機械設(shè)計基礎(chǔ)知識

1、一、機械設(shè)計基礎(chǔ)知識,,一、機器、機構(gòu)及其結(jié)構(gòu)組成,機械是各類機器的通稱。機器的種類繁多、外形萬變、用途各異。但從機器的結(jié)構(gòu)組成、機械運動的特點進行分析，這些不同的機器都是由能產(chǎn)生相對運動的單元體的組合而成，這些單元體稱為構(gòu)件。具有特定結(jié)構(gòu)形狀和運動特征的構(gòu)件組合稱為機構(gòu)。機器是由各種機構(gòu)組成的。一部機器可能由多種機構(gòu)組成，如內(nèi)燃機就是由曲柄滑塊機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和凸輪機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)等組合而成；也可能僅由一個最簡單的機構(gòu)組成，如電動機

2、就是只包含一個由定子和轉(zhuǎn)子所組成的雙桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)。,,悍馬轎車,國產(chǎn)J10,美國 F117,“勇氣號”火星探測器,美國小鷹號航母,,內(nèi)燃機機構(gòu)簡圖,,從上述例子以及對其他不同機器的分析可以得到機器的共同特征：（1）它們都是人們根據(jù)某種使用要求而設(shè)計創(chuàng)造的一種裝置。（2）它們必須執(zhí)行確定的機械運動。（3）用于完成包括機械力、運動和能量轉(zhuǎn)換等動力學任務(wù)。　　相對于機器而言，機構(gòu)主要反映機器的機械運動傳遞和運動形式轉(zhuǎn)換的特征。,作為一

3、部完整的機器，僅具有上述的機械部分是不夠的，它不能完成預期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，機器一般主要由五部分組成，如圖所示。,1.動力系統(tǒng)　　動力系統(tǒng)包括動力機及其配套裝置；它的功能是向機器提供運動和動力，是機械系統(tǒng)的動力源。如圖電動機。另外還有內(nèi)燃機、液壓馬達、氣馬達、液壓缸、氣缸及電磁驅(qū)動等。,2.執(zhí)行系統(tǒng)　　執(zhí)行系統(tǒng)包括執(zhí)行機構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件，它的功能是驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件按給定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)預期的工作。執(zhí)行系統(tǒng)一般處于機械系統(tǒng)的

4、末端，執(zhí)行構(gòu)件直接與工作對象接觸。執(zhí)行系統(tǒng)可以只包含一個執(zhí)行機構(gòu)和多個執(zhí)行構(gòu)件。 　　執(zhí)行系統(tǒng)也可以由幾個執(zhí)行機構(gòu)組成，如圖中的自動曲柄沖壓機，其執(zhí)行機構(gòu)除曲柄滑塊機構(gòu)外，還有由氣缸及推料頭組成的送料機構(gòu)，它們配合完成沖壓-送料工作。,3.傳動系統(tǒng)　　傳動系統(tǒng)是把動力系統(tǒng)的運動和力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。 4.操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)　　操縱系統(tǒng):多指通過人工操作以實現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的離合器是通過由連桿等構(gòu)件組成的

5、踏板機構(gòu)控制其離合，實現(xiàn)傳動的接入和分離。另外還有起動、制動器、變速、換向等裝置。,控制系統(tǒng):是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經(jīng)由控制器，使控制對象改變其工作參數(shù)或運行狀態(tài)而實現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的電磁鐵，電控換向閥和電控箱等組成了控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)沖壓、送料等動作配合，實現(xiàn)自動化操作。 5.框架支撐系統(tǒng)及其他的輔助系統(tǒng)　　框架支撐系統(tǒng)：　包括基礎(chǔ)件（如床身、底座、立柱等）和支撐構(gòu)件（如支架、箱體等）。它用于安

6、裝和支承動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等?！　C器各部分的位置精度、運動精度及機器的承載能力等主要依靠框架支撐系統(tǒng)來保證，該系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中必不可少的部分。此外，根據(jù)機械系統(tǒng)的功能要求，還有一些輔助系統(tǒng)，如潤滑、冷卻、顯示、照明等。,,二、課程的內(nèi)容、性質(zhì)、特點及學習方法提示,1、內(nèi)容：是研究普遍工作條件下一般尺寸、一般參數(shù)的通用零件的設(shè)計計算問題。一般尺寸（不是太大，太小）重型機的一個地腳螺栓180公斤，礦山卷揚機齒輪直徑10 m，

