機械設計基礎

第1章概論學習導航知識目標：能力目標：了解本課程的研究對象。掌握零件的設計準則。掌握零件設計的一般步驟。掌握及其與機構的特征。會判斷構件、零件和部位。認知機械零件常見的失效形式。2第1章概論機械設計基礎是一門重要的技術基礎課，是研究機械類產(chǎn)品的設計、開發(fā)、改造，一滿足經(jīng)濟發(fā)展和社會需求的基礎知識課程。機械設計工作設計工程技術的各個領域。一臺新的設備在設計階段，要根據(jù)設計要求確定工作原理及合理的結(jié)構，進行運動、動力、強度、剛度分析，完成圖樣設計，還要研究在制造、銷售、使用以及售后服務等方面的問題。設計人員除必須具有機械設計及與機械設計先關的深厚的基礎知識和專業(yè)知識外，還要有飽滿的創(chuàng)造熱情。3第1章概論4第1章概論

1.1本課程的研究對象、主要內(nèi)容及任務

1.2機械零件的常用材料與結(jié)構工藝性

1.3機械零件設計的基本準則及步驟

1.4當前機械設計制造技術的新發(fā)展51.1本課程的研究對象、主要內(nèi)容及任務學習要點了解機械設計基礎課程的研究對象、研究內(nèi)容及主要任務。掌握機器和機構的主要特征。1.1.1本課程的研究對象1.1.2本課程研究的主要內(nèi)容1.1.3本課程的主要任務61.1.1本課程的研究對象在現(xiàn)代生產(chǎn)過程和日常生活中，機器起著非常重要的作用。機器在輕工、化工、冶金、礦由、筑路、工程、機械制造、運輸、航天、核能、農(nóng)業(yè)及家用等領域都有廣泛的應用；生產(chǎn)技術的種類很多，其中機器的應用及發(fā)展程度是國家工業(yè)水平的重要標志之一；本課程是一門研究機械,具體研究機器或機構的原理、特性、設計計算的技術基礎課程。71.1.1本課程的研究對象機架曲軸連桿活塞進氣閥排氣閥推桿凸輪大齒輪小齒輪動畫單缸內(nèi)燃機81.1.1本課程的研究對象

機器的主要特征：

1.它們都是人為實體（構件）的組合。

2.各個運動實體（構件）之間具有確定的相對運動。

3.能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人類完成有用的機械功。構件所謂構件，是指機構的基本運動單元。它可以是單一的零件，也可以是幾個零件聯(lián)接而成的運動單元。

零件是組成機器的最小制造單元。91.1.1本課程的研究對象凸輪機構連桿機構齒輪機構

如圖所示的齒輪機構，其運動特點是把高速轉(zhuǎn)動變?yōu)榈退俎D(zhuǎn)動或者相反。如圖所示的凸輪機構，它利用凸輪的輪廓曲線使從動件做周期性的有規(guī)律的移動或擺動。101.1.1本課程的研究對象機構的機構的主要特征是:

(1)它們都是人為實體（構件）的組合;

(2)各個運動實體之間具有確定的相對運動。從結(jié)構和運動學的角度分析，機器機構之間并無區(qū)別，都是具有確定相對運動的各種實物的組合，所以，通常將機器和機構統(tǒng)稱為機械。111.1.1本課程的研究對象

根據(jù)功能的不同，一部完整的機器由以下四部分組成：

1.原動部分：機器的動力來源。

2.工作部分：完成工作任務的部分。

3.傳動部分：把原動機的運動和動力傳遞給工作機。

4.控制部分：使機器的原動部分、傳動部分、工作部分按一定的順序和規(guī)律運動，完成給定的工作循環(huán)。根據(jù)用途不同，機械可分為：

(1)動力機械實現(xiàn)機械能與其他形式能量間的轉(zhuǎn)換。

(2)加工機械改變物料的結(jié)構形狀、性質(zhì)及狀態(tài)。

(3)運輸機械改變?nèi)嘶蛭锪系目臻g位置。

(4)信息機械獲取或處理各種信息。121.1.2本課程研究的主要內(nèi)容本課程作為機械設計的基礎，是一門綜合性較強的技術基礎課程，主要介紹機械中常用機構的工作原理、運動特性、通用機械零件的設計和計算方法以及有關標準和規(guī)范。本課程研究的主要內(nèi)容如下：

