机械结构设计基础-00文前绪论

机械设计基础目录第5章齿轮系传动第4章蜗杆传动第3章齿轮传动机构第2章带传动绪论第1章平面机构的结构分析第6章轴目录第10章平面连杆机构第9章凸轮传动机构第8章轴承第7章轴毂连接目录第16章减速器和变速器第15章机械的平衡与调速第14章间歇运动机构第13章联轴器、离合器、制动器和弹簧第11章链传动第12章螺纹连接与螺旋传动绪论

1.机器的特征、组成及分类。2.本课程的内容、性质和任务。3.机器设计制造的一般程序。4.摩擦及其分类；磨损的过程及分类；润滑油的种类及其选择。知识点：0.1机器的组成0.1.1

机器的特征人类为了减轻体力劳动、提高生产率而发明创造了各种各样的机器。在人们的生产和生活中，经常遇到如汽车、机床、电动机、洗衣机等机械设备。这些机械的功能各不相同，结构性能各异。如图0.1所示为一单缸四冲程内燃机。燃料在气缸体1内燃烧膨胀做功，驱动活塞2向下移动，经连杆3带动曲轴4转动。曲轴经过一对齿轮5和6，带动凸轮轴7和挺杆8，以控制进、排气阀相对活塞的移动作定时启闭，一边将可燃混合气吸入气缸，一边排出燃烧后的废气，气缸体1起支撑作用。以上各动作协调配合，将燃料燃烧时的热能，转变为曲轴转动的机械能。图0.1单缸内燃机１.气缸体；２.活塞；３.连杆；４.曲轴；５、6.正时齿轮；7.凸轮轴；8.气门挺杆0.1机器的组成又如图0.2所示为一牛头刨床，它由电动机7、带传动6、变速齿轮组9、一对齿轮5、导杆机构4、滑枕(刨头)3、刀架1、工作台13和床身8等组成。工作时电动机通过带传动和齿轮传动，使偏心轮（大齿轮）回转，经过滑块带动导杆做往复摆动，再由导杆推动滑枕作往复直线运动，使刨刀切削工件而做有用的机械功。图0.2牛头刨床１.刀架；２.螺旋机构；３.滑枕；４.导杆机构；５.齿轮机构；6.带传动；7.电动机；8.床身；9.变速齿轮；10.圆盘；11.曲柄摇杆机构；12.棘轮机构；13.工作台0.1机器的组成机器的种类繁多。按照用途的不同，可把机器分为动力机器、工作机器和信息机器。动力机器用来实现其他形式的能量与机械能间的转换，如内燃机、电动机、涡轮机等。工作机器用来做机械功或搬动物品，即变换物料，汽车、金属切削机床、起重机、收割机等都是工作机器。信息机器用来获取或变换信息，如照相机、打字机等。作为一部完整的机器，要能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，一般由以下五部分组成，如图0.3所示。图0.3机器的组成0.1.2机器的组成及分类机器的动力来源，包括动力机及其配套装置，它的功能是向机器提供运动和动力，如电动机、内燃机等。1.动力装置0.1机器的组成执行装置是直接完成机器预定功能的工作部分。包括若干执行机构，它的功能是驱动执行件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。执行装置一般处于机械系统的末端，执行件直接与工作对象接触，如刨床的刀架、汽车的驱动轮等。2.执行装置传动装置是把动力装置的运动和动力变换成执行装置所需的运动形式、运动和动力参数，并传递给执行装置的中间部分。机器中的传动有机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等形式，应用最多的是机械传动。