第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論

機(jī)械設(shè)計(jì)教材：《機(jī)械設(shè)計(jì)》主編:李良軍出版社：高等教育出版社，2010

主講：任亨斌

1龍振宇主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2濮良貴紀(jì)名剛主編，機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版），高等教育出版社，2001年3邱宣懷主編，機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版），高等教育出版社，1998年

4余俊等主編，機(jī)械設(shè)計(jì)（第二版），高等教育出版社，1986年

主要參考書目：第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論1.1機(jī)械的類型與組成

一、機(jī)械的類型

機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。1.機(jī)器

實(shí)例一內(nèi)燃機(jī)

實(shí)例二機(jī)器人

實(shí)例三工件自動(dòng)載送裝置機(jī)器的特征：

①人造的實(shí)物組合體（不是天然形成的）；----結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)③代替或減輕人類勞動(dòng)完成有用的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、提供或轉(zhuǎn)換信息。-能量觀點(diǎn)機(jī)器的類型：根據(jù)機(jī)器所能實(shí)現(xiàn)的功能不同，機(jī)器可分為：動(dòng)力機(jī)器工作機(jī)器信息機(jī)器2.機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的特征：

①人造的實(shí)物組合體（不是天然形成的）；----結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)3.機(jī)器和機(jī)構(gòu)的區(qū)別機(jī)器能作有用功，而機(jī)構(gòu)不能，機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。兩者之間也有聯(lián)系，機(jī)器是由若干個(gè)機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡單的機(jī)器只有一個(gè)機(jī)構(gòu)。二、機(jī)器的功能組成1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)械動(dòng)力的來源2）執(zhí)行系統(tǒng)：能完成機(jī)械預(yù)期的動(dòng)作3）傳動(dòng)系統(tǒng)：把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和功率傳遞給工作機(jī)的中間環(huán)節(jié)4）操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)就其功能而言，一臺(tái)完整的機(jī)器通常由五部分組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)框架支撐系統(tǒng)、潤滑、照明等輔助系統(tǒng)操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器三、機(jī)器、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成1.零件

組成機(jī)械的基本制造單元稱為零件。零件分為通用零件和專用零件。

通用零件包括：

齒輪、螺栓、鍵、花鍵、銷、聯(lián)軸器、離合器；滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承等。

專用零件例如：葉片、犁鏵、槍栓等。注：通用零件是本課程的主要學(xué)習(xí)對(duì)象，而專用零件的設(shè)計(jì)方法應(yīng)在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)。標(biāo)準(zhǔn)件：

經(jīng)過優(yōu)選、簡化、統(tǒng)一、并給以標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)的零件和部件稱為標(biāo)準(zhǔn)零、部件。如螺栓、螺母、鍵、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器等。2.構(gòu)件

組成機(jī)械的各相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)體稱為構(gòu)件。構(gòu)件即為機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)單元。

零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器構(gòu)件的組成：零件小結(jié):實(shí)例：內(nèi)燃機(jī)連桿1.本課程研究的對(duì)象及主要內(nèi)容四、本課程研究的對(duì)象、內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)

（1）研究對(duì)象：通用的機(jī)械傳動(dòng)裝置及普通條件下工作的一般參數(shù)的通用機(jī)械零、部件。

（2）主要內(nèi)容：常用聯(lián)接（如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、焊膠聯(lián)接等）、常用的機(jī)械傳動(dòng)（帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪和蝸桿傳動(dòng)等）、軸系零部件（軸、軸承、聯(lián)軸器）和彈簧等的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，以及某些標(biāo)準(zhǔn)件的選擇方法。1.本課程的性質(zhì)和任務(wù)（1）課程的性質(zhì)：是一門培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。（2）課程的任務(wù)：1）樹立正確的設(shè)計(jì)思想。2）掌握通用機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)原理、方法和一般規(guī)律。3）掌握一定的設(shè)計(jì)技能（查閱資料，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。）4）掌握典型機(jī)械零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得基本的實(shí)驗(yàn)技能。5）了解機(jī)械設(shè)計(jì)的最新動(dòng)態(tài)。

