第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論計(jì)劃學(xué)時(shí)：1.5h編寫(xiě)及制作：向敬忠,基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)1.1機(jī)器的基本組成要素1.2機(jī)器的基本組成1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)程序1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟,1.5機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.6靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算1.7零件的接觸疲勞強(qiáng)度1.8機(jī)械常用材料1.9影響鋼材力學(xué)性能的主要因素1.10材料的選用1.11機(jī)械零件的制造工藝性,基本要求:1)機(jī)器的基本組成，零件,構(gòu)件的概念與區(qū)別2)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟3)機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4)零件的接觸疲勞強(qiáng)度5)機(jī)械制造中常用的材料6)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素,重點(diǎn)、難點(diǎn):1)機(jī)器的基本組成，機(jī)械和機(jī)構(gòu)、零件和構(gòu)件2)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序3)機(jī)械零件主要失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4)接觸應(yīng)力的基本概念和赫茲應(yīng)力計(jì)算公式5)機(jī)械制造中常用的材料6)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素7)機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè):,1.1機(jī)器的基本組成要素,天然工具,簡(jiǎn)單機(jī)器,工業(yè)革命,現(xiàn)代機(jī)器,機(jī)械人類利用和轉(zhuǎn)變機(jī)械能在生產(chǎn)時(shí)借以減輕體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)率的主要工具。使用機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)的水平是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。,古代機(jī)械,現(xiàn)代機(jī)械手,改革開(kāi)放后：我國(guó)機(jī)械工業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。,如：火車發(fā)展：,蒸汽機(jī)車,內(nèi)燃機(jī)車,電力機(jī)車,磁浮列車（常導(dǎo)高溫超導(dǎo)）,高速列車,轎車發(fā)展：,紅旗,桑塔納、捷達(dá)、奧迪,別克、本田、帕薩特,蒸汽機(jī)車,內(nèi)燃機(jī)車,電力機(jī)車,高速列車,磁浮列車,任何機(jī)器都是由許多零件組合而成的。,創(chuàng)造機(jī)器的目的：減輕體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)率機(jī)器特征：1）許多實(shí)體組成；2）各實(shí)體之間有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；3）工作時(shí)能轉(zhuǎn)換機(jī)械能(內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī))或作有效的機(jī)械功(金屬切削機(jī)床、啟動(dòng)機(jī))；4）具有自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制功能，乃至人工智能,機(jī)構(gòu)僅具有機(jī)器的前兩個(gè)特征機(jī)械機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱機(jī)器執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來(lái)變換或傳遞能量、物料或信息機(jī)械、裝置或設(shè)備用來(lái)進(jìn)行物料傳遞和變換的機(jī)器儀器用來(lái)進(jìn)行信息傳遞和變換的機(jī)器,零件從加工、制造和安裝角度考慮組成機(jī)器的不可拆的最小實(shí)體稱為機(jī)械零件，簡(jiǎn)稱零件，零件是制造的單元。它必須考慮實(shí)現(xiàn)具體功用的每一個(gè)件的支承、聯(lián)接、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、材料、熱處理、加工精度、表面粗糙度等。構(gòu)件從運(yùn)動(dòng)角度考慮組成機(jī)器或機(jī)構(gòu)的不可拆的最小實(shí)體稱為構(gòu)件，構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的單元。構(gòu)件可以是單一的零件,也可由多個(gè)零件裝配成的剛性結(jié)構(gòu)。,部件：為完成同一使命而協(xié)同工作的許多零件的組合。,零件：組成機(jī)器的不可拆的基本單元（即制造的基本單元）。,如：滾動(dòng)軸承,、聯(lián)軸器。,機(jī)器的基本要素機(jī)械零件,1原動(dòng)機(jī)部分:驅(qū)動(dòng)整部機(jī)器以完成預(yù)定功能的動(dòng)力源。