机械设计基础配套课件.ppt

1、机机 械械 设设 计计 基基 础础 第一章第一章 绪绪 论论 从一个机械设计师的角度出发，运用本课程的内容从一个机械设计师的角度出发，运用本课程的内容和方法去分析问题和解决问题。和方法去分析问题和解决问题。 本章要点包括：本章要点包括： 1. 机械的组成。机械的组成。 2. 机械设计的基本要求和一般程序。机械设计的基本要求和一般程序。 3. 机械零件设计的基本知识和设计机械零件设计的基本知识和设计方法方法。本课程的研究对象本课程的研究对象：机械机械 机械为机械为机器机器与与机构机构的总称的总称第一节 机械的组成一、机器机器 工厂中：车床、刨床、铣床、磨床等机加工设备。工厂中：车床、刨床、铣床、

2、磨床等机加工设备。 农村中：拖拉机、收割机等。农村中：拖拉机、收割机等。 家庭中：冰箱、洗衣机、自行车等家庭中：冰箱、洗衣机、自行车等。 机器具有以下共同特征：机器具有以下共同特征：（1）机器的主体是若干机构的组合；）机器的主体是若干机构的组合；（2）用于传递运动和动力；）用于传递运动和动力；（3）具有变换或传递能量、物料或信息的功能。）具有变换或传递能量、物料或信息的功能。二、二、机构机构 机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运动，但不具备机器的变换或传递能量、物料、信息的功能。动，但不具备机器的变换或传递能量、物料、信息的功能。 常用机

3、构：常用机构： 连杆机构、凸轮机构、间歇机构、齿轮机构等。连杆机构、凸轮机构、间歇机构、齿轮机构等。连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构间歇机构间歇机构三、构件和零件三、构件和零件1. 构件构件 机构中作相对运动的各个运动单元称为构件。机构中作相对运动的各个运动单元称为构件。 构件是运动的单元：可能是单一的刚体或是多个零件构件是运动的单元：可能是单一的刚体或是多个零件的刚性组合。如；内燃机中的连杆。的刚性组合。如；内燃机中的连杆。连杆1连杆体；2连杆盖；3、4、5轴瓦；6螺栓；7螺母；8销2. 零件零件零件是零件是机器中机器中的制造单元。制造单元。零件分为两类零件分为两类： （1）

4、通用零件通用零件：各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、键、带轮、齿轮等。键、带轮、齿轮等。 （2）专用零件专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如内特定类型机器中所使用的零件，如内燃机中的活塞、燃机中的活塞、凸轮、凸轮、洗衣机中的波轮、洗衣机中的波轮、叶片、吊钩等叶片、吊钩等。 2. 研究各种通用机械零件（连接件、传动件、轴系件研究各种通用机械零件（连接件、传动件、轴系件等）的结构、特点及工作原理、选用原则、设计和计算方等）的结构、特点及工作原理、选用原则、设计和计算方法、使用及维护等。法、使用及维护等。四、本课程研究的内容四、本课程研究的内容 1. 常用机构（

5、平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、常用机构（平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构）的组成形式和运动特性、选用原则，以间歇运动机构）的组成形式和运动特性、选用原则，以及机器动力学基础知识。及机器动力学基础知识。2. 零件零件零件是零件是机器中机器中的制造单元。制造单元。零件分为两类零件分为两类： （1）通用零件通用零件：各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、键、带轮、齿轮等。键、带轮、齿轮等。 （2）专用零件专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如内特定类型机器中所使用的零件，如内燃机中的活塞、燃机中的活塞、凸轮、凸轮、洗衣机中的波轮、洗衣机中的波轮、叶片

6、、吊钩等叶片、吊钩等。第二节第二节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 机械设计是根据用户的需求，创造性地设计和制造出具机械设计是根据用户的需求，创造性地设计和制造出具有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求 （1 1）使用要求：根据预期的使用功能，确定机构的组合。）使用要求：根据预期的使用功能，确定机构的组合。 （2 2）经济性要求：机械的经济性体现在设计、制造和使用）经济性要求：机械的经济性体现在设计、制造和使用的全过程。的全过程。 （3 3）人、机和环境要求：所设计的机械应使人、机和

7、环境）人、机和环境要求：所设计的机械应使人、机和环境所组成的系统关系协调。所组成的系统关系协调。 （4 4）可靠性要求：机械在规定的环境条件下和规定的使用）可靠性要求：机械在规定的环境条件下和规定的使用期限内，完成规定功能的一种特性。期限内，完成规定功能的一种特性。 （5 5）其它要求：不同的机械还有一些特殊的要求：）其它要求：不同的机械还有一些特殊的要求：如机床如机床有长期保持精度的要求；飞机有减轻质量的要求；食品机械有有长期保持精度的要求；飞机有减轻质量的要求；食品机械有防止污染的要求等。防止污染的要求等。产品规划产品规划结构方案设计结构方案设计原理方案设计原理方案设计技术技术设计设计施工

