第一章 機械設(shè)計基礎(chǔ)概論 1.1 機械的概念 1.2 機械設(shè)計的基本要求和一般程序 1.3 機械零件的常用材料 1.4 機械零件的失效形式及設(shè)計計算準則 1.5 本課程的研究內(nèi)容、性質(zhì)及任務(wù) 1.1 機械的概念 機器、機構(gòu)及其結(jié)構(gòu)組成機器、機構(gòu)及其結(jié)構(gòu)組成 機械是各類機器的通稱。它是人類改造自然、發(fā)展進步的主要工具。在日常生活和工作中，我們接觸到很多機器。 例如： 氣缸體氣缸體 連桿連桿 曲軸曲軸 齒輪齒輪 活塞活塞 齒輪齒輪 構(gòu)件：構(gòu)件：機器的種類繁多、外形萬變、用途各異。 但從機器的結(jié)構(gòu)組成、機械運動的特點進行分析，這些不同的機器都是由能產(chǎn)生相對運動的單元體組合而成，這些單元體稱為構(gòu)件。 機構(gòu)：機構(gòu)：具有特定結(jié)構(gòu)形狀和運動特征的構(gòu)件組合稱為機構(gòu)。 機器組成示例：機器組成示例： 各機構(gòu)的功能：各機構(gòu)的功能： 曲柄滑塊機構(gòu)：曲柄滑塊機構(gòu)：將活塞的往復(fù)移動轉(zhuǎn)化為曲軸的 連續(xù)轉(zhuǎn)動。 齒輪機構(gòu)：齒輪機構(gòu)：實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳遞。 凸輪機構(gòu)：凸輪機構(gòu)：將凸輪的轉(zhuǎn)動變換為頂桿的往復(fù)移動。 綜合：綜合：通過上述三個機構(gòu)的協(xié)調(diào)工作便能 將燃氣的熱能轉(zhuǎn)換為曲柄轉(zhuǎn)動的機械能。 結(jié)論：結(jié)論：機器是由各種機構(gòu)組成的。一部機器可能 由多種機構(gòu)組成，如上述的內(nèi)燃機就是由曲柄滑塊 機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和凸輪機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)等組合而 成；也可能僅由一個最簡單的機構(gòu)組成，如電動機 就是只包含一個由定子和轉(zhuǎn)子所組成的雙桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)。 機器的共同特征：機器的共同特征： 從上述例子以及對其他不同機器的分析可以得到機器的共同特征： （1）它們都是人們根據(jù)某種使用要求而設(shè)計創(chuàng)造的一種裝置。 （2）它們必須執(zhí)行確定的機械運動。 （3）用于完成包括機械力、運動和能量轉(zhuǎn)換等動力學(xué)任務(wù)。 相對于機器而言，機構(gòu)主要反映機器的機械運動傳遞和運動形式轉(zhuǎn)換的特征。 構(gòu)件和零件構(gòu)件和零件: 機械都是由機械零件組成的。機械零件是指機械中每 一個單獨加工的單元體，例如上圖(a)所示的曲軸。 構(gòu)件可以是單一的機械零件，也可以是若干機械零件的 剛性組合。例如圖( b)所示，它是由連桿體、 連桿蓋、螺栓和螺母等零件組合而成的。這些零件之間 沒有相對運動，是一個運動整體，故屬一個構(gòu)件。 因此，構(gòu)件是運動的單元，零件是制造單元。 隨著機械的功能和類型的日益增多，作為組成機 械的最基本單元的零件更是多種多樣。通常將機械零件 分為通用機械零件和專用機械零件兩大類。 機器的組成 作為一部完整的機器，僅具有上述的機械部分是不夠的 它不能完成預(yù)期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，機器 一般主要由以下五部分組成： 原動機 傳動裝置 執(zhí)行部件 輔助系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機器組成 以轎車的組成為例： 基本要求 1） 使用功能要求； 2） 經(jīng)濟性要求； 3） 勞動保護和環(huán)境保護要求； 4） 可靠性要求； 5）其它專用要求。 1.2機械設(shè)計的基本要求和一般程序 1.2.1 機械設(shè)計的基本要求 對機器的主要要求 基本要求 工作能力要求：強度、剛度、壽命、穩(wěn)定性、耐磨性； 結(jié)構(gòu)工藝性及經(jīng)濟性要求。 質(zhì)量小及可靠性要求 設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求 1.2.2 機械設(shè)計的一般程序 設(shè)計機器的一般程序 一般程序 計劃階段 方案設(shè)計階段 技術(shù)設(shè)計階段 技術(shù)文件編制 對所設(shè)計的機器需求情況進行充分調(diào)查分析，明確機器功能及約束條件，形成設(shè)計任務(wù)書。 分析機器功能，確定功能參數(shù)，擬定多種方案并進行綜合評價。 確定原動機參數(shù)及各運動構(gòu)件的運動參數(shù)，確定主要零件上的載荷大小、特性，依工作能力設(shè)計準則初步完成零件基本尺寸的確定，作出零部件裝配草圖及總裝配圖，完成主要零件的校核計算。 編制設(shè)計計算說明書、使用說明書及其它技術(shù)文件。 