7、而有些儀器儀表的重量以克表示，這些均不是研究范圍?！　⊥ㄟ^本課程學習后，學生能達到如下要求：（1）掌握通用機械的設(shè)計原理，方法，具有設(shè)計一般機械的能力。（2）具有應(yīng)用標準，規(guī)范，手冊，圖冊及查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。（3）掌握典型機械零件的設(shè)計方法。（4）對機械設(shè)計新方法有所了解。 2 、本課程的性質(zhì)　　本課程的性質(zhì)是以一般通用零件的設(shè)計為核心的設(shè)計性課程，從承載能力出發(fā)，考慮零件的材料、結(jié)構(gòu)、強度及工藝性。 　從

8、傳統(tǒng)意義及時間安排上是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。從教學要求上是一門重中之重的考試課。,3、本課程特點（1）工程設(shè)計性（2）綜合性 要用到以前學過的幾乎所有課程知識。（3）實踐性4、學習方法提示（1）、少問為什么，多問怎么樣。（2）、注意使用設(shè)計手冊，設(shè)計資料，機械設(shè)計離不開手冊，標準及各種經(jīng)驗資料，盡可能地查閱這些資料是機械零件課的任務(wù)之一，盡可能地多閱讀各種類型結(jié)構(gòu)。（3）、記好筆記，及時完成作業(yè)?！　C械零件被同學稱為“機械

9、零碎”，因為其內(nèi)容多、而雜，各部分內(nèi)容之間又缺少聯(lián)系，若不及時歸納，很易忘記?？荚嚞F(xiàn)復習，現(xiàn)抓不行。及時獨立完成作業(yè)，有助于復習鞏固，本課程特點一聽就懂，一做題沒門，通過做作業(yè)，及時復習所學的內(nèi)容?？梢詭湍憬鉀Q。,,三、設(shè)計機器的一般程序,1、調(diào)查決策階段本階段包括：（1）任務(wù)的提出（2）分析對新設(shè)計機器的需要（3）最后寫成任務(wù)書的形式2 、設(shè)計階段。（1）功能設(shè)計研究（2）新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計 包括機器的運動學設(shè)計，動力學

10、計算，零部件的工作能力計算部分或整機的裝配因設(shè)計，零件草圖的設(shè)計及主要零件的校核。最后繪制零件的工作圖。然后根據(jù)那些零件的工作圖，重新繪制其總裝圖。（3）技術(shù)文件的編制階段技術(shù)文件應(yīng)包括：設(shè)計計算說明書、使用說明書、明細表及驗收質(zhì)量標準等文件。實際當中很可能就不那么理想，有可能邊干邊改一干好幾年3、樣機的試制評定階段4、生產(chǎn) 、銷售服務(wù)階段 一部機器的質(zhì)量關(guān)鍵取決于設(shè)計質(zhì)量，設(shè)計階段是決定機器好壞的關(guān)鍵。,機械設(shè)計的一般過程,

11、四 、機器應(yīng)滿足的基本要求,1、具有預定使用功能的要求2、經(jīng)濟性要求(1)用先進的設(shè)計方法手段，達到盡可能精的結(jié)果，加快設(shè)計進程。(2)大限度地標準化、系列化、通用化產(chǎn)品。(3)盡可能采用新技術(shù)、新工藝和新材料。(4)力求改善零件的工藝性，合理組織生產(chǎn)過程。3、勞動保護要求(1)要使機器的操作者安全方便和安全。(2)改善操作者機器的環(huán)境4、可靠性要求5、其它要求對于不同的機器，還有一些特定的要求，如對機床，有長期保