8、设计施工设计可行性报告可行性报告设计任务书设计任务书原理方案图原理方案图结构设计草图结构设计草图总装配图总装配图部装图、零件图部装图、零件图技术文档技术文档投产和售后服务投产和售后服务二、机械设计的一般程序二、机械设计的一般程序 二、机械设计的一般过程二、机械设计的一般过程 1 1. .产品规划阶段产品规划阶段 根据市场预测、用户需求调查和可行性分析，制定出机器根据市场预测、用户需求调查和可行性分析，制定出机器的设计任务书。的设计任务书。 2 2. .方案设计阶段方案设计阶段 方案设计是在功能分析的基础上，确定机器的工作原理和方案设计是在功能分析的基础上，确定机器的工作原理和技术要求，拟定机器

9、的总体布置、传动方案和机构运动简图。技术要求，拟定机器的总体布置、传动方案和机构运动简图。 3 3. .技术设计技术设计阶段阶段 将机器的功能原理方案具体化为机械及零部件的合理结构，将机器的功能原理方案具体化为机械及零部件的合理结构，最后画出总体设计图。最后画出总体设计图。 4 4. .施工设计阶段施工设计阶段 进行总装配图、部件装配图和零件工作图的设计，完成全进行总装配图、部件装配图和零件工作图的设计，完成全部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件。部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件。第三节第三节 机械零件的主要失效形式和计算准则 一、一、机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形

10、式 失效：失效：机械零件由于各种原因造成丧失正常工作能力机械零件由于各种原因造成丧失正常工作能力的现象的现象。1. 断裂断裂1）过载断裂）过载断裂 零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时，造成的强度极限时，造成过载过载断裂失效。断裂失效。 2）疲劳断裂）疲劳断裂 零件在循环变应力作用下零件在循环变应力作用下，长时间工作的零件，容易发生长时间工作的零件，容易发生疲劳断裂疲劳断裂。如：齿轮轮齿根部如：齿轮轮齿根部的折断的折断。2. 过大的残余变形过大的残余变形 当作用在零件上的应力超过材料的屈服极限当作用在零件上的应力超过材料的

11、屈服极限s时，零时，零件将产生塑性变形。塑性变形改变零件的形状和尺寸，破件将产生塑性变形。塑性变形改变零件的形状和尺寸，破坏零件间的配合关系。坏零件间的配合关系。 3. 表面失效表面失效磨损磨损1) 2) 腐蚀腐蚀3) 疲劳点蚀疲劳点蚀4. 破坏正常工作条件而引起的失效破坏正常工作条件而引起的失效1) 带传动的过载打滑带传动的过载打滑2) 重载齿轮传动、重载齿轮传动、 蜗杆传动的齿面胶合与磨损蜗杆传动的齿面胶合与磨损磨损磨损疲劳点蚀疲劳点蚀二、机械零件的计算准则二、机械零件的计算准则 计算准则：计算准则：针对不同失效形式建立的判定零件工作针对不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为工作能

12、力计算准则能力的条件，称为工作能力计算准则。 1. 强度准则：强度准则：零件在外载荷作用下所产生的最大应零件在外载荷作用下所产生的最大应力力不超过零件的许用应力不超过零件的许用应力。 由于强度不足会引起机械零件断裂、塑性变形、疲由于强度不足会引起机械零件断裂、塑性变形、疲劳点蚀。劳点蚀。强度条件：强度条件： slim 2. 刚度准则：机械零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则：机械零件抵抗弹性变形的能力。刚度条件：刚度条件： yy3. 寿命准则寿命准则影响零件寿命的主要因素是磨损、疲劳和腐蚀。影响零件寿命的主要因素是磨损、疲劳和腐蚀。1）耐磨性）耐磨性 摩擦与磨损与零件的结构、摩擦副材料、热处理方摩

13、擦与磨损与零件的结构、摩擦副材料、热处理方式、润滑条件等诸多因素有关，设计时应运用摩擦学原式、润滑条件等诸多因素有关，设计时应运用摩擦学原理，综合考虑上述因素。理，综合考虑上述因素。2）疲劳寿命）疲劳寿命应按使用寿命的疲劳极限进行计算。应按使用寿命的疲劳极限进行计算。3）腐蚀寿命）腐蚀寿命 目前尚无计算方法，选材时应根据防腐要求确定。目前尚无计算方法，选材时应根据防腐要求确定。 4. 振动稳定性准则：振动稳定性准则：设计时使机器中受激振作用的各设计时使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振频率错开，以避免产生共振。零件的固有频率与激振频率错开，以避免产生共振。 剧烈振动会影响机器的工作质量和