3.传动装置操纵装置和控制装置都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调工作，并准确可靠地完成整机功能的装置，如控制机器的启动、停车、变速、换向等。多指通过人工操作以实现上述要求的装置。4.操纵、控制装置0.1机器的组成它包括基础件(如床身、底座、立柱等)和支撑构件(如支架、箱体等)。它用于安装和支承动力系统、传动系统和操纵系统等。机器各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。辅助装置则有照明、润滑、冷却装置等。以汽车为例，发动机(汽油机或柴油机)是汽车的动力装置；离合器、变速箱、传动轴和差速器组成传动装置；车轮、悬挂系统及底盘(包括车身)是执行装置。这三个装置是机器的基本组成部分。5.框架支撑系统及其他的辅助装置0.1机器的组成从制造的角度看，机器是由若干个零件装配而成的。零件是机器中不可拆卸的制造单元。按其是否具有通用性可以将零件分为两大类：一类是通用零件，它的应用很广泛，几乎在任何一部机器中都能找到，例如齿轮、轴、螺母、销钉等；另一类是专用零件，它仅用于某些机器中，常可表征该机器的特点，如内燃机的活塞、起重机的吊钩等。有时为了装配方便，先将一组协同工作的零件分别装配或制造成一个个相对独立的组合体，然后再装配成整机，这种组合体常被称为部件(或组件)，例如车床的主轴箱、尾座，滚动轴承以及自行车的脚蹬子等。将机器看成是由零部件组成的，不仅有利于装配，也有利于对机器的设计、运输、安装和维修等。按零部件的主要功用可以将它们分为连接与紧固件，传动件、支承件等。在机器中，零件都不是孤立存在的，它们是通过连接、传动、支承等形式按一定的原理和结构联系在一起的，这样才能发挥出机器的整体功能。0.1.3零件与构件0.1机器的组成从运动的角度看，机器是由若干个运动的单元组成的，这种组成机器的基本运动单元称为构件。构件可以是一个零件(如图0.1中的气门挺杆8)，也可以是若干个零件的刚性组合体(如图0.1中的连杆3)。由连杆体、连杆头和螺栓、螺母等多个零件组合而成的构件，如图0.4所示。组成构件的各零件相互之间没有相对运动，各构件之间是靠运动副连接起来的，有确定的相对运动。用运动的观点看机器，可以认为一部机器是一个机构或若干个机构的组合，这就为机器的运动分析带来了方便。图0.4连杆构件图１.连杆体；２.连杆盖；３～5.轴瓦；6.螺栓0.2本课程的内容、性质和任务本课程的研究对象是一般工作条件下的常用机构和通用机械零部件，主要讲述机械中的常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、基本设计理论和计算方法，以及机器动力学中的一些问题。同时简要介绍国家标准和规范、某些标准零部件的选用原则和方法，以及通用零部件的一般使用及维护知识。0.2.1课程的内容本课程是一门技术基础课。它综合运用高等数学、工程力学、机械制图、金属工艺学、互换性与技术测量、计算机程序设计等课程的基本知识，解决常用机构、通用零部件等设计问题。本课程的科学性、综合性、实践性都比较强，是机械类或近机类专业的主干课之一，在相应各专业的教学计划中占有重要的地位。0.2.2课程的性质0.2本课程的内容、性质和任务本课程的主要任务是培养学生以下几方面的能力。

