巧，如消防機械用紅色，給人以緊迫、警示感；應符合環(huán)保要求，降低噪聲，最好在80dB以下；防止有毒有害介質(zhì)的泄漏。4.可靠性要求機器的可靠性是指在規(guī)定的使用壽命和工況條件下機器完成規(guī)定功能的能力?？煽啃允呛饬繖C械產(chǎn)品的一個重要指標。主要取決于零件的可靠性和零件的組合關系。5.其他特殊要求在滿足以上基本要求的前提下，不同機械還有其特殊的要求，如機床有長期保持精度的要求；食品機械有防止污染的要求；大型設備有便于安裝和運輸?shù)囊蟮取?.3

機器設計制造的一般過程0.3.2機器設計制造的一般程序機械產(chǎn)品的用途不同，要求各異，設計的具體條件不同，所以設計方法和步驟也不盡一致。一般來說，有以下程序和內(nèi)容。1.可行性研究階段新產(chǎn)品開發(fā)任務提出后，要進行可行性研究。首先要作充分的調(diào)查研究，收集資料，掌握信息，然后對產(chǎn)品的預期需要、使用要求和關鍵技術進行詳細分析研究，明確任務要求，提出機器功能設計參數(shù)和制約條件，并作經(jīng)濟效益估算，論證設計的必要性、先進性和可行性，最后給出可行性報告和設計任務書。2.方案設計階段方案設計即為機器的功能原理設計。本階段是決定機器結構、產(chǎn)品水平和競爭力的關鍵階段。方案設計是在機器功能分析的基礎上，確定機器的工作原理和技術要求，擬定機器的傳動方案和總體布置等。0.3

機器設計制造的一般過程3.技術設計階段技術設計階段的任務是完成機器總裝配和部件裝配草圖，將原理方案結構化。技術設計內(nèi)容和步驟如下。

(1)機器的運動學設計

(2)機器的動力學計算

(3)零件的工作能力設計

(4)部件裝配草圖和總裝配草圖的設計

(5)主要零件的校核4.施工設計階段施工設計需完成零件工作圖的設計和編制各類技術文件。零件工作圖是制造和檢驗零件的依據(jù)。根據(jù)裝配圖設計并繪制零件工作圖。設計工作圖時，要認真考慮零件的全部結構、加工和裝配工藝性、檢驗要求等。若零件的結構、尺寸改變，按最后確定的零件工作圖上的結構和尺寸，重新繪制部件裝配圖和總裝配圖。應使工作圖上零件的結構和主要外廓外尺寸與裝配圖中的完全一致。0.3

機器設計制造的一般過程5.技術設計階段試制樣機后，進行樣機試驗，測試各項技術性能指標，分析是否達到設計要求。樣機試驗完成后，應進行全面的技術經(jīng)濟評價，專家鑒定，以決定設計方案是否可用或提出修改意見。6.投產(chǎn)銷售階段在改進原設計使之達到設計任務書規(guī)定的全部要求后，可報批投產(chǎn)。在進行生產(chǎn)準備后，正式投產(chǎn)，并開展售后服務、跟蹤調(diào)查、及時反饋制造和使用的信息，反復不斷修改設計，甚至改型，提高產(chǎn)品質(zhì)量和信譽，開拓出更廣闊的市場。0.4

摩擦、磨損和潤滑0.4.1摩擦機器中許多相接觸的零件間作相對運動，產(chǎn)生摩擦，導致能量損耗、效率降低、溫度升高、零件磨損。過度磨損使零件失效，并使機器精度降低，產(chǎn)生振動和噪聲，縮短壽命。在失效零件中，因磨損而失效的零件約占80％。為了提高機器的效率、使用壽命和經(jīng)濟性，必須設法盡量減小摩擦以減少磨損。潤滑是減小摩擦、減少磨損最有效的方法。在正壓力作用下兩個相接觸的物體，接觸面間產(chǎn)生抵抗切向滑動阻力的現(xiàn)象稱為摩擦。按運動形式摩擦可分為滑動摩擦和滾動摩擦。作相對滑動的兩接觸物體間的摩擦稱為滑動摩擦，如滑動軸承的軸瓦與軸頸、絲桿與螺母間的摩擦。作相對滾動的以點或線接觸的兩物體，其接觸處產(chǎn)生的摩擦稱為滾動摩擦，如滾動軸承中滾動體與內(nèi)、外圈間、滾動螺旋與螺母、齒輪輪齒在節(jié)點嚙合時的摩擦。滾動摩擦要比滑動摩擦小得多。按摩擦狀態(tài)來分，滑動摩擦又分為干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦。1.干摩擦摩擦面間不加潤滑劑時的摩擦為干摩擦。干摩擦時，金屬表面直接接觸，摩擦大，磨損嚴重，應予避免(依靠摩擦力工作的零件除外)。2.液體摩擦摩擦副表面間被一層壓力液體完全隔開時的摩擦稱為液體摩擦。摩擦只產(chǎn)生于液體內(nèi)部分子間，摩擦系數(shù)很小，是理想的摩擦狀態(tài)。0.4