14、运转精度，当机器剧烈振动会影响机器的工作质量和运转精度，当机器的自振频率与干扰频率一致时，会发生共振，振幅急剧增的自振频率与干扰频率一致时，会发生共振，振幅急剧增大，使零件失去稳定性，使机器或零件损坏。大，使零件失去稳定性，使机器或零件损坏。 对高速转动零件应作振动稳定性计算，避开共振区。对高速转动零件应作振动稳定性计算，避开共振区。 5. 热平衡准则：零件的工作温度过高或由于摩擦生热热平衡准则：零件的工作温度过高或由于摩擦生热而形成高温，会使零件产生热变形、热应力，破坏正常的而形成高温，会使零件产生热变形、热应力，破坏正常的润滑条件，造成胶合破坏。润滑条件，造成胶合破坏。 对连续工作的蜗杆传

15、动、滑动轴承通常需进行热平衡对连续工作的蜗杆传动、滑动轴承通常需进行热平衡计算。计算。 三、机械零件设计的一般步骤三、机械零件设计的一般步骤 机械零件设计的一般步骤为机械零件设计的一般步骤为： （1 1）根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的）根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的结构。结构。 （2 2）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择材料）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择材料和热处理方式。和热处理方式。 （3 3）根据零件的工作情况建立零件的计算简图，计算作用）根据零件的工作情况建立零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。在零件上的载荷。 （4 4）分析零

16、件工作时可能出现的失效形式，确定满足零件）分析零件工作时可能出现的失效形式，确定满足零件工作能力的计算准则，并计算出零件的主要尺寸。工作能力的计算准则，并计算出零件的主要尺寸。 （5 5）根据工艺性及标准化等原则，进行零件的结构设计。）根据工艺性及标准化等原则，进行零件的结构设计。 （6 6）绘制出零件工作图，编制设计计算说明书。）绘制出零件工作图，编制设计计算说明书。 四、机械零件的设计方法四、机械零件的设计方法 （1） 理论设计理论设计 1）设计计算）设计计算 ：按设计公式直接求得零件的主要尺寸按设计公式直接求得零件的主要尺寸。 2）校核计算）校核计算 ：已知零件的各部分尺寸，校核其是否能

17、满足已知零件的各部分尺寸，校核其是否能满足有关的设计准则。有关的设计准则。 （2） 经验设计：经验设计：根据对同类零件已有的设计与使用实践，归根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。纳出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。 机械设计方法机械设计方法：常规设计方法常规设计方法、现代设计方法。现代设计方法。 1 1常规设计方法常规设计方法以经验为基础，以力学分析或实验形成的公式、经验数据、标准以经验为基础，以力学分析或实验形成的公式、经验数据、标准和规范作为设计依据，采用经验公式、模型或类比等的设计方法。和规范作为设计依据，采用

18、经验公式、模型或类比等的设计方法。 （3） 模型实验设计：对于尺寸很大，结构复杂，工况条件特模型实验设计：对于尺寸很大，结构复杂，工况条件特殊，又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或殊，又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或样机样机设计设计。 2 2现代设计方法现代设计方法 随着新材料、新工艺、新技术等的不断涌现，推动机械产品向大随着新材料、新工艺、新技术等的不断涌现，推动机械产品向大功率、高速度、高精度和自动化方向发展，产生了机械设计的现代设功率、高速度、高精度和自动化方向发展，产生了机械设计的现代设计方法计方法。 主要表现在：主要表现在： （1）发展光机电一体化

19、技术，提高机器的效率、生产率和自动化）发展光机电一体化技术，提高机器的效率、生产率和自动化程度。程度。 （2）采用断裂力学、有限元方法、摩擦学、统计强度理论、相似）采用断裂力学、有限元方法、摩擦学、统计强度理论、相似理论、模拟仿真技术、模态分析技术、监测技术等新的理论和技术，理论、模拟仿真技术、模态分析技术、监测技术等新的理论和技术，使设计结果更加符合实际。使设计结果更加符合实际。 （3）采用优化设计、可靠性设计和价值设计等方法，提高机械的）采用优化设计、可靠性设计和价值设计等方法，提高机械的性能，降低成本。性能，降低成本。 （4）利用计算机运算快速、准确，具有存储和逻辑判断功能等特）利用计算

