第1章机械设计概论

机械设计教材：《机械设计》主编:李良军出版社：高等教育出版社，2010

主讲：任亨斌

1龙振宇主编，机械设计，机械工业出版社，2002

2濮良贵纪名刚主编，机械设计（第七版），高等教育出版社，2001年3邱宣怀主编，机械设计（第四版），高等教育出版社，1998年

4余俊等主编，机械设计（第二版），高等教育出版社，1986年

主要参考书目：第1章机械设计概论1.1机械的类型与组成

一、机械的类型

机械是机器与机构的统称。1.机器

实例一内燃机

实例二机器人

实例三工件自动载送装置机器的特征：

①人造的实物组合体（不是天然形成的）；----结构观点②各部分有确定的相对运动；----运动观点③代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实现能量的转换、提供或转换信息。-能量观点机器的类型：根据机器所能实现的功能不同，机器可分为：动力机器工作机器信息机器2.机构机构的特征：

①人造的实物组合体（不是天然形成的）；----结构观点②各部分有确定的相对运动；----运动观点3.机器和机构的区别机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。两者之间也有联系，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。二、机器的功能组成1）驱动系统：机械动力的来源2）执行系统：能完成机械预期的动作3）传动系统：把驱动系统的运动和功率传递给工作机的中间环节4）操作系统和控制系统就其功能而言，一台完整的机器通常由五部分组成：驱动系统传动系统执行系统框架支撑系统、润滑、照明等辅助系统操作系统和控制系统传感器传感器传感器三、机器、机构的结构组成1.零件

组成机械的基本制造单元称为零件。零件分为通用零件和专用零件。

通用零件包括：

齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承等。

专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。标准件：

经过优选、简化、统一、并给以标准代号的零件和部件称为标准零、部件。如螺栓、螺母、键、滚动轴承、联轴器等。2.构件

组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即为机械中的运动单元。

零件构件机构机器构件的组成：零件小结:实例：内燃机连杆1.本课程研究的对象及主要内容四、本课程研究的对象、内容、性质和任务

（1）研究对象：通用的机械传动装置及普通条件下工作的一般参数的通用机械零、部件。

（2）主要内容：常用联接（如螺纹联接、键联接、焊胶联接等）、常用的机械传动（带传动、链传动、齿轮和蜗杆传动等）、轴系零部件（轴、轴承、联轴器）和弹簧等的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，以及某些标准件的选择方法。1.本课程的性质和任务（1）课程的性质：是一门培养学生具有机械设计能力的技术基础课。（2）课程的任务：1）树立正确的设计思想。2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。5）了解机械设计的最新动态。

五、本课程的特点和学习方法

本课程的几个特点：涉及面广关系多─因与诸多先修课关系密切。要求多─强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。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。图表多─结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。门类多─各类零件，各有特点，设计方法各异。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。无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。注意处理好几个关系：零件的设计与选用

──零件设计的两个主要途径。设计计算与结构设计

──设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。性能要求与经济性

──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。经验设计与现代设计

──二者均重要，前者是后者的基础。具体的设计方法与一般的设计能力

──前者是学习的形式，后者是学习的目的。

1.2机械设计的基本要求和一般程序一、机械设计的基本要求1.实现预期功能要求2.经济性要求3.操作方便与安全要求4.美学与环保要求5.其他特殊要求1.2机械设计的基本要求和一般程序二、机械设计的主要内容1.选择机器的工作原理；

2.运动和动力计算；

3.零、部件的工作能力计算；4.绘制零、部件及整机的工作图和装配图等。三、机械设计的一般程序机器设计的一般程序

市场调研可行性研究原理方案设计技术设计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图、零件图、技术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售1.3机械零件应满足设计的基本要求和设计的一般步骤一、机械零件应满足的基本要求

避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求经济性要求质量小的要求可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷；二、机械零件设计的一般步骤2）按可能的失效形式确定零件的计算准则；3）选择零件的材料；4）根据工作能力计算准则建立或选定相应的计算式，确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；5）零件的结构设计；6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。三、机械零件的常规设计方法1.理论设计

设计计算

2.经验设计校核计算3.模型实验设计四、现代设计方法简介1.计算机辅助设计

2.优化设计3.可靠性设计4.模块化设计5.并行设计1.4机械零件的工作能力机械零件由于某些原因不能正常工作时，称为失效。常见的失效形式断裂过量变形表面损伤一、机械零件的主要失效形式

1.断裂断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂2.过量变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形3.零件的表面损伤零件的表面损伤主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损二、机械零件的工作能力设计计算准则

强度准则：刚度准则：设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：寿命准则：振动稳定性准则：散热性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。≤[]确保零件不发生过大的弹性变形。y≤[y]通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。高速运转机械的设计应注重此项准则。进行热平衡计算。1.5机械零件的常用材料及选用原则

一、机械零件的常用材料1.钢

含碳量小于2％的铁碳合金称为钢。

按用途分：按化学成份分：钢的分类：结构钢工具钢特种钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢在机械中常用钢种：

（2）优质碳素结构钢：45，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。

（3）合金结构钢：40Cr，应用制造重要的或有特殊要求的机械零件。

（4）铸钢：ZG230-450

（1）碳素结构钢：

用于制造一般要求的零件。

钢的力学性能：2.铸铁

含碳量大于2％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、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。

（1）灰铸铁

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。

（2）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，所以常用来制造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。

3.有色金属合金

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。

4.非金属材料

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、密封圈和弹簧等。

二、金属材料的热处理

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、表面热处理等。

名称说明应用退火退火是将钢件（或毛坯）加热到临界温度（一般为723℃）以上30～50℃，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却消除锻、铸、焊的零、构件的内应力；降低硬度使其易于切削加工；细化晶粒，调整组织改善机械性能正火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，冷却速度比退火快处理低、中碳钢及渗碳零件，作用与退火类似淬火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（个别材料在空气中）急冷下来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，所以还需要进行低温回火回火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，然后在空气中或油中冷却下来。根据回火温度不同，又分低温（150～250℃）回火、中温（300～500℃）回火、高温（500～650℃）回火消除淬火后的脆性和内应力，提高钢件的塑性和韧性，低温回火硬度可达HRC55～62，中温回火硬度可达HRC35～45，高温回火硬度可达HRC23～35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。很多中碳钢制造的零件（如轴类）常用调质处理表面淬火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。根据加热方法不同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件渗碳将低碳钢或合金钢零件置于渗碳剂中，加热到900～950℃保温，使碳原子渗入钢的表面层，然后再淬火和回火增加钢件的表面硬度和耐磨性，而心部仍保持较好的韧性和塑性，多用于重载荷、受冲击、耐磨的零件三、材料选择的基本原则

1.使用要求

（1）机械性能方面的要求。

（2）物理性能方面的要求。

（3）化学性能方面的要求。

2.工艺要求

3．经济要求

1.6机械设计中的标准化、系列化和通用化

一、“三化”的含义及其优越性

标准化系列化通用化“三化”的优越性1.6机械设计中的标准化、系列化和通用化

二、机械零、部件的标准化

国家标准（GB）企业标准行业标准（JB）地方标准强制标准（GB5903-1995）强制标准（GB/T5782-2000）中国标准体系：推杆凸轮推杆凸轮齿轮齿轮齿轮曲轴连杆活塞动画

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