1)掌握机构的结构、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力，对机械动力学的某些基本知识有所了解。

2)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，并初步具有设计机械传动装置的能力。

3)具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。

4)获得具有本学科实验技能的初步训练。总之，通过本课程的学习，应使学生具备使用、维护和改进机械设备的基本知识和分析设备事故的基本能力，使学生能运用手册设计简单的机械传动，为今后的技术革新创造条件，并为学习有关专业课程奠定必要的基础。0.2.3课程的任务0.3

机器设计制造的一般过程0.3.1机器应满足的要求机器(包括整机、部件和零件)的基本要求取决于其所处的地位、作用及工作条件等。其中设计制造机器时主要应考虑以下几个方面的基本要求。1.使用要求机器应在规定的使用期限内保证实现预定的功能，达到规定的性能。这项要求主要靠合理地选择机器的工作原理，正确地设计传动方案，合理配置辅助系统等来实现。2.经济性要求机器的经济性应体现并贯穿在设计、制造和使用的全过程，以求获得最高的经济效益。机械产品的价格是其在市场经济条件下有效地参与竞争的重要因素之一，而降低每个零件的成本对整个机械产品的经济性是很重要的。0.3

机器设计制造的一般过程3.社会要求对机器的社会要求有：应满足人机工程学要求，如操作方便、省力、舒适、劳动强度低、维修简便等；应满足安全运行要求，保证人、机安全，如设置安全防护装置、连锁互锁装置、预警信号系统等；应满足工艺美学要求，机器造型美观、色彩协调、雅致精巧，如消防机械用红色，给人以紧迫、警示感；应符合环保要求，降低噪声，最好在80dB以下；防止有毒有害介质的泄漏。4.可靠性要求机器的可靠性是指在规定的使用寿命和工况条件下机器完成规定功能的能力。可靠性是衡量机械产品的一个重要指标。主要取决于零件的可靠性和零件的组合关系。5.其他特殊要求在满足以上基本要求的前提下，不同机械还有其特殊的要求，如机床有长期保持精度的要求；食品机械有防止污染的要求；大型设备有便于安装和运输的要求等。0.3

机器设计制造的一般过程0.3.2机器设计制造的一般程序机械产品的用途不同，要求各异，设计的具体条件不同，所以设计方法和步骤也不尽一致。一般来说，有以下程序和内容。1.可行性研究阶段新产品开发任务提出后，要进行可行性研究。首先要作充分的调查研究，收集资料，掌握信息，然后对产品的预期需要、使用要求和关键技术进行详细分析研究，明确任务要求，提出机器功能设计参数和制约条件，并作经济效益估算，论证设计的必要性、先进性和可行性，最后给出可行性报告和设计任务书。2.方案设计阶段方案设计即为机器的功能原理设计。本阶段是决定机器结构、产品水平和竞争力的关键阶段。方案设计是在机器功能分析的基础上，确定机器的工作原理和技术要求，拟定机器的传动方案和总体布置等。0.3

机器设计制造的一般过程3.技术设计阶段技术设计阶段的任务是完成机器总装配和部件装配草图，将原理方案结构化。技术设计内容和步骤如下。

(1)机器的运动学设计

(2)机器的动力学计算

(3)零件的工作能力设计

(4)部件装配草图和总装配草图的设计

(5)主要零件的校核4.施工设计阶段施工设计需完成零件工作图的设计和编制各类技术文件。零件工作图是制造和检验零件的依据。根据装配图设计并绘制零件工作图。设计工作图时，要认真考虑零件的全部结构、加工和装配工艺性、检验要求等。若零件的结构、尺寸改变，按最后确定的零件工作图上的结构和尺寸，重新绘制部件装配图和总装配图。应使工作图上零件的结构和主要外廓外尺寸与装配图中的完全一致。0.3

机器设计制造的一般过程5.技术设计阶段试制样机后，进行样机试验，测试各项技术性能指标，分析是否达到设计要求。样机试验完成后，应进行全面的技术经济评价，专家鉴定，以决定设计方案是否可用或提出修改意见。6.投产销售阶段在改进原设计使之达到设计任务书规定的全部要求后，可报批投产。在进行生产准备后，正式投产，并开展售后服务、跟踪调查、及时反馈制造和使用的信息，反复不断修改设计，甚至改型，提高产品质量和信誉，开拓出更广阔的市场。0.4

摩擦、磨损和润滑0.4.1摩擦机器中许多相接触的零件间作相对运动，产生摩擦，导致能量损耗、效率降低、温度升高、零件磨损。过度磨损使零件失效，并使机器精度降低，产生振动和噪声，缩短寿命。在失效零件中，因磨损而失效的零件约占80％。为了提高机器的效率、使用寿命和经济性，必须设法尽量减小摩擦以减少磨损。润滑是减小摩擦、减少磨损最有效的方法。在正压力作用下两个相接触的物体，接触面间产生抵抗切向滑动阻力的现象称为摩擦。按运动形式摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。作相对滑动的两接触物体间的摩擦称为滑动摩擦，如滑动轴承的轴瓦与轴颈、丝杆与螺母间的摩擦。作相对滚动的以点或线接触的两物体，其接触处产生的摩擦称为滚动摩擦，如滚动轴承中滚动体与内、外圈间、滚动螺旋与螺母、齿轮轮齿在节点啮合时的摩擦。滚动摩擦要比滑动摩擦小得多。按摩擦状态来分，滑动摩擦又分为干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。1.干摩擦摩擦面间不加润滑剂时的摩擦为干摩擦。干摩擦时，金属表面直接接触，摩擦大，磨损严重，应予避免(依靠摩擦力工作的零件除外)。2.液体摩擦摩擦副表面间被一层压力液体完全隔开时的摩擦称为液体摩擦。摩擦只产生于液体内部分子间，摩擦系数很小，是理想的摩擦状态。0.4