20、机运算快速、准确，具有存储和逻辑判断功能等特点，并与图形分析、自动绘图等相结合，在人机交互作用下进行计算点，并与图形分析、自动绘图等相结合，在人机交互作用下进行计算机辅助设计（机辅助设计（CAD）。）。 第五节第五节 机械制造中常用材料及选择机械制造中常用材料及选择一一、常用材料常用材料1. 金属材料金属材料1）铸铁）铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，区别在于含碳量不同。铸铁和钢都是铁碳合金，区别在于含碳量不同。 铸铁是脆性材料，强度低、耐磨性差、不能碾压和锻造。铸铁是脆性材料，强度低、耐磨性差、不能碾压和锻造。但易熔性、流动性好，具有良好的铸造工艺性。另外具有减但易熔性、流动性好，具有良好的铸造工艺

21、性。另外具有减震性，价格便宜。震性，价格便宜。 铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为1：4，故铸件在结构，故铸件在结构上应尽量受压不受拉。上应尽量受压不受拉。 铸铁常用于制造大型、形状复杂的零件。如：机床床身、铸铁常用于制造大型、形状复杂的零件。如：机床床身、机座、箱体等。机座、箱体等。第五节 机械零件的常用材料和选择原则一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料 机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理可查阅机械设计手册。常用材料的牌号、性能及热处理可查阅机械设计手册。1. 钢钢

22、 钢的种类很多，按化学成分分为碳素钢和合金钢；按用钢的种类很多，按化学成分分为碳素钢和合金钢；按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按质量分为普通钢、途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按质量分为普通钢、优质钢和高级优质钢；按脱氧程度分为镇静钢、半镇静钢和优质钢和高级优质钢；按脱氧程度分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。钢是机械制造中应用最广泛的材料，制造机械零件沸腾钢。钢是机械制造中应用最广泛的材料，制造机械零件时可以轧制、锻造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理时可以轧制、锻造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理方法获得较高的力学性能或改善加工性能。方法获得较高的力学性能或改善加工性能。 铸铁是碳

23、的质量分数大于铸铁是碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。根据碳在的铁碳合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁分为白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁中存在形式的不同，铸铁分为白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁，根据铸铁中石墨形态的不同分为：灰铸铁，石墨呈片铸铁，根据铸铁中石墨形态的不同分为：灰铸铁，石墨呈片状；可锻铸铁，石墨呈团絮状；球墨铸铁，石墨呈球状；蠕状；可锻铸铁，石墨呈团絮状；球墨铸铁，石墨呈球状；蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。墨铸铁，石墨呈蠕虫状。3. 有色金属合金有色金属合金 有色金属合金具有良好的减摩性、跑合性、抗腐蚀性、有色金属合金具有良好的减摩性、跑合性、抗腐蚀性、抗磁性和导电性等，在机械制造中常

24、用的有铜合金、铝合金抗磁性和导电性等，在机械制造中常用的有铜合金、铝合金和轴承合金等。由于产量少、价格较贵，应节约使用。和轴承合金等。由于产量少、价格较贵，应节约使用。2. 铸铁铸铁 灰铸铁属脆性材料，抗拉性差，但抗压性、耐磨性和抗灰铸铁属脆性材料，抗拉性差，但抗压性、耐磨性和抗振性较好，价格便宜，通常用作机架和壳体。振性较好，价格便宜，通常用作机架和壳体。 球墨铸铁是使铸铁中的石墨呈球状，球墨铸铁的强度较球墨铸铁是使铸铁中的石墨呈球状，球墨铸铁的强度较灰铸铁高，且有一定的塑性，可代替铸钢和锻钢制造零件。灰铸铁高，且有一定的塑性，可代替铸钢和锻钢制造零件。4非金属材料非金属材料 橡胶是在生胶（

25、天然橡胶或合成橡胶）中加入适量的硫化剂和配合橡胶是在生胶（天然橡胶或合成橡胶）中加入适量的硫化剂和配合剂组成的高分子弹性体。剂组成的高分子弹性体。 机械制造中的非金属材料有塑料、橡胶、陶瓷、木料、皮革等。机械制造中的非金属材料有塑料、橡胶、陶瓷、木料、皮革等。 （1）工程塑料）工程塑料 工程上用于制造机械零件、工程结构件的塑料，称为工程塑料。优点工程上用于制造机械零件、工程结构件的塑料，称为工程塑料。优点为：质轻、比强度高，耐腐蚀性能、减摩性与自润滑性能良好，绝缘性为：质轻、比强度高，耐腐蚀性能、减摩性与自润滑性能良好，绝缘性、耐电弧性、隔声性、吸振性优，工艺性好。缺点为：强度、硬度、刚、耐电