五、本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法

本課程的幾個(gè)特點(diǎn)：涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟(jì)性。公式多─計(jì)算多，有解析式、半解析式、經(jīng)驗(yàn)的、半經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)表。門類多─各類零件，各有特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方法各異。實(shí)踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實(shí)際，要注重實(shí)踐性環(huán)節(jié)。無重點(diǎn)─又都是重點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計(jì)問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計(jì)得更好，要注意發(fā)展求異思維。注意處理好幾個(gè)關(guān)系：零件的設(shè)計(jì)與選用

──零件設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要途徑。設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

──設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算，同學(xué)更應(yīng)重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。性能要求與經(jīng)濟(jì)性

──永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾，應(yīng)學(xué)會(huì)合理地解決這一對(duì)矛盾。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。具體的設(shè)計(jì)方法與一般的設(shè)計(jì)能力

──前者是學(xué)習(xí)的形式，后者是學(xué)習(xí)的目的。

1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序一、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1.實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求2.經(jīng)濟(jì)性要求3.操作方便與安全要求4.美學(xué)與環(huán)保要求5.其他特殊要求1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序二、機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.選擇機(jī)器的工作原理；

2.運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算；

3.零、部件的工作能力計(jì)算；4.繪制零、部件及整機(jī)的工作圖和裝配圖等。三、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序機(jī)器設(shè)計(jì)的一般程序

市場調(diào)研可行性研究原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)試制試驗(yàn)小批生產(chǎn)試銷投產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術(shù)文件樣機(jī)評(píng)價(jià)改進(jìn)考核工藝性收集用戶意見產(chǎn)品銷售1.3機(jī)械零件應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)的一般步驟一、機(jī)械零件應(yīng)滿足的基本要求

避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求結(jié)構(gòu)工藝性要求經(jīng)濟(jì)性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求應(yīng)保證零件有足夠的強(qiáng)度、剛度、壽命。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加工和裝配。零件應(yīng)有合理的生產(chǎn)加工和使用維護(hù)的成本。質(zhì)量小則可節(jié)約材料，質(zhì)量小則靈活、輕便。應(yīng)降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。1）建立零件的受力模型，確定零件的計(jì)算載荷；二、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟2）按可能的失效形式確定零件的計(jì)算準(zhǔn)則；3）選擇零件的材料；4）根據(jù)工作能力計(jì)算準(zhǔn)則建立或選定相應(yīng)的計(jì)算式，確定零件的基本尺寸，并加于標(biāo)準(zhǔn)化和圓整；5）零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；6）繪制零件的工作圖，并編寫計(jì)算說明書。三、機(jī)械零件的常規(guī)設(shè)計(jì)方法1.理論設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)計(jì)算

2.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)校核計(jì)算3.模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡介1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)3.可靠性設(shè)計(jì)4.模塊化設(shè)計(jì)5.并行設(shè)計(jì)1.4機(jī)械零件的工作能力機(jī)械零件由于某些原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。常見的失效形式斷裂過量變形表面損傷一、機(jī)械零件的主要失效形式

1.斷裂斷裂是指零件在載荷作用下，其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險(xiǎn)截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂2.過量變形當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形3.零件的表面損傷零件的表面損傷主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損二、機(jī)械零件的工作能力設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則

強(qiáng)度準(zhǔn)則：剛度準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：壽命準(zhǔn)則：振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：散熱性準(zhǔn)則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?！躘]確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。y≤[y]通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則。進(jìn)行熱平衡計(jì)算。1.5機(jī)械零件的常用材料及選用原則

一、機(jī)械零件的常用材料1.鋼

含碳量小于2％的鐵碳合金稱為鋼。

按用途分：按化學(xué)成份分：鋼的分類：結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特種鋼碳素鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼在機(jī)械中常用鋼種：

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：45，用于制造較重要的機(jī)械零件，是機(jī)械制造中廣泛應(yīng)用的鋼種。

（3）合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr，應(yīng)用制造重要的或有特殊要求的機(jī)械零件。

