第一章 机械设计

1、机机械械设设计计 基基 础础教材：教材：机械设计基础机械设计基础主编主编: :李良军李良军出版社：高等教育出版社，出版社：高等教育出版社，20072007 主讲：任亨斌主讲：任亨斌 主要参考书目：主要参考书目：1 1汪信远主编，机械设计基础，汪信远主编，机械设计基础， 北京北京: : 高等教育出版社高等教育出版社, 2002, 20022 2程光蕴主编，机械设计基础学习指导书，程光蕴主编，机械设计基础学习指导书， 北京北京: : 高等教育出版社高等教育出版社, 1999.6, 1999.6杨家军，张卫国杨家军，张卫国主编，机械设计基础主编，机械设计基础 ， 武汉武汉: : 华中理工大学出版社华

2、中理工大学出版社, 2002, 2002陈国定陈国定主编，主编， 机械设计基础机械设计基础 3 北京北京: 机械工业出版社机械工业出版社, 2005第一章第一章 机械设计概论机械设计概论 机械机械是机器与机构的统称是机器与机构的统称 。一、机器及其特征一、机器及其特征 实例一实例一内燃机内燃机 实例二实例二机器人机器人 实例三实例三 工件自动载送装置工件自动载送装置人造的实物组合体（不是天然形成的）人造的实物组合体（不是天然形成的） ；-结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实

3、现能量的转换、提供或转换信息现能量的转换、提供或转换信息 。- -能量观点能量观点 通常把能实现确定的机械运动，又能做有用通常把能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功或实现能量、物料、信息的传递与变换的机械功或实现能量、物料、信息的传递与变换的装置称为机器的装置称为机器 。1.1.机器的特征机器的特征2.2.机器的分类机器的分类 根据所能实现的功能的不同，机器可以分为三类：根据所能实现的功能的不同，机器可以分为三类： 工作机器工作机器 实现对物料的某种工作或工艺过程，完实现对物料的某种工作或工艺过程，完成有用的机械功。成有用的机械功。 动力机器动力机器 实现其它种类的能量与机械能之间的转实现

4、其它种类的能量与机械能之间的转换，如内燃机、汽轮机、电动机、发电换，如内燃机、汽轮机、电动机、发电机、压气机、涡轮机等。机、压气机、涡轮机等。 信息机器信息机器 实现其它形式的信息（如电磁、热、压实现其它形式的信息（如电磁、热、压力、变形等）与机械运动信息之间的传力、变形等）与机械运动信息之间的传递与转换，如各种计量装置、检测装置、递与转换，如各种计量装置、检测装置、复印机、打印机、绘图机等。复印机、打印机、绘图机等。 二、机器的功能组成二、机器的功能组成 驱动系统驱动系统：机械动力的来源机械动力的来源 执行系统执行系统：能完成机械预期的动作能完成机械预期的动作 传动系统传动系统：把原动机的运

5、动和功率传递给工作机的中间环节把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节 控制系统控制系统就其功能而言，一台完整的机器通常由四部分组成：就其功能而言，一台完整的机器通常由四部分组成： 驱动系统传动系统执行系统润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传感器传感器传感器三、机器、机构的结构组成三、机器、机构的结构组成 人造的实物组合体（不是天然形成的）人造的实物组合体（不是天然形成的） ；-结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点只能实现运动和力的传递与变换的装置称为机构。只能实现运动和力的传递与变换的装置称为机构。 1.1.机构的特征机构的特征组成机械的各相对

6、运动实体称为构件。构件即组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即为机械中的为机械中的运动单元运动单元。 3.3.构件的组成构件的组成零件零件实例：实例：内燃机连杆内燃机连杆2.2.机构的组成机构的组成 构件构件组成机械的组成机械的基本制造单元基本制造单元称为零件称为零件 。零件分为零件分为通用零件通用零件和和专用零件专用零件。 通用零件通用零件包括：包括：齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承等。滚动轴承、滑动轴承等。 专用零件专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。例如：叶片、犁铧、枪栓等。注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零

7、件注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。的设计方法应在有关专业课中学习。4.4.机器和机构的区别机器和机构的区别机器能作有用功，而机构不能，机构仅机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预能实现预期的机械运动期的机械运动。两者之间也有两者之间也有联系联系，机器是由若干个机构组成，机器是由若干个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。的系统，最简单的机器只有一个机构。零件零件构件构件机构机构机器机器小结小结: :四、四、 本课程的内容、地位和任务本课程的内容、地位和任务通用零部件通用零部件工作原理工作原理结构特点结构特点设计计算设计计算常用机构常用机构运