26、弧性、隔声性、吸振性优，工艺性好。缺点为：强度、硬度、刚度低，耐热性、导热性差，热膨胀系数大，易燃烧，易老化等。度低，耐热性、导热性差，热膨胀系数大，易燃烧，易老化等。 工程塑料可用于制造齿轮、蜗轮、轴承、密封件、各种耐磨、耐腐、工程塑料可用于制造齿轮、蜗轮、轴承、密封件、各种耐磨、耐腐、绝缘等零件。绝缘等零件。（2）橡胶）橡胶 橡胶橡胶具有具有高弹性高弹性、较高的韧性较高的韧性、化学稳定性、耐蚀性、耐磨性、吸化学稳定性、耐蚀性、耐磨性、吸振性、密封性振性、密封性，能与金属、线织物、石棉等材料相连接。能与金属、线织物、石棉等材料相连接。 橡胶按用途分为通用橡胶和特种橡胶两类。通用橡胶用于制造传

27、动橡胶按用途分为通用橡胶和特种橡胶两类。通用橡胶用于制造传动件、减振、防振件和密封件等；特种橡胶用于制造在特殊环境下工作的件、减振、防振件和密封件等；特种橡胶用于制造在特殊环境下工作的制品，如耐磨件、散热管、电绝缘件、高级密封件、耐热零件等。制品，如耐磨件、散热管、电绝缘件、高级密封件、耐热零件等。5新新材料材料 近年来出现了许多新型材料，如复合材料、纳米材料和其他功近年来出现了许多新型材料，如复合材料、纳米材料和其他功能材料。能材料。 （1） 复合材料复合材料：复合材料由基体材料与增强材料组成复合材料由基体材料与增强材料组成，它具，它具有：有：密度小，比强度、比弹性模量高；抗疲劳性能、高温性

28、能好；密度小，比强度、比弹性模量高；抗疲劳性能、高温性能好；具有隔热、耐磨、耐蚀、减振性及特殊的光、电、磁方面的特性。具有隔热、耐磨、耐蚀、减振性及特殊的光、电、磁方面的特性。 常用复合材料有碳纤维树脂复合材料、玻璃钢、金属陶瓷等。常用复合材料有碳纤维树脂复合材料、玻璃钢、金属陶瓷等。 （2）金属陶瓷是一种将颗粒状的增强体均匀分散在基体内得到）金属陶瓷是一种将颗粒状的增强体均匀分散在基体内得到的复合材料。的复合材料。 金属陶瓷常用作耐高温零件及切削加工刀具的材料。金属陶瓷常用作耐高温零件及切削加工刀具的材料。 （3）纳米材料又称超微细材料，其核子粒径范围在）纳米材料又称超微细材料，其核子粒径范

29、围在1100nm（1nm=10-9m）之间）之间，纳米材料具有优异的电、磁、光、力学、化纳米材料具有优异的电、磁、光、力学、化学等特性，作为一种新型材料，在机械、电子、冶金、宇航、生物学等特性，作为一种新型材料，在机械、电子、冶金、宇航、生物等领域有广泛的应用前景。等领域有广泛的应用前景。二、二、机械零件常用材料的选择原则机械零件常用材料的选择原则 机械零件的使用性能、工作可靠性和经济性与材料的选择有很机械零件的使用性能、工作可靠性和经济性与材料的选择有很大关系。因此，设计师在选择材料时，应充分了解材料的性能和适大关系。因此，设计师在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用

30、、工艺和经济性等要求。用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。 1使用要求使用要求 为保证机械零件不失效，应根据零件所承受载荷的大小、性质为保证机械零件不失效，应根据零件所承受载荷的大小、性质以及应力状态，对零件尺寸及质量的限制，针对零件的重要程度，以及应力状态，对零件尺寸及质量的限制，针对零件的重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧度、吸振性能等力学对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧度、吸振性能等力学性能方面的要求。同时，由于零件工作环境等其他要求，对材料可性能方面的要求。同时，由于零件工作环境等其他要求，对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学

31、性能能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求。方面的要求。 2工艺要求工艺要求 选择零件材料时必须考虑到制造工艺的要求。选择零件材料时必须考虑到制造工艺的要求。 3经济性要求经济性要求 从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能地选用从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能地选用价格低廉、资源丰富的材料。价格低廉、资源丰富的材料。第六节机械零件的制造工艺性及标准化 一、一、 机械零件的工艺性机械零件的工艺性 设计师设计师在在设计机械零部件的结构设计机械零部件的结构时时，必须考虑结构的工艺性。，必须考虑结构的工艺性。在保证使用功能的前提下，力求所设计的零