(1)機構的運動簡圖和自由度計算。

(2)平面連桿機構、凸輪機構、間歇運動機構等的組成原理、運動分析及設計。

(3)各種聯(lián)接零件(如螺紋聯(lián)接、鍵銷聯(lián)接等)的設計計算方法和標準選擇。

(4)各種傳動零件(如帶傳動、齒輪傳動等)的設計計算和參數(shù)選擇。

(5)軸系零件(如軸、軸承等)的設計計算及軸承參數(shù)類型選擇。131.1.3本課程的主要任務

(1)培養(yǎng)學生運用基礎理論解決簡單機構和零件的設計問題，掌握通用機械零件的工作原理、特點、選用及計算方法，初步具有分析失效原因和提高改進措施的能力。

(2)培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，具有設計簡單機械傳動部件和簡單機械的能力。

(3)學會使用手冊、標準、規(guī)范等設計資料。本課程的性質(zhì)與過去所學的基礎課程有所不同，思路上有其明顯特點，學生往往不能很快適應而影響學習效果，因此在學習中學生要盡快掌握本課程的特點和分析、解決問題的方法，為今后的學習和工作打下基礎。14

1.2機械零件的常用材料與結(jié)構工藝性學習要點了解機械零件的常用材料及選擇原則。了解機械零件的加工工藝性和結(jié)構工藝性。1.2.1機械零件的常用材料1.2.2材料的選擇原則1.2.3機械零件的結(jié)構工藝性151.2.1機械零件的常用材料

機械零件常用材料有碳素結(jié)構鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復合材料。其中，碳素結(jié)構鋼和鑄鐵應用最廣。材料分類應用舉例或說明鋼碳素鋼低碳鋼(含碳量≤25%)鉚釘、螺釘、連桿、滲碳零件等中碳鋼(含碳量為0.25%~0.60%)齒輪、軸、蝸桿、絲杠、連接件等高碳鋼(含碳量≥0.60%)彈簧、工具、模具等合金鋼低合金鋼(合金元素含量≤5%)較重要的鋼結(jié)構和構件、滲碳零件、壓力容器等中合金鋼(合金元素含量為5%~10%)飛機構件、熱檄鍛模具、沖頭等高合金鋼(合金元素含量≥10%)航空工業(yè)蜂窩結(jié)構、液體火箭殼體、核動力裝置、彈簧等161.2.1機械零件的常用材料

機械零件常用材料有碳素結(jié)構鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復合材料。其中，碳素結(jié)構鋼和鑄鐵應用最廣。材料分類應用舉例或說明鑄鐵灰鑄鐵HT低牌號(HT100,HT150)對力學性能無一定要求的零件，如蓋、底座、乎輪、機床床身等高牌號(HT200~HT400)承受中等靜載的零件，如機身、底座、泵殼、齒輪、聯(lián)軸器、飛輪、帶輪等可鍛鑄鐵KT鐵素體型承受低、中、高動載荷和靜載荷的零件，如差速器殼、犁刀、扳手、支座、彎頭等珠光體型要求強度和耐磨性較高的零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、活塞環(huán)、軸套、犁刀等球墨鑄鐵QT鐵素體型與可鍛鑄鐵基本相同珠光體型171.2.1機械零件的常用材料