2執(zhí)行部分:完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分，也稱工作機(jī)，是具體干活的部分。3傳動(dòng)部分:解決原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)的轉(zhuǎn)變。機(jī)器的傳動(dòng)部分多數(shù)使用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。4其他部分:控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。,機(jī)器組成：,原動(dòng)機(jī),1.2機(jī)器的基本組成,轎車組成,1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)程序,1、設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求,1、使用要求,實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，工作可靠。,2、經(jīng)濟(jì)性要求,三方面：生產(chǎn)成本低、使用消耗小、維護(hù)費(fèi)用低。,措施：,1）設(shè)計(jì)中采用“三化”零部件；,2）應(yīng)用成熟的新技術(shù)、新材料。3）選用高效率設(shè)備，減少動(dòng)力、燃料消耗。,3、外觀造型要求,顏色、造型,4、環(huán)保要求,噪音、廢氣、廢液。,2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)程序,機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新與借鑒相結(jié)合的過(guò)程，一般程序如下：,根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)器的工作要求，計(jì)算作用在零件上的載荷。優(yōu)先按原動(dòng)機(jī)的額定功率確定零件上的工作載荷。根據(jù)零件的工作條件及對(duì)零件的特殊要求(如溫度、腐蝕性等)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧霞盁崽幚砉に嚒７治隽慵闹饕问?，找出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定出零件的基本尺寸。根據(jù)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化等原則及相聯(lián)結(jié)和相配合的零件進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)各方面的要求進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。畫(huà)出零件的工作圖，并寫(xiě)出計(jì)算說(shuō)明書(shū)。,1.4機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟,1.5機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的基本要求及主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.5.1工作可靠性的要求1強(qiáng)度零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的永久變形統(tǒng)屬于強(qiáng)度問(wèn)題。具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度是設(shè)計(jì)零件時(shí)必須滿足的最基本要求強(qiáng)度準(zhǔn)則:零件中的應(yīng)力不得超過(guò)允許的限度,2剛度在一定載荷下，零件抵抗彈性變形的能力剛度準(zhǔn)則:零件在載荷作用下產(chǎn)生的變形量(包括彎曲撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角)應(yīng)小于或等于零件性能所允許的極限值注意:只有當(dāng)彈性變形過(guò)大要影響機(jī)器工作性能的零件，才需要滿足這項(xiàng)要求。,3.壽命零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時(shí)間后，卻可能由于某種(或某些)原因而失效。這個(gè)零件正常工作延續(xù)的時(shí)間叫做零件的壽命。影響零件壽命的主要因素：材料的疲勞，材料的腐蝕及相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件接觸表面的磨損。大部分機(jī)械零件均在變應(yīng)力條件下工作，因而疲勞破壞是引起零件失效的主要因素。疲勞、腐蝕和磨損是3個(gè)不同范疇的問(wèn)題,4可靠性可靠度在規(guī)定的使用時(shí)間(壽命)內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率。,失效率在t時(shí)間到t+dt的間隔中,又有dN個(gè)零件發(fā)生破壞，則在此時(shí)間間隔內(nèi)破壞的比率,分析：,1）第段早期失效階段。在這一階段中，失效率由開(kāi)始時(shí)很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因是零、部件中所存在的初始缺陷。在這一階段可通過(guò)跑合避免過(guò)高的失效率，防止事故的發(fā)生。,2）第段正常使用階段。在此階段內(nèi)如果發(fā)生失效，一般總是由于偶然的原因而引起的，其發(fā)生是隨機(jī)的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù)。,3）第段報(bào)廢階段。由于長(zhǎng)時(shí)間的使用而使零件發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞裂紋擴(kuò)展等原因，使失效率急劇地增加。