32、部件在制造过程中生产在保证使用功能的前提下，力求所设计的零部件在制造过程中生产率高、材料消耗少、生产成本低、能源消耗少。率高、材料消耗少、生产成本低、能源消耗少。同时同时，设计师，设计师还还必必须了解零件的制造工艺，从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配须了解零件的制造工艺，从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。以及维修等环节考虑有关的工艺问题。 零件结构工艺性的好坏零件结构工艺性的好坏关系机器关系机器的的性能和性能和经济性经济性，关于零件工关于零件工艺性方面的知识，读者可以查阅机械设计手册和相关书籍。艺性方面的知识，读者可以查阅机械设计手册和相关书籍。二、机械设

33、计中的标准化二、机械设计中的标准化 零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策。项重要的技术经济政策。 1通用化是在通用化是在设计设计系列产品系列产品时时，采用同一结构和尺寸的零部，采用同一结构和尺寸的零部件。它可以减少产品的规格、形状、尺寸和材料品种等，实现通用件。它可以减少产品的规格、形状、尺寸和材料品种等，实现通用互换。互换。 2系列化是将产品尺寸和结构按尺寸大小分档，按一定规律系列化是将产品尺寸和结构按尺寸大小分档，按一定规律优化组合成产品系列，以减少产品型号数目，系列化是标准化的重优化组合成产品系列

34、，以减少产品型号数目，系列化是标准化的重要内容。要内容。 3标准化标准化是为了是为了减轻设计工作量，把主要精力用于关键零部减轻设计工作量，把主要精力用于关键零部件的创新设计；件的创新设计；由由专门工厂集中生产标准零部件，利于降低成本，专门工厂集中生产标准零部件，利于降低成本，提高互换性；改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于维修提高互换性；改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于维修和更换。和更换。 我国现行标准分为国家标准（强制性标准：我国现行标准分为国家标准（强制性标准：GB，推荐性标准：推荐性标准：GB/T）、行业标准（如）、行业标准（如JB、YB等）和企等）和企业标准三个等级。随

35、着我国加入业标准三个等级。随着我国加入 WTO 后，为了增强我后，为了增强我国产品在国际市场的竞争力，我国的标准化工作正在与国产品在国际市场的竞争力，我国的标准化工作正在与国际标准化组织的标准国际标准化组织的标准ISO接轨。接轨。 在机械设计中采用标准零件，在试验和检验中采用在机械设计中采用标准零件，在试验和检验中采用标准方法，对零件的设计参数采用标准数值，将会提高标准方法，对零件的设计参数采用标准数值，将会提高产品的设计质量和经济效益。产品的设计质量和经济效益。 一、课程性质课程性质 “机械设计基础机械设计基础”是一门技术基础课程，主要研究机是一门技术基础课程，主要研究机器中常用机构和通用零

36、件的工作原理、结构特点、基本的器中常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计原理和计算方法。通过本课程的学习，可以使学生能设计原理和计算方法。通过本课程的学习，可以使学生能综合运用先修课程的知识（如机械制图、机械制造基础、综合运用先修课程的知识（如机械制图、机械制造基础、理论力学、材料力学等），培养学生初步具有简单机械传理论力学、材料力学等），培养学生初步具有简单机械传动装置的设计能力，为进一步学习专业课和今后从事机械动装置的设计能力，为进一步学习专业课和今后从事机械设计工作打下基础。设计工作打下基础。第七节 本课程的内容、性质和任务二、二、基本要求基本要求 （1）掌握常用机构的组成、

37、运动特性，初步具有）掌握常用机构的组成、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。对机械动力学的基本知分析和设计常用机构的能力。对机械动力学的基本知识有所了解。识有所了解。 （2）掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、）掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等知识，并具有设计简单机械传动装设计计算和维护等知识，并具有设计简单机械传动装置的能力。置的能力。 （3）具有应用标准、规范、手册、图册等有关技）具有应用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。术资料的能力。 （4）获得实验技能的初步训练。）获得实验技能的初步训练。 第二章第二章 平平 面面 机机 构构 的的 结结 构构

38、 分分 析析第二章 平面机构的结构分析机构机构平面机构：机构中所有构件都位于同一平平面机构：机构中所有构件都位于同一平 面内或相互平行平面内的机构面内或相互平行平面内的机构 空间机构空间机构本章只介绍平面机构。本章只介绍平面机构。重点内容：重点内容： 2绘制机构简图绘制机构简图 3计算机构的自由度计算机构的自由度1机构的组成原理机构的组成原理 机构是由若干构件用运动副相互连接组成的，因机构是由若干构件用运动副相互连接组成的，因此，构件和运动副是组成机构的两大基本要素。此，构件和运动副是组成机构的两大基本要素。第一节 平面机构的组成一、构件一、构件：构件是组成机构的最小运动单元。构件是组成机构的