機械零件常用材料有碳素結(jié)構鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及各種復合材料。其中，碳素結(jié)構鋼和鑄鐵應用最廣。材料分類應用舉例或說明銅合金鑄造銅合金鑄造黃銅用于軸瓦、襯套閥體、船舶零件、耐腐蝕零們管接頭等鑄造青銅用于軸瓦、蝸輪、絲杠螺母、葉輪、管配件等軸承合金錫基軸承合金用于軸承襯，其摩擦系數(shù)低，減摩性、抗膠合性、磨合性、耐蝕性、韌度、導熱性均良好鉛基軸承合金強度、韌度和耐蝕性稍差，但價格較低塑料熱塑性塑料(如聚乙烯、有機玻璃、尼龍等)熱固性塑料(如酚醛塑料、氨基塑料等)用于一般結(jié)構零件，減摩、耐腐蝕件、絕緣件、密封件、耐磨零件，傳動件、透明件等橡膠通用橡膠特種橡膠用于密封件，減振、軟管、絕緣材料、輪胎防振件，傳動帶、運輸帶和、膠輥、化工襯里等181.2.2材料的選擇原則

合理選擇材料是機械設計中的重要環(huán)節(jié)。選擇材料首先必須保證零件在使用過程中具有良好的工作能力，同時還要考慮其加工工藝性和經(jīng)濟性。滿足使用性能要求1

(1)零件的受力狀況當零件（如螺栓、銷等）受拉伸或剪切這類分布均勻的靜載荷時，應選用組織均勻的材料，按塑性和強度性能選材。

(2)零件的環(huán)境狀況及特殊要求。

根據(jù)零件的工作環(huán)境及特殊要求不同，除對材料的力學性能提出要求外，還應對材料的物理性能及化學性能提出要求。191.2.2材料的選擇原則有良好的加工工藝性2

(1)熱加工工藝性能熱加工工藝性能主要指鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和熱處理性能。

(2)切削加工性能金屬的切削加工性能一般用刀具耐用度為60min時的切削速度v60來表示，v60越高，則金屬的切削加工性能越好。金屬切削加工性能分為八個級別，1級容易加工，8級難加工。各種金屬材料的切削加工性能可查閱有關手冊。201.2.2材料的選擇原則選擇材料要綜合考慮經(jīng)濟性要求3

(1)材料價格在產(chǎn)品總成本中占較大比重，一般占產(chǎn)品價格的30%~70%。

(2)提高材料的利用率。采用精鑄、模鍛等毛坯加工方法，可以減少切削加工對材料的浪費。

(3)零件的加工和維修費等要盡量低。

(4)采用組合結(jié)構。如蝸輪齒圈可采用減摩性好的鑄造錫青銅，而其他部分可采用廉價材料。

(5)材料的合理代用。對生產(chǎn)批量大的零件要考慮我國資源狀況，材料來源要豐富，盡量避免采用稀缺材料。如碳鋼可用熱處理方法強化，代替合金鋼而降低成本。211.2.3機械零件的結(jié)構工藝性鑄造零件的結(jié)構工藝性1(1)為了防止?jié)茶T不足，對于不同鑄造方法，鑄件壁厚有一允許的最小值。(2)零件箱壁交叉部分要有過渡圓角，以避免尖角處產(chǎn)生裂紋。(3)鑄件應有明顯的分型面。鑄件過渡圓角大小應適當鑄件應有明顯的分型面221.2.3機械零件的結(jié)構工藝性鑄造零件的結(jié)構工藝性1

(4)鑄件應有必要的斜度以便于取出模型。

(5)為避免采用活塊，可將凸臺加長，引至分型面。避免采用活塊231.2.3機械零件的結(jié)構工藝性鑄造零件的結(jié)構工藝性1

(6)鑄鐵抗拉強度差而抗壓強度高，在設計零件形狀時應盡可能把拉應力(或彎曲應力)化作壓應力。避免鑄鐵受拉力

241.2.3機械零件的結(jié)構工藝性熱處理零件的結(jié)構工藝性2

(1)避免銳邊尖角，應將其倒鈍或改成圓角，圓角半徑要大些。

(2)零件形狀要求簡單、對稱。

(3)軸類零件的長度與直徑之比不可太大。

(4)提高零件的結(jié)構剛性，必要時增加加強肋。

(5)形狀復雜或者不同部位有不同性能要求時，可用組合結(jié)構(如機床鑄鐵床身上鑲裝鋼導軌)。251.2.3機械零件的結(jié)構工藝性切削加工零件的結(jié)構工藝性3

