機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第一章 緒論 1-1機(jī)械的組成原動(dòng)機(jī)部分：將其它能量變換為機(jī)械能，是驅(qū)動(dòng)整部機(jī)器的動(dòng)力源。工作機(jī)部分：其功能是利用機(jī)械能去變換或傳遞能量、物料、信號(hào)。傳動(dòng)部分：把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鞑糠诌\(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。一臺(tái)機(jī)器包括三個(gè)基本部份： 機(jī)器由許多機(jī)械零件組合。零件是加工基本單元構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的基本單元機(jī)械設(shè)計(jì)課程：通用零件（齒輪、鏈輪、蝸輪、螺栓、螺母）和專用零件（曲軸、葉片）。圖1-1連桿體1、連桿蓋4、螺栓2和螺母3四個(gè)零件組成構(gòu)件，形成運(yùn)動(dòng)單元。 機(jī)器、零件與構(gòu)件 圖1-1內(nèi)燃機(jī)的連桿連桿體螺栓螺母連桿蓋 機(jī)構(gòu)由若干構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；通常指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)的機(jī)械。機(jī)器

2、由機(jī)構(gòu)組成。一部機(jī)器可以包含一個(gè)機(jī)構(gòu)，也可以包含幾個(gè)機(jī)構(gòu)。圖1-2單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)包含由齒輪9、齒輪10組成的齒輪機(jī)構(gòu)；由曲軸6、連桿5、活塞2組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；由凸輪7、從動(dòng)3組成的凸輪機(jī)構(gòu)等。 機(jī)構(gòu)與機(jī)器 圖1-2 內(nèi)燃機(jī) 齒輪9、齒輪10組成的齒輪機(jī)構(gòu)；由曲軸6、連桿5、活塞2組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；由凸輪7、從動(dòng)3組成的凸輪機(jī)構(gòu)等 1-2本課程研究的對(duì)象和任務(wù) 2、具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、規(guī)范、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。3、了解典型機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方法，受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本訓(xùn)練。1、掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 1-3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 機(jī)械零件失效機(jī)械零件在預(yù)定時(shí)間內(nèi)

3、和規(guī)定的條件下，不能完成正常功能。主要失效形式斷裂、過大的殘余應(yīng)變、表面磨損、腐蝕、零件表面的接觸疲勞和共振等。 失效影響因素工作條件、材質(zhì)、受載狀態(tài)及其所產(chǎn)生的應(yīng)力性質(zhì)。 為了使設(shè)計(jì)零件能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定工作條件下正常工作，設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足下面的基本要求： 或1強(qiáng)度條件機(jī)械零件設(shè)計(jì)基本要求 （5）合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低作用載荷。提高機(jī)械零件強(qiáng)度的措施（1）采用強(qiáng)度高的材料；（2）使零件具有足夠的截面尺寸；（3）合理設(shè)計(jì)機(jī)械零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；（4）采用各種熱處理和化學(xué)處理方法來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度特性； 對(duì)零件撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角等要求： yy2剛度條件 要求機(jī)械零件應(yīng)有

4、足夠的壽命。影響零件壽命的主要因素有腐蝕、磨損和疲勞。但至今還沒有提出實(shí)用且有效的腐蝕壽命計(jì)算方法。因此也無法列出腐蝕壽命的計(jì)算準(zhǔn)則。而磨損的計(jì)算目前也無簡單、可靠的定量計(jì)算方法。因此，只能采用條件性的計(jì)算。關(guān)于疲勞壽命通常是算出使用壽命時(shí)的疲勞極限來作為計(jì)算的依據(jù)。 3壽命條件 滿足強(qiáng)度和剛度要求的一批相同的零件，由于零件的工作應(yīng)力是隨機(jī)變量，故在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，并非所有的零件都能完成規(guī)定的功能，零件在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為該零件的可靠度。可靠度是衡量零件工作可靠性的一個(gè)特征量，不同零件的可靠度要求是不同的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體零件的重要程度

5、選擇適當(dāng)?shù)目煽慷取?4可靠性條件 1-4機(jī)械零件常用材料及其選用原則 機(jī)械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金，非金屬材料如塑料、橡膠等，在機(jī)械制造中也得到廣泛的應(yīng)用 。一、金屬材料 金屬材料主要指鑄鐵和鋼，它們都是鐵碳合金，它們的區(qū)別主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2%的稱為鐵。 1鑄鐵常用的鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2鋼鋼的強(qiáng)度較高，塑性較好，可通過軋制、鍛造、沖壓、焊接和鑄造方法加工各種機(jī)械零件，并且可以用熱處理和表面處理方法提高機(jī)械性能，因此其應(yīng)用極為廣泛。 材料機(jī)械性能名稱牌號(hào)抗拉強(qiáng)度b(N/mm2)屈服強(qiáng)度s(N/mm