39、最小运动单元。机构中的构件分为机架、原动件和从动件三类。机构中的构件分为机架、原动件和从动件三类。 在一个机构中，只有一个构件作为机架。在活动在一个机构中，只有一个构件作为机架。在活动构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件为为从动件。从动件。 （1）机架（固定件）机架（固定件） ：用来支用来支承活动构件的构件称为机架。承活动构件的构件称为机架。如：如：内燃机的缸体。内燃机的缸体。 （2）原动件：驱动力所作用的原动件：驱动力所作用的构件，其运动规律已知。如：内燃构件，其运动规律已知。如：内燃机的活塞。机的活塞。 （3）从动件：机构中随原动件从动件

40、：机构中随原动件运动的其余活动构件。如：内燃机运动的其余活动构件。如：内燃机中中的连杆、曲柄。的连杆、曲柄。二、构件的自由度和约束二、构件的自由度和约束1 1构件的自由度构件的自由度定义定义：构件可能出现的独立自由运动。构件可能出现的独立自由运动。 （1 1） 空间的自由构件空间的自由构件 具有六个自由度具有六个自由度如：飞行着的飞机如：飞行着的飞机 （2 2）平面的自由构件平面的自由构件 具有三个自由度具有三个自由度xyz 2约束约束 约束约束：对构件独立运动所加的限制。对构件独立运动所加的限制。 约束是由两构件直接接触而产生的，不同的接触约束是由两构件直接接触而产生的，不同的接触方式可产生

41、不同的约束。当构件受到约束时，其自由方式可产生不同的约束。当构件受到约束时，其自由度随之减少。度随之减少。三、运动副及其分类三、运动副及其分类 运动副：运动副：两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。称为运动副。 （1）转动副转动副 约束了两个方向的移动自由度，约束了两个方向的移动自由度，只保留一个在平面内转动的自由度。只保留一个在平面内转动的自由度。（2）移动副移动副 约束了沿一个方向的移动自由度约束了沿一个方向的移动自由度和在平面内的转动自由度，只保留一和在平面内的转动自由度，只保留一个方向的移动的自由度。个方向的移动的自由度。 根据两构

42、件间接触方式的不同，运动副可分为低副和高根据两构件间接触方式的不同，运动副可分为低副和高副两大类。副两大类。1低副低副：两构件通过面接触所构成的运动副称为低副两构件通过面接触所构成的运动副称为低副2高副高副高副高副：构件通过点或线接触组成的运动副构件通过点或线接触组成的运动副。平面高副平面高副a) 车轮与钢轨车轮与钢轨 b) 凸轮副凸轮副 c) 齿轮副齿轮副机械中常见高副机械中常见高副：如：如车轮车轮1与钢轨组成与钢轨组成的运动的运动副副、 凸轮副和齿轮副。凸轮副和齿轮副。3空间运动副空间运动副（1）球面副球面副（2） 螺旋副螺旋副球面副和螺旋副a) 球面副 b) 螺旋副 四、高副与低副的比较

43、四、高副与低副的比较 1. 在高副连接中，构件间为点接触或线接触，接触应在高副连接中，构件间为点接触或线接触，接触应力大，易磨损。力大，易磨损。 低副连接中，构件间为面接触，承载能力高。故重低副连接中，构件间为面接触，承载能力高。故重型机械中多采用低副连接。如：轧钢机中的滑动轴承。型机械中多采用低副连接。如：轧钢机中的滑动轴承。 2. 在传递和转换各种复杂运动方面，高副比低副优在传递和转换各种复杂运动方面，高副比低副优越，且结构简单，在自动机床中多采用高副连接。如：凸越，且结构简单，在自动机床中多采用高副连接。如：凸轮机构。轮机构。 3. 低副构件的加工面多为圆柱面或平面，易于加工。低副构件的

44、加工面多为圆柱面或平面，易于加工。第二节 平面机构的运动简图 机构运动简图：机构运动简图：用简单的线条和规定的符号来表示用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置。这构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置。这种表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形，称为种表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图。其图形未按照精确比例绘制的简图称为机构运动简图。其图形未按照精确比例绘制的简图称为机构示意图。机构示意图。1运动副表示方法运动副表示方法平面运动副的表平面运动副的表示示符号符号一、构件与运动副的表示方法一、构件与运动副的表示方法 常用的运动副类