摩擦、磨損和潤滑3.邊界摩擦摩擦副間有少量潤滑劑，摩擦表面上形成極薄的潤滑劑膜，強度低，易破裂，致使摩擦面間部分直接接觸，這種摩擦為邊界摩擦。其摩擦和磨損均比干摩擦時小。4.混合摩擦處于邊界摩擦與液體摩擦的混合狀態(tài)稱為混合摩擦?；旌夏Σ習r，大部分摩擦面處于液體摩擦，少量表面輪廓峰直接接觸。其摩擦系數(shù)要比邊界摩擦小得多。0.4

摩擦、磨損和潤滑0.4.2磨損摩擦使零件表面材料逐漸損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損改變零件的尺寸和形狀，破壞工作表面，影響零件和機器的功能，縮短使用壽命，并消耗材料和能量，一般應減少磨損。材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性。被磨損去的表面厚度稱為磨損量。1.磨損過程一般機械零件的磨損過程分為磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。(1)磨合階段(圖0.5中的oa段)(2)穩(wěn)定磨損階段(圖0.5中的ob段)(3)劇烈磨損階段(圖0.5中的bc段)圖0.5磨損過程0.4

摩擦、磨損和潤滑2.磨損類型按照破壞機理的不同，磨損分為以下四種類型。

(1)黏著磨損

(2)磨粒磨損

(3)疲勞磨損

(4)腐蝕磨損3.減少磨損的方法減少磨損的方法應結合磨損類型來考慮。一般為合理選擇摩擦副材料、表面硬度和表面粗糙度；良好的潤滑（形成流體潤滑或采用含油性和極壓添加劑的潤滑劑，合理選擇潤滑油黏度）；降低摩擦副表面溫度；控制壓強等。0.4

摩擦、磨損和潤滑0.4.3潤滑潤滑就是向摩擦表面供給潤滑劑。潤滑的主要目的是為了減小摩擦、減少磨損和冷卻零件。此外，潤滑還有防止零件銹蝕、緩沖吸振、洗除污物和密封等作用。潤滑問題包括選用合適的潤滑劑、潤滑方式和確定潤滑裝置。本節(jié)僅討論潤滑劑的基本知識，潤滑方式和裝置見后面有關章節(jié)或手冊。潤滑劑分為液體潤滑劑、半固體潤滑劑、固體潤滑劑和氣體潤滑劑等四大類。對于一般機械設備，通常采用潤滑油或潤滑脂潤滑。1.潤滑油工業(yè)用潤滑油有礦物油和合成油兩類。合成油為化學合成產(chǎn)品，具有優(yōu)良的綜合性能，但價高，目前多用于高溫、高速和重載等特殊場合。礦物油系石油產(chǎn)品，性能較好，適用性廣，成本較低，應用最多。

(1)礦物油的種類

(2)潤滑油的主要性能指標

(3)潤滑油的選用0.4

摩擦、磨損和潤滑2.潤滑脂潤滑脂是潤滑油與稠化劑的膏狀混合物。其潤滑性能主要取決于所用的潤滑油、稠化劑的種類和含量。

(1)潤滑脂的種類

(2)潤滑脂的性能指標

(3)潤滑脂的特點3.添加劑為了改善潤滑油、脂的使用性能，常加入一定量的其他物質(zhì)——添加劑，使其更好地滿足不同使用場合的各種需要。添加劑種類很多，按所起的作用可分為極壓添加劑、油性劑、抗氧抗腐劑、黏度指數(shù)改進劑、降凝劑等。小結

1）機器具有的三個特征：①都是人為的實物組合；②各實物之間具有確定的相對運動；③能代替或減輕人類的勞動完成有