摩擦、磨损和润滑3.边界摩擦摩擦副间有少量润滑剂，摩擦表面上形成极薄的润滑剂膜，强度低，易破裂，致使摩擦面间部分直接接触，这种摩擦为边界摩擦。其摩擦和磨损均比干摩擦时小。4.混合摩擦处于边界摩擦与液体摩擦的混合状态称为混合摩擦。混合摩擦时，大部分摩擦面处于液体摩擦，少量表面轮廓峰直接接触。其摩擦系数要比边界摩擦小得多。0.4

摩擦、磨损和润滑0.4.2磨损摩擦使零件表面材料逐渐损失的现象称为磨损。磨损改变零件的尺寸和形状，破坏工作表面，影响零件和机器的功能，缩短使用寿命，并消耗材料和能量，一般应减少磨损。材料抵抗磨损的能力称为耐磨性。被磨损去的表面厚度称为磨损量。1.磨损过程一般机械零件的磨损过程分为磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。(1)磨合阶段(图0.5中的oa段)(2)稳定磨损阶段(图0.5中的ob段)(3)剧烈磨损阶段(图0.5中的bc段)图0.5磨损过程0.4

摩擦、磨损和润滑2.磨损类型按照破坏机理的不同，磨损分为以下四种类型。

(1)黏着磨损

(2)磨粒磨损

(3)疲劳磨损

(4)腐蚀磨损3.减少磨损的方法减少磨损的方法应结合磨损类型来考虑。一般为合理选择摩擦副材料、表面硬度和表面粗糙度；良好的润滑（形成流体润滑或采用含油性和极压添加剂的润滑剂，合理选择润滑油黏度）；降低摩擦副表面温度；控制压强等。0.4

摩擦、磨损和润滑0.4.3润滑润滑就是向摩擦表面供给润滑剂。润滑的主要目的是为了减小摩擦、减少磨损和冷却零件。此外，润滑还有防止零件锈蚀、缓冲吸振、洗除污物和密封等作用。润滑问题包括选用合适的润滑剂、润滑方式和确定润滑装置。本节仅讨论润滑剂的基本知识，润滑方式和装置见后面有关章节或手册。润滑剂分为液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂等四大类。对于一般机械设备，通常采用润滑油或润滑脂润滑。1.润滑油工业用润滑油有矿物油和合成油两类。合成油为化学合成产品，具有优良的综合性能，但价高，目前多用于高温、高速和重载等特殊场合。矿物油系石油产品，性能较好，适用性广，成本较低，应用最多。

(1)矿物油的种类

(2)润滑油的主要性能指标

(3)润滑油的选用0.4

摩擦、磨损和润滑2.润滑脂润滑脂是润滑油与稠化剂的膏状混合物。其润滑性能主要取决于所用的润滑油、稠化剂的种类和含量。

(1)润滑脂的种类

(2)润滑脂的性能指标

(3)润滑脂的特点3.添加剂为了改善润滑油、脂的使用性能，常加入一定量的其他物质——添加剂，使其更好地满足不同使用场合的各种需要。添加剂种类很多，按所起的作用可分为极压添加剂、油性剂、抗氧抗腐剂、黏度指数改进剂、降凝剂等。小结

1）机器具有的三个特征：①都是人为的实物组合；②各实物之间具有确定的相对运动；③能代替或减轻人类的劳动完成有