機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第5版）緒論

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第5版）

緒論

從一個機(jī)械設(shè)計師的角度出發(fā)，運(yùn)用本課程的內(nèi)容和方法去分析問題和解決問題。

本章要點包括：1.機(jī)械的組成。2.機(jī)械設(shè)計的基本要求和一般程序。3.機(jī)械零件設(shè)計的基本知識和設(shè)計方法。本課程的研究對象：機(jī)械機(jī)械為機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱第一節(jié)機(jī)械的組成一、機(jī)器

工廠中：車床、刨床、銑床、磨床等機(jī)加工設(shè)備。農(nóng)村中：拖拉機(jī)、收割機(jī)等。家庭中：冰箱、洗衣機(jī)、自行車等。

機(jī)器具有以下共同特征：（1）機(jī)器的主體是若干機(jī)構(gòu)的組合；（2）用于傳遞運(yùn)動和動力；（3）具有變換或傳遞能量、物料或信息的功能。二、機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)是若干構(gòu)件的組合，各構(gòu)件間具有確定的相對運(yùn)動，但不具備機(jī)器的變換或傳遞能量、物料、信息的功能。

常用機(jī)構(gòu)：

連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等。連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)間歇機(jī)構(gòu)三、構(gòu)件和零件1.構(gòu)件

機(jī)構(gòu)中作相對運(yùn)動的各個運(yùn)動單元稱為構(gòu)件。

構(gòu)件是運(yùn)動的單元：可能是單一的剛體或是多個零件的剛性組合。如；內(nèi)燃機(jī)中的連桿。連桿1－連桿體；2－連桿蓋；3、4、5－軸瓦；6－螺栓；7－螺母；8－銷2.零件零件是機(jī)器中的制造單元。零件分為兩類：

（1）通用零件：各種機(jī)器中普遍使用的零件，如螺栓、鍵、帶輪、齒輪等。（2）專用零件：特定類型機(jī)器中所使用的零件，如內(nèi)燃機(jī)中的活塞、凸輪、洗衣機(jī)中的波輪、葉片、吊鉤等。2.研究各種通用機(jī)械零件（連接件、傳動件、軸系件等）的結(jié)構(gòu)、特點及工作原理、選用原則、設(shè)計和計算方法、使用及維護(hù)等。四、本課程研究的內(nèi)容1.常用機(jī)構(gòu)（平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)）的組成形式和運(yùn)動特性、選用原則，以及機(jī)器動力學(xué)基礎(chǔ)知識。2.零件零件是機(jī)器中的制造單元。零件分為兩類：

（1）通用零件：各種機(jī)器中普遍使用的零件，如螺栓、鍵、帶輪、齒輪等。（2）專用零件：特定類型機(jī)器中所使用的零件，如內(nèi)燃機(jī)中的活塞、凸輪、洗衣機(jī)中的波輪、葉片、吊鉤等。第二節(jié)機(jī)械設(shè)計的基本要求和一般程序

機(jī)械設(shè)計是根據(jù)用戶的需求，創(chuàng)造性地設(shè)計和制造出具有預(yù)期功能的新機(jī)械或改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械的功能。一、機(jī)械設(shè)計的基本要求

（1）使用要求：根據(jù)預(yù)期的使用功能，確定機(jī)構(gòu)的組合。（2）經(jīng)濟(jì)性要求：機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程。（3）人、機(jī)和環(huán)境要求：所設(shè)計的機(jī)械應(yīng)使人、機(jī)和環(huán)境所組成的系統(tǒng)關(guān)系協(xié)調(diào)。（4）可靠性要求：機(jī)械在規(guī)定的環(huán)境條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，完成規(guī)定功能的一種特性。（5）其它要求：不同的機(jī)械還有一些特殊的要求：如機(jī)床有長期保持精度的要求；飛機(jī)有減輕質(zhì)量的要求；食品機(jī)械有防止污染的要求等。產(chǎn)品規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案設(shè)計原理方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計施工設(shè)計可行性報告設(shè)計任務(wù)書原理方案圖結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖總裝配圖部裝圖、零件圖技術(shù)文檔投產(chǎn)和售后服務(wù)二、機(jī)械設(shè)計的一般程序二、機(jī)械設(shè)計的一般過程1.產(chǎn)品規(guī)劃階段根據(jù)市場預(yù)測、用戶需求調(diào)查和可行性分析，制定出機(jī)器的設(shè)計任務(wù)書。2.方案設(shè)計階段方案設(shè)計是在功能分析的基礎(chǔ)上，確定機(jī)器的工作原理和技術(shù)要求，擬定機(jī)器的總體布置、傳動方案和機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。3.技術(shù)設(shè)計階段將機(jī)器的功能原理方案具體化為機(jī)械及零部件的合理結(jié)構(gòu)，最后畫出總體設(shè)計圖。4.施工設(shè)計階段進(jìn)行總裝配圖、部件裝配圖和零件工作圖的設(shè)計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設(shè)計和使用說明書等技術(shù)文件。第三節(jié)機(jī)械零件的主要失效形式和計算準(zhǔn)則