6、2)硬度(HBS)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215Q235Q255Q275 335410375460410510490610 215235255275 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼203545 410530600 245315355 156197220合金結(jié)構(gòu)鋼18Cr 2Ni4W35SiMn40Cr40CrNiMo20CrMnTi65Mn 1187859819801079735 835510785835834430 260229247269217285 鑄鋼ZG230-450ZG270-500ZG310-570 450550570 230270310 130143153灰鑄鐵HT150HT200HT250 1451

7、95240 150200170220190240球墨鑄鐵QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2 450500600700 310320370420 160210170230190270225305 有色金屬合金具有良好的減磨性、跑合性、抗腐蝕性、抗磁性、導(dǎo)電性等特殊的性能，在工業(yè)中應(yīng)用最廣的是銅合金、軸承合金和輕合金，但有色金屬合金比黑色金屬價(jià)貴。銅合金有青銅與黃銅。3有色金屬合金 青銅錫青銅和無錫青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好。軸承合金（即簡稱巴氏合金）為銅、錫、鉛、銻的合金，其減磨性、導(dǎo)熱性、抗膠合性，但強(qiáng)度低且較貴，主要用于制作滑動(dòng)軸承的軸承襯。黃銅銅與錫的合

8、金，它具有很好的塑性和流動(dòng)性，能輾壓和鑄造各種機(jī)械零件。 二、非金屬材料非金屬材料有橡膠、塑料、陶瓷、木料、毛氈、皮革、棉絲等。1橡膠 橡膠富有彈性，有較好的緩沖、減振、耐熱、絕緣等性能，常用做聯(lián)軸器和減振器的彈性與裝置、像膠帶及絕緣材料等。 2塑料 塑料是合成高分子材料工業(yè)中生產(chǎn)最早、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的材料。塑料比重小，易制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、減摩耐磨性、絕熱性、抗振性等。常用塑料包括聚氯乙烯、聚烯烴、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料。工程塑料包括聚甲醛、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、尼龍、MC尼龍、氯化聚醚等。 3復(fù)合材料 復(fù)合材料是將兩種或兩種以

9、上不同性質(zhì)的材料通過不同的工藝方法人工合成多相的材料，它即可以保持組成材料各自原有的一些最佳特性，又可具有組合后的新特性，這樣就可根據(jù)零件對(duì)于材料性能的要求進(jìn)行材料配方的優(yōu)化組合。應(yīng)用于光、熱、電、阻尼、潤滑、生物等方面新的復(fù)合材的不斷問世，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍正得到不斷的擴(kuò)大。 4陶瓷 陶瓷材料具有高的熔點(diǎn)，溫度界限為1,2001,600，使用于現(xiàn)代機(jī)械裝設(shè)備特別是高溫機(jī)械部分。此外高硬度的陶瓷材料，具有摩擦系數(shù)小、耐磨、耐化學(xué)腐蝕、比重小、線膨脹系數(shù)小等特性，使之在精密機(jī)械中、應(yīng)用于高溫、中溫、低溫領(lǐng)域，可以作機(jī)械零件，也可以做電機(jī)零件；以機(jī)械裝置為代表使用的陶瓷材料叫工程陶瓷。 三、機(jī)械材

10、料選用的原則1載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況對(duì)于承受拉伸載荷為主的零件宜選用鋼材，承受壓縮載荷的零件應(yīng)選鑄鐵。脆性材料原則上只適用于制造承受靜載荷的零件，承受沖擊載荷時(shí)應(yīng)選擇塑性材料。從各種各樣的材料中選擇出合用的材料通常應(yīng)考慮下面的原則： 2零件的工作條件在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料，在高溫下工作的零件應(yīng)選耐熱材料，在濕熱環(huán)境下工作的零件，應(yīng)選防銹能力好的零件，如不銹鋼、銅合金等。零件在工作中有可能發(fā)生磨損之處，要提高其表面硬度，以增強(qiáng)耐磨性，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼。金屬材料的性能和通過熱處理鍋表面強(qiáng)化（如噴丸、滾壓等）來提高和改善。 3零件

11、的尺寸及質(zhì)量 零件的尺寸的大小及質(zhì)量好壞與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)，對(duì)外形復(fù)雜、尺寸較大的零件，若考慮用鑄造毛坯，則應(yīng)選用適合鑄造的材料；若考慮用焊接毛坯，則應(yīng)選用焊接性能較好的材料；尺寸小、外形簡單、批量大的零件，適于沖壓和模鍛，所選材料就應(yīng)具有較好的塑性。 4經(jīng)濟(jì)性 選擇零件材料時(shí)，當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)選擇價(jià)格高的材料，這對(duì)于大批量制造的零件尤為重要。此外還應(yīng)考慮加工成本及維修費(fèi)用。為了簡化供應(yīng)和儲(chǔ)存的材料品種，對(duì)于小批制造的零件，應(yīng)盡可能減少同一部設(shè)備上使用的材料品種和規(guī)格，使綜合經(jīng)濟(jì)效益最高。 1-5機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求及程序 1功能要求 滿足機(jī)器預(yù)定的工作要求