(1)加工表面的幾何形狀應盡量簡單，盡可能布局在同一平面上或同一軸線上，盡可能統(tǒng)一尺寸，以便于加工。

減速箱側(cè)面加工261.2.3機械零件的結(jié)構工藝性切削加工零件的結(jié)構工藝性3

(2)有相互位置精度要求的各表面最好能在一次安裝中加工。如零件須從兩端加工，改進后可在一端一次加工，這樣能減少工件的安裝次數(shù)，提高加工效率，同時也提高位置精度。兩孔在一次安裝中加工

271.2.3機械零件的結(jié)構工藝性切削加工零件的結(jié)構工藝性3

(3)加工時應能準確定位、可靠夾緊，并便于加工、易于測量。

(4)應盡量減少加工面的數(shù)目。

(5)形狀應便于刀具進刀、退刀，如螺紋應該有退刀槽。

(6)被加工表面形狀應有助于提高刀具的剛性和延長刀具壽命。減少必要的配合面避免在斜面上鉆孔281.2.3機械零件的結(jié)構工藝性零件裝配的結(jié)構工藝性4

(1)零件應該有正確的裝配基面，由于螺紋間有間隙，對中不好，活塞桿易產(chǎn)生偏移。如將螺紋聯(lián)接改為配合，使工作情況有了改進。不應以螺紋面對中291.2.3機械零件的結(jié)構工藝性零件裝配的結(jié)構工藝性4

(2)應使裝配方便。如圖所示，若D,D1處均有配合，則裝配困難。

(3)應使拆卸方便。如圖所示，為了便于從機體上卸下軸承外圈，孔臺肩處的直徑應大于軸承外環(huán)的內(nèi)徑。應使拆卸方便30

1.3機械零件設計的基本準則及步驟學習要點掌握機械零件常見的失效形式及設計準則。了解機械零件設計的一般步驟。1.3.1機械零件的主要失效形式1.3.2機械零件的設計準則1.3.3機械零件設計的一般步驟311.3.1機械零件的主要失效形式

機械零件由于某種原因喪失正常工作能力稱為失效。對于通用的機械零件，其強度、剛度、磨損失效是主要失效形式，對于高速傳動的零件還應考慮振動問題。零件的主要失效形式321.3.2機械零件的設計準則

(1)強度設計準則要求零件在工作時不產(chǎn)生強度失效，強度準則應取在零件中的危險截面處，應力不超過許用應力用公式表示為σ≤［σ］=σlim/Sσ(1-1)τ≤［τ］=τlim/Sτ(1-2)

(2)剛度準則剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度計算準則要求零件的彈性變形小于或等于允許值。此允許值根據(jù)變形對零件工作性能的影響，由分析或?qū)嶒灧椒Q定(如軸彎曲變形量影響軸上齒輪的嚙合情況等)。331.3.2機械零件的設計準則

(3)耐磨性準則耐磨性是指零件抵抗磨損的能力。例如齒輪的輪齒表面磨損量超過一定限度后，輪齒齒形會有較大的改變，從而使齒輪轉(zhuǎn)速均勻性受到影響，產(chǎn)生噪音和振動，嚴重時因齒根厚度變薄而導致輪齒折斷。

(4)振動穩(wěn)定性準則

如果某個零件的固有頻率f與激振源的頻率fp相同或為整數(shù)倍關系時，這些零件就會產(chǎn)生共振，致使零件破壞或機器工作情況失常。根據(jù)實踐經(jīng)驗，fp與f接近一定范圍內(nèi)時，即可發(fā)生共振。341.3.2機械零件的設計準則

(5)可靠性準則

可靠性表示系統(tǒng)、機器或零件等在規(guī)定時間內(nèi)穩(wěn)定工作的程度或性質(zhì)。可靠性常用可靠度R來表示，可靠度是指系統(tǒng)、機器或零件等在規(guī)定的使用時間（壽命）內(nèi)和預定的環(huán)境條件下，能正常地實現(xiàn)其功能的概率。R=NS/NT=(NT-Nf)/NT=1-Nf/NT (1-3)