一、機(jī)械零件的主要失效形式

失效：機(jī)械零件由于各種原因造成喪失正常工作能力的現(xiàn)象。1.斷裂1）過載斷裂

零件在外載荷作用下，某一危險截面上的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限時，造成過載斷裂失效。2）疲勞斷裂

零件在循環(huán)變應(yīng)力作用下，長時間工作的零件，容易發(fā)生疲勞斷裂。如：齒輪輪齒根部的折斷。2.

過大的殘余變形

當(dāng)作用在零件上的應(yīng)力超過材料的屈服極限σs時，零件將產(chǎn)生塑性變形。塑性變形改變零件的形狀和尺寸，破壞零件間的配合關(guān)系。3.表面失效磨損1)2)腐蝕3)疲勞點蝕4.破壞正常工作條件而引起的失效1)帶傳動的過載打滑2)重載齒輪傳動、蝸桿傳動的齒面膠合與磨損磨損疲勞點蝕二、機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則

計算準(zhǔn)則：針對不同失效形式建立的判定零件工作能力的條件，稱為工作能力計算準(zhǔn)則。

1.強(qiáng)度準(zhǔn)則：零件在外載荷作用下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力σ不超過零件的許用應(yīng)力[σ]。

由于強(qiáng)度不足會引起機(jī)械零件斷裂、塑性變形、疲勞點蝕。強(qiáng)度條件：2.剛度準(zhǔn)則：機(jī)械零件抵抗彈性變形的能力。剛度條件：3.壽命準(zhǔn)則影響零件壽命的主要因素是磨損、疲勞和腐蝕。1）耐磨性

摩擦與磨損與零件的結(jié)構(gòu)、摩擦副材料、熱處理方式、潤滑條件等諸多因素有關(guān)，設(shè)計時應(yīng)運(yùn)用摩擦學(xué)原理，綜合考慮上述因素。2）疲勞壽命應(yīng)按使用壽命的疲勞極限進(jìn)行計算。3）腐蝕壽命

目前尚無計算方法，選材時應(yīng)根據(jù)防腐要求確定。

4.振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：設(shè)計時使機(jī)器中受激振作用的各零件的固有頻率與激振頻率錯開，以避免產(chǎn)生共振。

劇烈振動會影響機(jī)器的工作質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)精度，當(dāng)機(jī)器的自振頻率與干擾頻率一致時，會發(fā)生共振，振幅急劇增大，使零件失去穩(wěn)定性，使機(jī)器或零件損壞。

對高速轉(zhuǎn)動零件應(yīng)作振動穩(wěn)定性計算，避開共振區(qū)。

5.熱平衡準(zhǔn)則：零件的工作溫度過高或由于摩擦生熱而形成高溫，會使零件產(chǎn)生熱變形、熱應(yīng)力，破壞正常的潤滑條件，造成膠合破壞。

對連續(xù)工作的蝸桿傳動、滑動軸承通常需進(jìn)行熱平衡計算。三、機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟機(jī)械零件設(shè)計的一般步驟為：（1）根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型并設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)。（2）根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇材料和熱處理方式。（3）根據(jù)零件的工作情況建立零件的計算簡圖，計算作用在零件上的載荷。（4）分析零件工作時可能出現(xiàn)的失效形式，確定滿足零件工作能力的計算準(zhǔn)則，并計算出零件的主要尺寸。（5）根據(jù)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化等原則，進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（6）繪制出零件工作圖，編制設(shè)計計算說明書。

四、機(jī)械零件的設(shè)計方法

（1）

理論設(shè)計

1）設(shè)計計算：按設(shè)計公式直接求得零件的主要尺寸。

2）校核計算：已知零件的各部分尺寸，校核其是否能滿足有關(guān)的設(shè)計準(zhǔn)則。（2）

經(jīng)驗設(shè)計：根據(jù)對同類零件已有的設(shè)計與使用實踐，歸納出經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)，或者用類比法進(jìn)行的設(shè)計稱為經(jīng)驗設(shè)計。