8、动特性运动特性动力特性动力特性设计计算设计计算2.2.本课程的地位本课程的地位是一门培养学生具有机械设计能力的是一门培养学生具有机械设计能力的技术基础课技术基础课。1.1.本课程的本课程的内容内容3.3.本课程的任务：本课程的任务：（1）认识和了解机械系统的组成与结构、机械系统认识和了解机械系统的组成与结构、机械系统的功能和工作原理，能正确选择和使用通用机械。的功能和工作原理，能正确选择和使用通用机械。 （2）了解机械设计的基本要求，基本内容、一般程了解机械设计的基本要求，基本内容、一般程序，掌握常用机构的结构、运动特性，初步具备分析序，掌握常用机构的结构、运动特性，初步具备分析和设计常用机构

9、的能力。和设计常用机构的能力。 （3）掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、设掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等基本知识，并初步具有设计简单机械计计算和维护等基本知识，并初步具有设计简单机械及常用机械传动装置的能力。及常用机械传动装置的能力。 （4）具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力资料的能力 。机械设计的基本要求机械设计的基本要求二、机械零件设计的基本要求二、机械零件设计的基本要求1.1.强度强度2.2.刚度刚度3.3.耐磨性耐磨性4.4.耐热性耐热性机器设计的一般程序机器设计的一般程序 市场调市场调研研可行性可行性

10、研究研究原理原理方案方案设计设计技 术技 术设设 计计试制试制试验试验小批生小批生产试销产试销投投产产设设计计任任务务书书定定出出最最佳佳方方案案装配图、装配图、零件图、零件图、技术文件技术文件样样机机评评价价改改进进考核考核工艺工艺性收性收集用集用户意户意见见产产品品销销售售三、机械设计的一般程序三、机械设计的一般程序 四、机械设计现代设计方法简介四、机械设计现代设计方法简介1.1.计算机辅助设计计算机辅助设计 2.2.优化设计优化设计 3.3.可靠性设计可靠性设计 4.4.模块化设计模块化设计 5.5.并行设计并行设计 一、一、载荷和应力分类载荷和应力分类静载荷静载荷变载荷变载荷载荷载荷名

11、义载荷名义载荷计算载荷计算载荷载荷载荷2.2.应力分类应力分类零件单位面积上所受的力称为应力。零件单位面积上所受的力称为应力。1.1.载荷分类载荷分类不稳定循环变应力不稳定循环变应力稳定循环变应力稳定循环变应力静应力静应力变应力变应力应力应力随机变应力随机变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力对称循环变应力对称循环变应力3.3.稳定循环变应力稳定循环变应力的的基本参数基本参数 ammaxmintO2minmaxm 2minmaxa axminmr （1）平均应力）平均应力（2）应力幅）应力幅（3）循环特性）循环特性T4.4.稳定循环应力的稳定循环应力的3 3种类型种

12、类型（1 1）非对称循环）非对称循环定义定义minmax 循环特性循环特性 1,1r ammaxminTtO（2）对称循环）对称循环minmax 定义定义循环特性循环特性1r amaxminTtO（3）脉动循环）脉动循环0 min 定义定义循环特性循环特性0r amaxmTtO变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。注意注意：失效：失效：机械零件由于某些原因不能正常工作。机械零件由于某些原因不能正常工作。 二、工作能力计算准则二、工作能力计算准则失效形式：失效形式：断裂、塑性变形、过量的弹性变形、疲断裂、塑性变形、过量的弹性变形、疲劳点蚀、磨损、

13、压溃等。劳点蚀、磨损、压溃等。工作能力计算准则：工作能力计算准则：1.强度准则强度准则2.刚度准则刚度准则3.寿命准则寿命准则4.散热准则散热准则 yy 许用应力：许用应力：零件设计的最大条件应力。零件设计的最大条件应力。 Slim 三、许用应力和安全系数三、许用应力和安全系数1.1.极限应力：极限应力：脆性材料：脆性材料： limlim 为强度极限为强度极限b b（1 1）静应力：）静应力：失效形式为断裂或塑性变形。失效形式为断裂或塑性变形。塑性材料：塑性材料： limlim 为屈服极限为屈服极限 s s（2）变应力：）变应力：失效形式为疲劳破坏。失效形式为疲劳破坏。lim 为疲劳极限为疲劳

14、极限r（如（如-1、0）rNrNON0NN0循环基数循环基数2.安全系数安全系数查表法查表法计算法计算法一、常用工程材料简介一、常用工程材料简介 1.1.钢钢 含碳量小于含碳量小于2的铁碳合金称为钢。的铁碳合金称为钢。 按用途分：按用途分：按化学成份分：按化学成份分：钢的分类：钢的分类：结构钢结构钢工具钢工具钢特种钢特种钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢在机械中常用钢种：在机械中常用钢种： （2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：4545，用于制造较重要的机械，用于制造较重要的机械零件，是机械制造中广泛应用的钢种。零件，是机械制造中广泛应用的钢种。 （3）合金结构钢