12、持精度的要求，對飛機，有質(zhì)量小，飛機阻力小的要求。,五、機械零件的主要失效形式及計算準則,所謂失效是指機械零件喪失工作能力或不能按設(shè)計要求進行工作。,1.機械零件的主要失效形式,①整體斷裂,齒輪輪齒斷裂實例,如：螺栓的斷裂,,,齒輪齒面塑形變形,軸承外圈塑性變形,②過大的殘余變形,齒輪齒面接觸疲勞點蝕,滾動軸承滾道的疲勞點蝕,滾動軸承外圈滾道的磨損,軸瓦的磨損,③零件的表面破壞,④破壞正常工作條件而失效,例如：V帶傳動當傳遞的有效圓周

13、力大于摩擦力的極限值時將發(fā)生打滑失效；高速轉(zhuǎn)動的零件當其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的固有頻率相一致時會發(fā)生共振，以致引起斷裂失效；液體潤滑的滑動軸承當潤滑油膜被破壞時將發(fā)生膠合失效等。,2.設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的計算準則　　所謂計算準則：就是為了防止某種失效形式的出現(xiàn)，設(shè)計零件時所必須遵循的要求?！　♂槍唧w的零件，要根據(jù)其主要的失效形式，采用相應(yīng)的計算準則。主要計算準則有：　?、購姸葴蕜t　　強度是指零件抵抗破壞的能力。破壞是指整體斷裂、表

14、面接觸疲勞、塑性變形等。強度不足，零件根本無法工作，因此是最基本的計算準則。強度準則的一般表達式為： σ≤〔σ〕,②剛度準則　　剛度是指零件抵抗彈性變形的能力。零件在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形量y （它廣義地代表任何形式的彈性變形量），小于或等于機器工作性能所允許的極限值[y]（即許用變形量），就叫做滿足剛度要求或符合了剛度計算準則。其表達式為： y

15、≤[y] ③壽命準則　　影響零件壽命的主要因素有疲勞、磨損和腐蝕。疲勞、磨損和腐蝕從它們產(chǎn)生的機理到發(fā)展規(guī)律完全不同，因而屬于三個不同的范疇。疲勞壽命的計算，通常是求出使用壽命時的疲勞極限來作為計算依據(jù)。迄今為止，還沒有提出實用有效的腐蝕壽命的計算方法，因而也無法列出腐蝕的計算準則。可能產(chǎn)生磨損的原因很多，影響因素也很多，并且其產(chǎn)生的機理還沒有完全搞清楚，因而還沒有能夠進行定量計算

16、的方法。,④振動穩(wěn)定性準則　　機器中許多運動的零件（齒輪、軸）都是振動源，如果激振頻率fp接近共振頻率f時，易發(fā)生共振，致使機器或零件發(fā)生失效。所謂振動穩(wěn)定性準則，就是設(shè)計時使機械零件的激振頻率fp遠離其共振頻率f。 fp＜0.87f 或 fp＞1.18f 　　若不能滿足上述條件，則必須采取措施減振。主要措施有：提高系統(tǒng)剛度；提高零件制造精度；增加阻尼系統(tǒng)；采取減振隔離措施

17、；對回轉(zhuǎn)件進行動平衡試驗等。,⑤耐磨性準則　　磨損將改變零件的形狀及尺寸。因此，在滿足設(shè)計要求的前提下，應(yīng)力求提高零件的耐磨性或盡量降低磨損。對于磨損，目前還沒有理論計算公式，通常是采取條件性限制?！　∠拗茐簭姴怀^許用值，以防止壓強過大，使零件工作表面油膜破壞而產(chǎn)生過快磨損，其驗算式為： P ≤[p] (MPa) 　　對相對滑動速度較大的摩擦表

18、面，還要控制摩擦表面的溫度，以防止?jié)櫥统霈F(xiàn)解析現(xiàn)象從而導致磨損加劇。因此，要限制單位接觸面上單位時間產(chǎn)生的摩擦力不要過大，當摩擦系數(shù)f為常數(shù)時，則可驗算pv值不超過許用值，即： pv≤[pv] (MPa m/s),六、機械零件的材料及制造工藝性,1.機械零件材料的選擇原則　　制造機械零件的材料是多種多樣的，主要有鋼、鑄鐵、銅合金、非金屬材料及復合材料等。正確選擇材料是設(shè)計中一個非常重要的環(huán)節(jié)。