結(jié) 束 機械零件設(shè)計的一般步驟 設(shè)計步驟 1、根據(jù)機器具體工作情況確定作用在零件上的名義載荷及計算載荷。 名義載荷： 用力學(xué)公式計算出的載荷。 計算載荷： 考慮實際工作條件影響的載荷。 2、選擇零件材料。 3、由失效形式確定計算準則并依此確定零件主要尺寸。 4、根據(jù)工藝性進行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計。 5、根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進行詳細校核計算。 6、繪制零件工作圖，寫出計算說明書。 1.2.3 機械零件設(shè)計中的標準化 所謂零件的標準化，就是通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗方法、設(shè)計方法、制圖等要求，制定出共同遵守的標準。標準化的優(yōu)越性表現(xiàn)為： 1）標準零件集中加工，成本大大降低，質(zhì)量得到保證； 2）材料和零件的性能指標得到統(tǒng)一，提高了零件的可靠性； 3）采用了標準結(jié)構(gòu)及零、部件，使設(shè)計工作得到簡化，同時縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量。此外，由于具有較好的互換性，從而簡化了機器的維修工作。 目前采用的標準有：國際標準ISO, 國家標準GB，行業(yè)標準和企業(yè)標準。 1.3 機械零件的材料及其選用 常用的材料 1、金屬材料力學(xué)性能較好，能滿足機械零件的多種性能和用途要求，應(yīng)用廣泛。 2、高分子材料原料豐富，耐腐蝕性較好，主要用于化工設(shè)備和冷凍設(shè)備中。 3、陶瓷材料硬度高，耐磨，耐腐蝕，熔點高，主要用于切削刀具等結(jié)構(gòu)中。 4、復(fù)合材料具有較高的強度和彈性模量，主要用于航空、航天等領(lǐng)域。 常用材料 機械零件的材料選用原則 材料的選擇原則 1、載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì) 2、零件的工作情況包括環(huán)境、溫度等 3、零件的尺寸及質(zhì)量 4、零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材料的加工可能性 5、材料的經(jīng)濟性包括材料的相對價格、加工費用、材料的利用率等的考慮。 1.4機械零件的主要失效形式及設(shè)計計算準則 整體斷裂 正常工作條件破壞 過大的殘余變形 零件的表面破壞 零件在外載荷作用下，由于某一危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限而發(fā)生的斷裂。 零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限產(chǎn)生的過大殘余變形而導(dǎo)致的失效。 零件表面在受到各種腐蝕、磨損和接觸疲勞而產(chǎn)生的表面破壞失效。 如：滑動軸承的潤滑得不到保障將產(chǎn)生過熱、膠合、磨損等形式的失效；帶傳動在外載荷超過極限摩擦力時將發(fā)生打滑失效等。 1.4.1機械零件的主要失效形式 1.4.2機械零件的設(shè)計準則 設(shè)計準則 強度準則、剛度準則 壽命準則 振動穩(wěn)定性準則 可靠性準則 1.5 本課程的研究內(nèi)容、性質(zhì)及任務(wù) 本課程研究的內(nèi)容：本課程研究的內(nèi)容： 常用機構(gòu)、常用的傳動和通用的零部件的工作常用機構(gòu)、常用的傳動和通用的零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本設(shè)計理論、計算方法和國原理、結(jié)構(gòu)特點、基本設(shè)計理論、計算方法和國家標準的應(yīng)用等內(nèi)容。家標準的應(yīng)用等內(nèi)容。 本課程的性質(zhì)本課程的性質(zhì) 機械設(shè)計基礎(chǔ)是建立在畫法幾何及機械制機械設(shè)計基礎(chǔ)是建立在畫法幾何及機械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程材料及金圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程材料及金工等課程的基礎(chǔ)上的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。工等課程的基礎(chǔ)上的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。 本課程的任務(wù)： （1）了解常用機構(gòu)（平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)等）及通用零、部（軸承、軸、聯(lián)軸器及離合器）的工作原理、類型、特點及應(yīng)用等基本知識。 （2）掌握常用機構(gòu)的基本理論和設(shè)計方法，掌握通用零、部件的失效形式、設(shè)計準則與設(shè)計方法。 （3）具備機械設(shè)計實驗技能和設(shè)計簡單機械及傳動裝置的基本技能。