15、：）合金结构钢：40Cr40Cr，应用制造重要的或有特，应用制造重要的或有特殊要求的机械零件。殊要求的机械零件。 （4）铸钢：）铸钢：ZG230-450ZG230-450 （1）碳素结构钢：）碳素结构钢： 用于制造一般要求的零件。用于制造一般要求的零件。 AQ235钢的力学性能：钢的力学性能：b s 、2.铸铁铸铁 含碳量大于含碳量大于2的铁碳合金称为铸铁。的铁碳合金称为铸铁。 铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和球墨铸铁。球墨铸铁。 （1）灰铸铁）灰铸铁

16、 灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。 200HT（2）球墨铸铁）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸铁球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸铁经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制造经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。齿轮、曲柄、连杆、阀体等。 3600 QT3.有色金属合金有色金属合金 在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金属则为有色金属。这类金属具

17、有很多特殊的性能，即良属则为有色金属。这类金属具有很多特殊的性能，即良好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是机械制造中不可缺少的材料。很多特殊的用途，是机械制造中不可缺少的材料。 常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。 4.非金属材料非金属材料 在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和弹簧等。弹簧等。 二、金属材料的热处理二、金属材料的热处

18、理 钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温和钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其内部组织结构，从而获得不同的冷却方式，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。所需性能的一种工艺方法。 常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面热处理等。表面热处理等。 名名 称称说说 明明应应 用用退退 火火退火是将钢件（或毛坯）加热到临界温度退火是将钢件（或毛坯）加热到临界温度（一般为（一般为723）以上）以上3050，保温一段，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却时间，然后随炉一起缓慢冷却消除锻、铸、焊的零、构件的

19、内应力；降消除锻、铸、焊的零、构件的内应力；降低硬度使其易于切削加工；细化品粒，调低硬度使其易于切削加工；细化品粒，调整组织改善机械性能整组织改善机械性能正正 火火正火是将钢件加热到临界温度以上，保温正火是将钢件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火快比退火快处理低、中碳钢及渗碳零件，作用与退火处理低、中碳钢及渗碳零件，作用与退火类似类似淬淬 火火淬火是将钢件加热到临界温度以上，保温淬火是将钢件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在水、盐水或油中（个别一段时间，然后在水、盐水或油中（个别材料在空气中）急冷下来材料在空气中）急冷下

20、来提高钢件的硬度和强度，但淬火后钢材性提高钢件的硬度和强度，但淬火后钢材性能变脆，并存在着很大内应力，所以还需能变脆，并存在着很大内应力，所以还需要进行低温回火要进行低温回火回回 火火回火是将淬硬的钢件再加热到临界点以下回火是将淬硬的钢件再加热到临界点以下的温度，保温一段时间，然后在空气中或的温度，保温一段时间，然后在空气中或油中冷却下来。根据回火温度不同，又分油中冷却下来。根据回火温度不同，又分低温（低温（150250）回火、中温（）回火、中温（300500）回火、高温（）回火、高温（500650）回火）回火消除淬火后的脆性和内应力，提高钢件的消除淬火后的脆性和内应力，提高钢件的塑性和韧性，

21、低温回火硬度可达塑性和韧性，低温回火硬度可达HRC5562，中温回火硬度可达，中温回火硬度可达HRC3545，高温，高温回火硬度可达回火硬度可达HRC2335调调 质质淬火后再进行高温回火，称为调质淬火后再进行高温回火，称为调质使钢件获得较高的韧性和强度。很多中碳使钢件获得较高的韧性和强度。很多中碳钢制造的零件（如轴类）常用调质处理钢制造的零件（如轴类）常用调质处理表面淬表面淬火火使零件表层有高的硬度和耐磨性，而心部使零件表层有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的强度和韧性。根据加热方法不保持原有的强度和韧性。根据加热方法不同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火表面

22、淬火常用来处理齿轮、花键等零件表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件渗渗 碳碳将低碳钢或合金钢零件置于渗碳剂中，加将低碳钢或合金钢零件置于渗碳剂中，加热到热到900950保温，使碳原子渗入钢的保温，使碳原子渗入钢的表面层，然后再淬火和回火表面层，然后再淬火和回火增加钢件的表面硬度和耐磨性，而心部仍增加钢件的表面硬度和耐磨性，而心部仍保持较好的韧性和塑性，多用于重载荷、保持较好的韧性和塑性，多用于重载荷、受冲击、耐磨的零件受冲击、耐磨的零件三、材料选择的基本原则三、材料选择的基本原则 1.1.使用要求使用要求 （1 1）机械性能方面的要求。）机械性能方面的要求。 （2 2）物理性能方面的要求。）物理

23、性能方面的要求。 （3 3）化学性能方面的要求。）化学性能方面的要求。 2.2.工艺要求工艺要求 3 3经济要求经济要求 本课程的特点和学习方法本课程的特点和学习方法 本课程的几个特点：本课程的几个特点： 涉及面广涉及面广 关系多关系多因与诸多先修课关系密切。因与诸多先修课关系密切。 要求多要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。 公式多公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。 图表多图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。 门类多门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。各类零件，各有特点，设计方法各异。 实践性强实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节