第一章机械设计概论

机械设计基础教材：《机械设计基础》主编:李良军出版社：高等教育出版社，2007

主讲：任亨斌

主要参考书目：1汪信远主编，《机械设计基础》，北京:高等教育出版社,20022程光蕴主编，《机械设计基础学习指导书》，北京:高等教育出版社,1999.6杨家军，张卫国主编，《机械设计基础》，

武汉:华中理工大学出版社,2002陈国定主编，《机械设计基础》

北京:机械工业出版社,2005第一章机械设计概论1-1机械及其组成机械是机器与机构的统称。一、机器及其特征

实例一内燃机

实例二机器人

实例三工件自动载送装置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装置称为机器。1.机器的特征2.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：

工作机器

实现对物料的某种工作或工艺过程，完成有用的机械功。

动力机器

实现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、发电机、压气机、涡轮机等。

信息机器

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。

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：把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节④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：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

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；----运动观点只能实现运动和力的传递与变换的装置称为机构。

1.机构的特征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。

3.构件的组成－－零件实例：内燃机连杆2.机构的组成－－构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。4.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。零件构件机构机器小结:四、本课程的内容、地位和任务通用零部件工作原理结构特点设计计算常用机构运动特性动力特性设计计算2.本课程的地位是一门培养学生具有机械设计能力的技术基础课。1.本课程的内容3.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的能力。

（3）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、图册等有关技术资料的能力。§1-2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求2.经济性；3.操作方便，运行安全；4.标准化；5.其他方面1.实现预定的功能，工作可靠；二、机械零件设计的基本要求1.强度2.刚度3.耐磨性4.耐热性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三、机械设计的一般程序

四、机械设计现代设计方法简介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.并行设计一、载荷和应力分类静载荷变载荷载荷名义载荷计算载荷载荷§1-3机械零件的工作能力2.应力分类零件单位面积上所受的力称为应力。1.载荷分类不稳定循环变应力稳定循环变应力静应力变应力应力随机变应力脉动循环变应力非对称循环变应力对称循环变应力3.稳定循环变应力的基本参数

σaσmσmaxσmintσO（1）平均应力（2）应力幅（3）循环特性T4.稳定循环应力的3种类型（1）非对称循环①定义②循环特性σaσmσmaxσminTtσO（2）对称循环①定义②循环特性σσaσmaxσminTtO（3）脉动循环①定义②循环特性σσaσmaxσmTtO变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。注意：失效：机械零件由于某些原因不能正常工作。二、工作能力计算准则失效形式：断裂、塑性变形、过量的弹性变形、疲劳点蚀、磨损、压溃等。工作能力计算准则：1.强度准则2.刚度准则3.寿命准则4.散热准则许用应力：零件设计的最大条件应力。三、许用应力和安全系数1.极限应力：脆性材料：σlim

为强度极限σb（1）静应力：失效形式为断裂或塑性变形。塑性材料：σlim

为屈服极限σs（2）变应力：失效形式为疲劳破坏。σlim

为疲劳极限σr（如σ-1、σ0）σσrNσrNON0NN0－循环基数2.安全系数查表法计算法§1-4机械制造常用材料和热处理一、常用工程材料简介

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；细化品粒，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

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。

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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