機(jī)械設(shè)計方法：常規(guī)設(shè)計方法、現(xiàn)代設(shè)計方法。

1．常規(guī)設(shè)計方法以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，以力學(xué)分析或?qū)嶒炐纬傻墓健⒔?jīng)驗數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)，采用經(jīng)驗公式、模型或類比等的設(shè)計方法。

（3）模型實驗設(shè)計：對于尺寸很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況條件特殊，又難以進(jìn)行理論計算和經(jīng)驗設(shè)計的重要零件，可采用模型或樣機(jī)設(shè)計。

2．現(xiàn)代設(shè)計方法

隨著新材料、新工藝、新技術(shù)等的不斷涌現(xiàn)，推動機(jī)械產(chǎn)品向大功率、高速度、高精度和自動化方向發(fā)展，產(chǎn)生了機(jī)械設(shè)計的現(xiàn)代設(shè)計方法。

主要表現(xiàn)在：

（1）發(fā)展光機(jī)電一體化技術(shù)，提高機(jī)器的效率、生產(chǎn)率和自動化程度。

（2）采用斷裂力學(xué)、有限元方法、摩擦學(xué)、統(tǒng)計強(qiáng)度理論、相似理論、模擬仿真技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)等新的理論和技術(shù)，使設(shè)計結(jié)果更加符合實際。

（3）采用優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計和價值設(shè)計等方法，提高機(jī)械的性能，降低成本。

（4）利用計算機(jī)運(yùn)算快速、準(zhǔn)確，具有存儲和邏輯判斷功能等特點，并與圖形分析、自動繪圖等相結(jié)合，在人機(jī)交互作用下進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）。

第五節(jié)機(jī)械制造中常用材料及選擇一、常用材料1.金屬材料1）鑄鐵鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，區(qū)別在于含碳量不同。

鑄鐵是脆性材料，強(qiáng)度低、耐磨性差、不能碾壓和鍛造。但易熔性、流動性好，具有良好的鑄造工藝性。另外具有減震性，價格便宜。

鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為1：4，故鑄件在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量受壓不受拉。

鑄鐵常用于制造大型、形狀復(fù)雜的零件。如：機(jī)床床身、機(jī)座、箱體等。第五節(jié)機(jī)械零件的常用材料和選擇原則一、機(jī)械零件的常用材料

機(jī)械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等，常用材料的牌號、性能及熱處理可查閱機(jī)械設(shè)計手冊。1.鋼

鋼的種類很多，按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼；按用途分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼；按質(zhì)量分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼；按脫氧程度分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。鋼是機(jī)械制造中應(yīng)用最廣泛的材料，制造機(jī)械零件時可以軋制、鍛造、沖壓、焊接和鑄造，并且可以用熱處理方法獲得較高的力學(xué)性能或改善加工性能。

鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金。根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式的不同，鑄鐵分為白口鑄鐵、灰鑄鐵和麻口鑄鐵，根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)的不同分為：灰鑄鐵，石墨呈片狀；可鍛鑄鐵，石墨呈團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵，石墨呈球狀；蠕墨鑄鐵，石墨呈蠕蟲狀。3.有色金屬合金

有色金屬合金具有良好的減摩性、跑合性、抗腐蝕性、抗磁性和導(dǎo)電性等，在機(jī)械制造中常用的有銅合金、鋁合金和軸承合金等。由于產(chǎn)量少、價格較貴，應(yīng)節(jié)約使用。2.鑄鐵

灰鑄鐵屬脆性材料，抗拉性差，但抗壓性、耐磨性和抗振性較好，價格便宜，通常用作機(jī)架和殼體。

球墨鑄鐵是使鑄鐵中的石墨呈球狀，球墨鑄鐵的強(qiáng)度較灰鑄鐵高，且有一定的塑性，可代替鑄鋼和鍛鋼制造零件。4．非金屬材料

橡膠是在生膠（天然橡膠或合成橡膠）中加入適量的硫化劑和配合劑組成的高分子彈性體。

機(jī)械制造中的非金屬材料有塑料、橡膠、陶瓷、木料、皮革等。

（1）工程塑料

工程上用于制造機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)件的塑料，稱為工程塑料。優(yōu)點為：質(zhì)輕、比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能、減摩性與自潤滑性能良好，絕緣性、耐電弧性、隔聲性、吸振性優(yōu)，工藝性好。缺點為：強(qiáng)度、硬度、剛度低，耐熱性、導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，易燃燒，易老化等。