19、各種通用零件的常用材料及其牌號將在以后各章節(jié)中詳細介紹。下面僅就材料的選擇原則，加以介紹：①使用要求　　滿足使用要求是選擇零件材料的最基本原則。使用要求一般是指零件的工作狀況、受載情況、零件的重要性及對零件尺寸和重量的限制等。,,： 鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…,：塑料、橡膠、合成纖維,：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F　　 45　 　 60 　 1Cr18Ni9）,：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：TH

20、300 QT500-5),強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石,強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕,機械零件的常用材料,,②工藝要求　　結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較大的零件宜采用鑄造毛坯或選擇焊接而成。對于結(jié)構(gòu)簡單的零件，視其批量大小可采用模鍛或自由鍛制取毛坯。③經(jīng)濟性要求　　經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在材料的相對價格，當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不要選擇價格高的材料。這對于大批量生產(chǎn)的零件，尤為重要。但選材時不能只著眼于相對價格，還要考慮零件的加工費用。,

21、2.機械零件的制造工藝性　　在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費勞動量最小、加工費用最少的零件，就認為具有良好的工藝性。①造型簡單合理②合理選擇毛坯的種類③鑄造的工藝性④焊接工藝性⑤熱處理工藝性⑥切削加工工藝性⑦結(jié)構(gòu)裝配工藝性　　機器由零件組裝而成，而且機器工作一段時間后，需拆開檢修，因此零件間必須具有良好的裝配工藝性。有關(guān)結(jié)構(gòu)裝配工藝性如書圖所示。,七、機械零件設(shè)計的步驟,由于零件的種類不同，其具體的設(shè)計步驟也不一樣，

22、但一般都可按下列步驟進行：　　1.選擇零件的類型：根據(jù)使用條件及工作載荷的性質(zhì)，選擇零件的類型。因此，設(shè)計者必須了解各種常用機械零件的類型、特點及適用范圍。　　2.確定零件上的載荷：根據(jù)動力機及工作機的實際工作情況，考慮到各種影響載荷作用的因素，確定出作用在零件上的計算載荷?！　?.選擇零件材料：根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求（在高溫或腐蝕介質(zhì)中工作等），選擇合適的材料?！　?.確定計算準則：根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確

23、定應(yīng)采用的計算準則。,5.理論設(shè)計：根據(jù)計算準則所得到的設(shè)計計算公式，確定出零件的主要幾何尺寸和參數(shù)。6.結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)功能的要求，加工及結(jié)構(gòu)工藝性、剛度要求等進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定出零件的結(jié)構(gòu)尺寸。7.精確校核：結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，對有些重要零件（如軸）應(yīng)進行詳細的校核計算，以判定結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。8.畫出零件工作圖，并寫出計算說明書。繪制的零件工作圖應(yīng)符合制圖標準，并能滿足加工要求。寫出的計算說明書要條理清晰、數(shù)據(jù)正確格式統(tǒng)一，

24、并附有必要的結(jié)構(gòu)草圖和計算草圖。重要的公式及引用參數(shù)，一般要注明來源。,八、機械零件設(shè)計中的標準化、通用化和系列化,1.標準化　　標準化，就是通過對零件尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗方法、設(shè)計方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標準。標準化意義重大，帶來的優(yōu)越性表現(xiàn)在：　　以最先進的方法，在專門的加工廠中對那些用途最廣的零件進行大量的、集中的制造，以提高質(zhì)量、降低成本?！　U大了互換性，便于維修?！　〔捎昧藰藴式Y(jié)構(gòu)及

25、零、部件，可以簡化設(shè)計工作、縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。統(tǒng)一了零件的性能指標，提高了零件的可靠性?！　】杉谐晒?jīng)驗，減少設(shè)計、制造上的技術(shù)差錯。,2.通用化　　通用化，就是指最大限度減少與合并產(chǎn)品的型式、尺寸、材料和品種，使零件和部件盡量在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品上通用，通用化是廣義的標準化。3.系列化　　系列化，就是對于同一產(chǎn)品，為了符合不同的使用條件，在同一基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產(chǎn)品，