45、型及表示符号见表常用的运动副类型及表示符号见表2-1。其余运动副。其余运动副和构件的表示方法可参见国家标准和构件的表示方法可参见国家标准GB/T 4460-1984。2构件表示方法构件表示方法两副构件两副构件三副构件三副构件机架机架同一构件同一构件3. 机构简图机构简图圆柱齿轮机构圆柱齿轮机构锥齿轮机构锥齿轮机构蜗杆蜗轮机构蜗杆蜗轮机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构二、机构运动简图的绘制方法二、机构运动简图的绘制方法 机构的运动仅与组成机构的构件数目、运动副的类型和机构的运动仅与组成机构的构件数目、运动副的类型和数目及相对位置有关，而与机构的复杂外形和具体结构无关。数目及相对位置有关，而与机构的复杂

46、外形和具体结构无关。连杆简图连杆简图绘制机构简图的步骤：绘制机构简图的步骤： （1）分析机构的运动，认清固定分析机构的运动，认清固定件、原动件和从动件。件、原动件和从动件。 （2）按照运动的传递顺序，确定按照运动的传递顺序，确定构件的数目及运动副的类型和数目。构件的数目及运动副的类型和数目。 （3）合理选择视图，并确定一个合理选择视图，并确定一个瞬时的机构位置。瞬时的机构位置。 （4）选择适当的比例尺，测定各运动副中心之间的相选择适当的比例尺，测定各运动副中心之间的相对位置和尺寸。对位置和尺寸。 （5）从原动件开始，按照活动构件间运动传递的顺序，从原动件开始，按照活动构件间运动传递的顺序，用选

47、定的比例尺和规定的构件与运动副的符号，绘制机构用选定的比例尺和规定的构件与运动副的符号，绘制机构运动简图。运动简图。举例：举例：内燃机内燃机1汽缸汽缸 2活塞活塞 3连杆连杆 4曲轴曲轴 5、6齿轮齿轮 7凸轮凸轮 8顶杆顶杆压力机压力机a）结构图结构图 c）机构运动简图）机构运动简图1电动机电动机 2、3带轮带轮 4连杆连杆 5曲轴曲轴 6、7齿轮齿轮 8滑块滑块第三节 平面机构的自由度 平面机构的自由度：机构的总自由度数目。平面机构的自由度：机构的总自由度数目。 构件组成机构后，由于运动副的约束作用，自由度数减少。构件组成机构后，由于运动副的约束作用，自由度数减少。 影响机构自由度的因素影

48、响机构自由度的因素: : a. 自由构件数目；自由构件数目； b b. 运动副（数目、类型）。运动副（数目、类型）。123三杆三杆不能动不能动 ( (桁架桁架) ) 012345 1 2五杆机构五杆机构2四杆机构四杆机构1234 11 在平面机构中，每个低副使构件失去两个自由度；在平面机构中，每个低副使构件失去两个自由度；每个高副使构件失去一个自由度。每个高副使构件失去一个自由度。 平面机构自由度计算公式为平面机构自由度计算公式为：F = 3n - 2PL - PH n 活动构件数活动构件数 PL 机构中低副数目机构中低副数目 PH 机构中高副数目机构中高副数目 三杆桁架：三杆桁架：F=3=3

49、22223=03=0 四杆机构：四杆机构：F=3=332324=14=1 五杆机构：五杆机构：F=3=342425=25=2二、二、 平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件 机构的原动件数目机构的自由度数。机构的原动件数目机构的自由度数。 机构能够运动的条件：机构能够运动的条件：机构的自由度大于零。机构的自由度大于零。 三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题 1复合铰链复合铰链：两个以上的构件在同一轴线上组成的转动副。两个以上的构件在同一轴线上组成的转动副。复合铰链处的回转副数为（复合铰链处的回转副数为（K-1 1）个个。K构件数构件数1234惯性筛机构

50、惯性筛机构5F=3F=35 - 25 - 26 = 36 = 3 F=3F=35 - 25 - 27 = 17 = 1 2局部自由度局部自由度：与整个机构运动无关的自由度与整个机构运动无关的自由度。计算机计算机 构自由度时应予排除。构自由度时应予排除。 目的：变滑动磨擦为滚动磨擦，以减少磨损。目的：变滑动磨擦为滚动磨擦，以减少磨损。 计算时应将该构件连同运动副一起除去。计算时应将该构件连同运动副一起除去。F=3=33 - 23 - 23 -1 = 23 -1 = 2 F=3=32 - 22 - 22 -1 = 12 -1 = 1 3虚约束虚约束：对对机构机构运动起不到限制作用的重复约束运动起不