机械设计基础绪论2011PPT学习教案

1、会计学1机械设计基础绪论机械设计基础绪论2011中南大学 第第1章章 绪绪 论论11 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容12 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位13 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程15 机械零件的材料选择机械零件的材料选择14 机械零件工作能力和计算准则机械零件工作能力和计算准则16 机械零件的结构工艺机械零件的结构工艺17 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化第1页/共31页中南大学 顾名思义，本课程研究对象为：顾名思义，本课程研究对象为：机械机械机械机械机器机器斜斜面面任何机械都经历了：任何机械都经历了：简单简单复杂的发展过

2、程。复杂的发展过程。机械机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。组合体。 机构机构 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。一般而言， 机械是机器和机构的总称杠杠杆杆起重轱辘起重轱辘滑轮组滑轮组 手动手动(电动)葫芦葫芦现代起重机现代起重机起重机的发展历程：起重机的发展历程：11 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容第2页/共31页中南大学 机器机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合合 体。体。机构机构能

3、够用来传递运动和力或改变运动形式的多件能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：实物的组合体。如：连杆机构连杆机构、凸轮机构凸轮机构、 齿轮机构齿轮机构等。等。种类有限如如: : 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机机器、起重机等。等。 机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有具有相同的基本特征。相同的基本特征。第3页/共31页中南大学 典型机器的分析：典型机器的分析：1.内燃机内燃机内燃机内燃机组成：组成：65438712910汽缸体汽缸体1、 活塞活塞2、进气阀

4、进气阀3、排气阀排气阀4、 连杆连杆5、曲轴曲轴6、凸轮凸轮7、顶杆顶杆8、齿轮齿轮9、10工作原理：工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气活塞下行，进气阀开启，混合气体体 进入汽缸；进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点火燃烧；在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动第4页/共31页中南大学 设计：潘存云进气进气压缩压缩爆炸爆炸排气排气内燃机的工作过程：内

5、燃机的工作过程：活塞的往复运动通过连杆转变为曲活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：作，称为：齿轮机构齿轮机构各部分各部分协调动作协调动作的结果：的结果： 化学能化学能 机械能机械能第5页/共31页中南大学 机器的共有特征：机器的共有特征： 人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有各部分

6、有确定的相对运动确定的相对运动；代替或减轻人类劳动代替或减轻人类劳动完成有用功完成有用功或或实现能量实现能量 的转换的转换 机器的作用 机器的分类：机器的分类： 原动机原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限工作机工作机完成有用功（如机床等）完成有用功（如机床等） 种类繁多第6页/共31页中南大学 机器的组成：机器的组成：原动部分原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。和内燃机。 工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分传动部分联接原

7、动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。 其关系如下机械机械机器机器机构机构原动机原动机 传动传动 工作工作 控制控制 原动机原动机工作机工作机第7页/共31页中南大学 控制器控制器(控制控制)电动机电动机(原动原动)带带(传动传动)减速器减速器(传动传动)波轮波轮(工作工作)分析自动洗衣机的组成：分析自动洗衣机的组成：第8页/共31页中南大学 同理，通过对典型机构进行分析可知： 机构的共有特征：机构的共有特征： 人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有确定的相对运动；各部分有确定的

8、相对运动；用来传递力或实现运动的转换。用来传递力或实现运动的转换。机构的分类：机构的分类：通用机构通用机构和和专用机构专用机构。 通用机构通用机构-用途广泛，如用途广泛，如齿轮机构齿轮机构、连杆机构连杆机构等。等。专用机构专用机构-只能用于特定场合，如钟表的只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构擒纵机构。机器与机构的关系：机器与机构的关系：由两个实例推广到一般 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素 由机器与机构的共有特征可知：由机器与机构的共有特征可知：机器

9、与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同） ，故统称为，故统称为机械机械。人造的组合体、有确定的相对运动第9页/共31页中南大学 第10页/共31页中南大学 课程性质：课程性质： 技术基础课技术基础课 作用作用： 承前启后承前启后 本课程的特点：是本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识等理论知识和实践技能的综合运用。和实践技能的综合运用。作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面

10、的基础知识。12 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位第11页/共31页中南大学 机械设计机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。进原有机械的性能。基本要求：基本要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。造型美观。机械设计的内容：机械设计的内容：1.1.确定确定机械的工作原理，选择合宜的机构；机械的工作原理，选择合宜的机构；2. 拟定设计方案；拟定设计方案；3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷

11、；进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。13 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程第12页/共31页中南大学 14 机械零件的工作能力和计算准机械零件的工作能力和计算准则则机械设计应满足的要求：机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在预定使用期限内，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修安全可靠，操作方便、维修简单简单和和造型美观造型美观等。等。机械零件的失效：机械零件的失效： 机械零件曲于某种原

12、因不能正常工作时，称为机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力承载能力。零件的失效形式零件的失效形式:断裂或塑性变形断裂或塑性变形;过大的弹性变形过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动；联接的松弛发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最

13、主要的为第13页/共31页中南大学 对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：强度条件：计算应力计算应力许用应力；许用应力；机械零件设计的步骤：机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是：防止失效的判定条件是： 计算量计算量许用量许用量 -工作能力计算准则。工作能力计算准则。2) 确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料选择合适的材料; 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定定 条件，

14、确定零件的形状条件，确定零件的形状 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整 失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。刚度条件：刚度条件：变形量变形量2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。低廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之应用范围广。其中灰铸铁最广

15、、球墨铸铁次之。第22页/共31页中南大学 选用原则：选用原则： 优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结

16、构钢Q235 （ 3342） 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 第23页/共31页中南大学 3.3.铜合金铜合金- -铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具具有良好

17、的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）- -含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1. 1. 橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 第24页/共31页中

18、南大学 2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。在机械制造中其应用日益广泛。 3.3.其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全

19、面考虑。 用途、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工艺性能机械工艺性能、经济经济性性。零件材料零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。的品种。第25页/共31页中南大学 16 机械零件的结构工艺机械零件的结构工艺一、一、工艺性工艺性零件设零件设计要求计要求使用要求使用要求-具备所要求的工作能力；具备所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工艺可行，成本低；制造工艺可行，成本低；零

20、件工艺性良好的标志：零件工艺性良好的标志： 在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。工艺性的基本要求：工艺性的基本要求：1) 毛坯选择合理毛坯选择合理制备方法：制备方法：选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。第26页/共31页中南大学 2)

21、 结构简单合理结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；3) 合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。，尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、增加相同形状、相同元素（直径、圆角

22、半径、配合、 螺纹、键、齿轮模数等）的数量；螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4) 尽量减小零件的加工量尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。末冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。第27页/共31页中南大学 内容：内容： 1)1)产品品种规格的系列化

23、产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。用户的广泛要求。定义：定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。准，以获得最佳秩序和效益。2)零部件的通用化零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；过统一后实现互换；3)产品质量标准化产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。16 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化第28页/共31页中南大学 基本特征：基本特征：统一、简化。统一、简化。意义：意义： 1)制造上可以实现专业化大批量生