良好的維護(hù)和及時(shí)更換馬上要發(fā)生破壞的零件，就可以延緩機(jī)器進(jìn)入這一階段工作的時(shí)間。,浴盆曲線零件或部件的失效率與時(shí)間的關(guān)系,5振動(dòng)穩(wěn)定性,機(jī)器中存在著很多的周期性變化的激振源。如果某一零件本身的固有頻率f與激振源的頻率fp重合或成整數(shù)倍時(shí)，這些零件就會(huì)發(fā)生共振，以至使零件破壞或機(jī)器工作情況失常。,或,1.5.2經(jīng)濟(jì)性要求,經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)應(yīng)最大限度地考慮經(jīng)濟(jì)性，力求費(fèi)用少、效率高、維修簡(jiǎn)便。,1良好的工藝性,基本要求：1)合理選擇毛坯；2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理；3)規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙戎怠?2合理選擇材料,在滿足機(jī)械的一定工作要求下，應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜和供應(yīng)充分的材料，用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ǜ纳撇牧系臋C(jī)械性能。,3質(zhì)量小的要求,優(yōu)點(diǎn)：1）可以節(jié)約材料；2）對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件來(lái)說(shuō)，可以減小慣性，改善機(jī)器的動(dòng)力性能，減小作用于構(gòu)件上的慣性載荷。,4標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的要求,標(biāo)準(zhǔn)化通過(guò)對(duì)零部件的尺寸、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)。系列化將某些零部件按尺寸不同加以劃分。通用化指系列之內(nèi)或跨系列的產(chǎn)品之間盡量采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件，以減少企業(yè)內(nèi)部的零部件種數(shù)，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理和獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益?！叭睒?biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化通稱“三化”。,以最先進(jìn)的方法在專門(mén)化的工廠中對(duì)那些用途最廣的零部件進(jìn)行大量、集中的制造，提高了質(zhì)量，降低了成本。,統(tǒng)一材料的性能指標(biāo)，使其能夠比較，并提高了零、部件和機(jī)器的可靠性。,采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的零部件可以減少技術(shù)過(guò)失的重復(fù)出現(xiàn)，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。,增大了互換性，簡(jiǎn)化了機(jī)器的維修工作。,有利于增加產(chǎn)品品種，擴(kuò)大生產(chǎn)批量，達(dá)到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗等。,標(biāo)準(zhǔn)分類：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。,“三化”的優(yōu)越性：,1.6靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,靜載荷零件上作用的由零緩慢的增加到某一數(shù)值后即保持不變力。,靜應(yīng)力不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力，靜應(yīng)力只能在靜載荷作用下產(chǎn)生。實(shí)際上并無(wú)絕對(duì)靜止不變的力。工程上一般把在整個(gè)使用壽命期間應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不超過(guò)1千次1萬(wàn)次時(shí)的通用零件按靜強(qiáng)度計(jì)算。,靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，根據(jù)零件材料是塑性或脆性分別采用屈服極限或強(qiáng)度極限作為零件的極限應(yīng)力。,1簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài),1）拉（壓）應(yīng)力,2）剪應(yīng)力,3）擠壓應(yīng)力,4）扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,實(shí)心圓柱:,5）彎曲正應(yīng)力,2.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),1）最大主應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論),當(dāng)已知零件危險(xiǎn)剖面上主應(yīng)力滿足,計(jì)算應(yīng)力取兩式中絕對(duì)值較大者,此理論只適合于脆性材料(如灰鐵),對(duì)于彎扭組合：,2）最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）,當(dāng)已知零件危險(xiǎn)剖面上主應(yīng)力滿足,*此理論只適合于塑性材料（如鋼材）,對(duì)于彎扭組合：,3）最大形變能理論（第四強(qiáng)度理論）,*此理論只適合于塑性材料（如鋼材）,對(duì)于彎扭組合：,強(qiáng)度條件：,1.7零件的接觸疲勞強(qiáng)度,當(dāng)兩個(gè)軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時(shí),最大應(yīng)力可由Hertz公式求出：,“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸,強(qiáng)度取決于兩材料中許用接觸應(yīng)力較小者,1.8機(jī)械常用材料,機(jī)械中常用材料有鐵碳合金、有色合金、非金屬材料和各種復(fù)合材料。鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，應(yīng)用最廣。,鋼：,1.9影響鋼材力學(xué)性能的主要因素,（1）含碳量的影響鋼的含碳量愈高，材料強(qiáng)度和硬度亦愈高，但塑性顯著降低，切削性、鍛造性、焊接性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等亦隨之下降。（2）合金元素的影響常用的合金元素有鉻、錳、硅、鎳、鉬、鎢、鈦、釩、稀土元素等。通過(guò)合金化，既可提高和改善鋼的綜合力學(xué)性能，又可獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。（3）溫度的影響一般高溫零件的強(qiáng)度和硬度均隨溫度升高而降低，塑性則增高。絕大多數(shù)鋼在低溫下強(qiáng)度有所增加，而塑性和沖擊韌性則有所降低，低溫下材料變脆的現(xiàn)象稱為冷脆。（4）熱處理工藝的影響,熱處理將工件加熱到一定溫度，進(jìn)行必要的保溫，然后以一定的方法冷卻，以改善其組織結(jié)構(gòu)，從而得到所需的綜合機(jī)械性能的工藝方法；,熱處理,退火將工件加熱到臨界溫度以上，進(jìn)行必要的保溫，然后隨爐冷卻，這種工藝方法稱為退火；正火將工件加熱到臨界溫度以上，進(jìn)行必要的保溫，如果在空氣中冷卻稱之為正火；淬火將工件加熱到臨界溫度以上，進(jìn)行必要的保溫，如果在水或油中冷卻稱之為淬火?；鼗鹑绻訜岬脚R界溫度以下，保溫后空冷或油冷，稱之為回火。調(diào)質(zhì)淬火后高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。表面淬火如果將工件表面迅速加熱到臨界溫度以上，不等熱量傳至工件中心就快速冷卻的工藝方法稱之為表面淬火?；瘜W(xué)熱處理即將不同元素的活性原子滲入到工件表面的熱處理方法，如滲碳、氮化和氰化等。,主要熱處理工藝的目的和應(yīng)用,1.10材料的選用原則：使用要求、工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。,1.11機(jī)械零件的制造工藝性良好的工藝性：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。1毛坯的制?。?）型材圓鋼、方鋼、鋼管、鋼板等，均可直接作毛坯。,軋制,（2）鑄造將液態(tài)合金澆鑄到具有與零件形狀相適應(yīng)的鑄型的孔腔中，待其冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的加工方法。,鑄造,（3）壓力加工在外力的作用下，通過(guò)使金屬在固態(tài)下發(fā)生塑性變形，而獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。,擠壓,拉拔,軋制,鍛造,鍛造,沖壓,（4）焊接實(shí)質(zhì)是通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，并且用填充材料，使焊件達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法。,毛坯選擇：綜合考慮功能、制造、使用、成本等。,2常見(jiàn)的切削加工方法切削加工是通過(guò)機(jī)床用刀具從工件上切除多余材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量等合乎要求的零件加工過(guò)程。（1）車削加工指在車床上用車刀加工工件的工藝過(guò)程。加工時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀具作直線或曲線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。,車削,（2）銑削加工指在銑床上用銑刀加工工件的工藝過(guò)程。銑削加工時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。,銑削,（3）刨削加工指在刨床上用刨刀加工工件的工藝過(guò)程。刨削加工時(shí)，刀具作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。,刨削,（4）磨削加工磨削加工是用砂輪或其他磨具切除工件多余材料的工藝過(guò)程。磨削加工時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，工件作直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。,磨削,（5）鉆削加工鉆削加工是指在鉆床上用鉆頭加工工件的工藝過(guò)程。鉆孔時(shí)，鉆頭一方面作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，另一方面作直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而工件固定不動(dòng)。,數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工,3零件的熱處理及裝配為了避免熱處理時(shí)變形、開(kāi)裂或降低熱處理質(zhì)量，零件的幾何形狀應(yīng)簡(jiǎn)單、對(duì)稱、長(zhǎng)徑比不可太大，應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中源，截面均勻，無(wú)銳邊和尖角，應(yīng)避免盲孔、配作孔和局部滲碳、局部滲氮等。零件也應(yīng)有足夠的剛度。機(jī)器工作一定期限之后，需要進(jìn)行檢修。因此，工藝性還必須包括零件裝拆的可能性和方便性。,QVER,