12、，如機(jī)器工作部分的運(yùn)動(dòng)形式、速度、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性、需要傳遞的功率，以及某些使用上的特殊要求（如高溫、防潮等）。一、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 2安全可靠性要求（1）使整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)和零件在規(guī)定的外載荷和規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，能正常工作而不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損、不喪失穩(wěn)定性。（2）能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的防護(hù)，保證人身安全和身體健康。（3）對(duì)于周圍環(huán)境和人不造成危害和污染，同時(shí)要保證機(jī)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 3經(jīng)濟(jì)性在產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，必須把產(chǎn)品設(shè)計(jì)、銷售及制造三方面作為一個(gè)系統(tǒng)工程來考慮，用價(jià)值工程理論指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，正確使用材料，采用合理的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝，以降低產(chǎn)品的成本。設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)和零部件時(shí)，應(yīng)盡可能

13、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低制造成本。 4其他要求使機(jī)械系統(tǒng)外形美觀，便于操作和維修。此外還必須考慮有些機(jī)械由于工作環(huán)境和要求的不同，而對(duì)設(shè)計(jì)提出某些特殊要求，如食品衛(wèi)生條件、耐腐蝕、高精度要求等。 二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序 機(jī)械設(shè)計(jì)就是建立滿足功能要求的技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)造過程。機(jī)械設(shè)計(jì)一般過程如圖1-3所示。 明確任務(wù)調(diào)查研究可行性論證總體設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)樣機(jī)試制修改圖紙及工藝批量正式生產(chǎn) 1明確設(shè)計(jì)任務(wù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)為實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的有目的的活動(dòng)，因此正確地決定設(shè)計(jì)目標(biāo)（任務(wù)）是設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。明確設(shè)計(jì)任務(wù)包括定出技術(shù)系統(tǒng)的總體目標(biāo)和各項(xiàng)具體的技術(shù)要求，這是設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)價(jià)、決策的依據(jù)

14、。 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)研究?？傮w設(shè)計(jì)包括確定工作部分的運(yùn)動(dòng)和阻力，選擇原動(dòng)機(jī)的種類和功率，選擇傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算，確定各級(jí)傳動(dòng)比和各軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。總體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到機(jī)械的操作、維修、安裝、外廓尺寸等要求，確定機(jī)械系統(tǒng)各主要部件之間的相對(duì)位置關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。人機(jī)環(huán)境之間的合理關(guān)系。2總體設(shè)計(jì) 技術(shù)設(shè)計(jì)又稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，確定機(jī)械性系統(tǒng)各零部件的材料、形狀、數(shù)量、空間相互位置、尺寸、加工和裝配，并進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度、可靠性設(shè)計(jì)，若有幾種方案時(shí)，需進(jìn)行評(píng)價(jià)決策最后選擇最優(yōu)方案。3技術(shù)設(shè)計(jì) 技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮加工條件、現(xiàn)有材料、

15、各種標(biāo)準(zhǔn)零部件、相近機(jī)器的通用件。技術(shù)設(shè)計(jì)是保證質(zhì)量、提高可靠性、降低成本的重要工作和技術(shù)設(shè)計(jì)還需繪制總裝配圖、部件裝配圖、編制設(shè)計(jì)說明書等。技術(shù)設(shè)計(jì)是從定性到定量、從抽象到具體、從粗略到詳細(xì)地給設(shè)計(jì)過程。 4樣機(jī)試制樣機(jī)試制階段是通過樣機(jī)制造、樣機(jī)試驗(yàn)、檢查機(jī)械系統(tǒng)的功能及整機(jī)、零部件的強(qiáng)度、剛度、運(yùn)轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)穩(wěn)定性、噪聲等方面的性能，隨時(shí)檢查及修正設(shè)計(jì)圖紙，以更好的滿足設(shè)計(jì)要求。 5批量正式生產(chǎn)批量正式生產(chǎn)階段是根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)、使用、測(cè)試、鑒定所暴露的問題，進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)，以保證完成系統(tǒng)功能，同時(shí)驗(yàn)證各工藝的正確性，以提高生產(chǎn)率、降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是智力活動(dòng)過程，它體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維活動(dòng)，設(shè)計(jì)過程是逐步逼近解答方案的并逐步完善的過程。設(shè)計(jì)過程中還有注意幾點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)過程要有全局觀點(diǎn)。（2）善于運(yùn)用創(chuàng)造形思維和方法。（3）設(shè)計(jì)的各階段注意評(píng)價(jià)和優(yōu)選。（4）要注意反饋及必要的工作循環(huán)。