（4）鑄鋼：ZG230-450

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：

用于制造一般要求的零件。

鋼的力學(xué)性能：2.鑄鐵

含碳量大于2％的鐵碳合金稱為鑄鐵。

鑄鐵具有良好的鑄造性、切削加工性、抗壓性、耐磨性和減振性，而且價(jià)格便宜。常用的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

（1）灰鑄鐵

灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨形式存在，因斷口呈灰色而得名?；诣T鐵常用來制造箱體件。

（2）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵經(jīng)球化處理后有的機(jī)械性能比鋼還好，所以常用來制造齒輪、曲柄、連桿、閥體等。

3.有色金屬合金

在金屬中，除了鑄鐵、鋼、黑色金屬外，其它的金屬則為有色金屬。這類金屬具有很多特殊的性能，即良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和減磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是機(jī)械制造中不可缺少的材料。

常用的有色金屬有黃銅、青銅和軸承合金。

4.非金屬材料

在非金屬材料中，最常用的是橡膠，它的彈性好，常用來制造緩沖吸振和密封的零件，如膠帶、密封圈和彈簧等。

二、金屬材料的熱處理

鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。

常用的熱處理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面熱處理等。

名稱說明應(yīng)用退火退火是將鋼件（或毛坯）加熱到臨界溫度（一般為723℃）以上30～50℃，保溫一段時(shí)間，然后隨爐一起緩慢冷卻消除鍛、鑄、焊的零、構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力；降低硬度使其易于切削加工；細(xì)化晶粒，調(diào)整組織改善機(jī)械性能正火正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火快處理低、中碳鋼及滲碳零件，作用與退火類似淬火淬火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在水、鹽水或油中（個(gè)別材料在空氣中）急冷下來提高鋼件的硬度和強(qiáng)度，但淬火后鋼材性能變脆，并存在著很大內(nèi)應(yīng)力，所以還需要進(jìn)行低溫回火回火回火是將淬硬的鋼件再加熱到臨界點(diǎn)以下的溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中或油中冷卻下來。根據(jù)回火溫度不同，又分低溫（150～250℃）回火、中溫（300～500℃）回火、高溫（500～650℃）回火消除淬火后的脆性和內(nèi)應(yīng)力，提高鋼件的塑性和韌性，低溫回火硬度可達(dá)HRC55～62，中溫回火硬度可達(dá)HRC35～45，高溫回火硬度可達(dá)HRC23～35調(diào)質(zhì)淬火后再進(jìn)行高溫回火，稱為調(diào)質(zhì)使鋼件獲得較高的韌性和強(qiáng)度。很多中碳鋼制造的零件（如軸類）常用調(diào)質(zhì)處理表面淬火使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)加熱方法不同，分為火焰表面淬火和高頻表面淬火表面淬火常用來處理齒輪、花鍵等零件滲碳將低碳鋼或合金鋼零件置于滲碳劑中，加熱到900～950℃保溫，使碳原子滲入鋼的表面層，然后再淬火和回火增加鋼件的表面硬度和耐磨性，而心部仍保持較好的韌性和塑性，多用于重載荷、受沖擊、耐磨的零件三、材料選擇的基本原則

1.使用要求

（1）機(jī)械性能方面的要求。

（2）物理性能方面的要求。

（3）化學(xué)性能方面的要求。

2.工藝要求

3．經(jīng)濟(jì)要求

1.6機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化

一、“三化”的含義及其優(yōu)越性

標(biāo)準(zhǔn)化系列化通用化“三化”的優(yōu)越性1.6機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化

二、機(jī)械零、部件的標(biāo)準(zhǔn)化

國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB）地方標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（GB5903-1995）強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（GB/T5782-2000）中國標(biāo)準(zhǔn)體系：推桿凸輪推桿凸輪齒輪齒輪齒輪曲軸連桿活塞動(dòng)畫

工業(yè)機(jī)器人注：左鍵單擊圖片可演示視頻機(jī)器人焊接認(rèn)識(shí)機(jī)器3工業(yè)機(jī)器人注：左鍵單擊圖片可演示