工程塑料可用于制造齒輪、蝸輪、軸承、密封件、各種耐磨、耐腐、絕緣等零件。（2）橡膠

橡膠具有高彈性、較高的韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐蝕性、耐磨性、吸振性、密封性，能與金屬、線織物、石棉等材料相連接。

橡膠按用途分為通用橡膠和特種橡膠兩類。通用橡膠用于制造傳動件、減振、防振件和密封件等；特種橡膠用于制造在特殊環(huán)境下工作的制品，如耐磨件、散熱管、電絕緣件、高級密封件、耐熱零件等。5．新材料

近年來出現(xiàn)了許多新型材料，如復(fù)合材料、納米材料和其他功能材料。

（1）

復(fù)合材料：復(fù)合材料由基體材料與增強(qiáng)材料組成，它具有：密度小，比強(qiáng)度、比彈性模量高；抗疲勞性能、高溫性能好；具有隔熱、耐磨、耐蝕、減振性及特殊的光、電、磁方面的特性。

常用復(fù)合材料有碳纖維樹脂復(fù)合材料、玻璃鋼、金屬陶瓷等。

（2）金屬陶瓷是一種將顆粒狀的增強(qiáng)體均勻分散在基體內(nèi)得到的復(fù)合材料。

金屬陶瓷常用作耐高溫零件及切削加工刀具的材料。

（3）納米材料又稱超微細(xì)材料，其核子粒徑范圍在1～100nm（1nm=10-9m）之間，納米材料具有優(yōu)異的電、磁、光、力學(xué)、化學(xué)等特性，作為一種新型材料，在機(jī)械、電子、冶金、宇航、生物等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。二、機(jī)械零件常用材料的選擇原則

機(jī)械零件的使用性能、工作可靠性和經(jīng)濟(jì)性與材料的選擇有很大關(guān)系。因此，設(shè)計師在選擇材料時，應(yīng)充分了解材料的性能和適用條件，并考慮零件的使用、工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求。

1．使用要求為保證機(jī)械零件不失效，應(yīng)根據(jù)零件所承受載荷的大小、性質(zhì)以及應(yīng)力狀態(tài)，對零件尺寸及質(zhì)量的限制，針對零件的重要程度，對材料提出強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、沖擊韌度、吸振性能等力學(xué)性能方面的要求。同時，由于零件工作環(huán)境等其他要求，對材料可能還有密度、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性等物理性能和化學(xué)性能方面的要求。

2．工藝要求選擇零件材料時必須考慮到制造工藝的要求。

3．經(jīng)濟(jì)性要求從經(jīng)濟(jì)觀點出發(fā)，在滿足性能要求的前提下，應(yīng)盡可能地選用價格低廉、資源豐富的材料。第六節(jié)機(jī)械零件的制造工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、機(jī)械零件的工藝性

設(shè)計師在設(shè)計機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)時，必須考慮結(jié)構(gòu)的工藝性。在保證使用功能的前提下，力求所設(shè)計的零部件在制造過程中生產(chǎn)率高、材料消耗少、生產(chǎn)成本低、能源消耗少。同時，設(shè)計師還必須了解零件的制造工藝，從材料選擇、毛坯制造、機(jī)械加工、裝配以及維修等環(huán)節(jié)考慮有關(guān)的工藝問題。

零件結(jié)構(gòu)工藝性的好壞關(guān)系機(jī)器的性能和經(jīng)濟(jì)性，關(guān)于零件工藝性方面的知識，讀者可以查閱機(jī)械設(shè)計手冊和相關(guān)書籍。二、機(jī)械設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化

零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化是我國實行的一項重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。

1．通用化是在設(shè)計系列產(chǎn)品時，采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件。它可以減少產(chǎn)品的規(guī)格、形狀、尺寸和材料品種等，實現(xiàn)通用互換。

2．系列化是將產(chǎn)品尺寸和結(jié)構(gòu)按尺寸大小分檔，按一定規(guī)律優(yōu)化組合成產(chǎn)品系列，以減少產(chǎn)品型號數(shù)目，系列化是標(biāo)準(zhǔn)化的重要內(nèi)容。