機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)課件

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1、*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),一、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),一、,機(jī)器、機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)組成,機(jī)械,是各類,機(jī)器,的通稱。,機(jī)器,的種類繁多、外形萬變、用途各異。但從機(jī)器的結(jié)構(gòu)組成、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，這些不同的機(jī)器都是由能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)特征的構(gòu)件組合稱為,機(jī)構(gòu),。,機(jī)器是由各種機(jī)構(gòu)組成的。一部機(jī)器可能由多種機(jī)構(gòu)組成，如,內(nèi)燃機(jī),就是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組合而成；也可能僅由一個(gè)最簡單的機(jī)構(gòu)組成，如電動(dòng)機(jī)就是只包含一個(gè)由定子和轉(zhuǎn)子所組成的雙桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。,悍

2、馬轎車,國產(chǎn),J10,美國,F117,“,勇氣號(hào),”,火星探測器,美國小鷹號(hào)航母,內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖,從上述例子以及對(duì)其他不同機(jī)器的分析可以得到機(jī)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(jì)創(chuàng)造的一種裝置。,（,2,）它們必須執(zhí)行確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。,（,3,）用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換等動(dòng)力學(xué)任務(wù)。,相對(duì)于機(jī)器而言，機(jī)構(gòu)主要反映機(jī)器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞和運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換的特征。,零件,構(gòu)件,機(jī)構(gòu),機(jī)器,組成,組成,組成,機(jī)械,作為一部完整的機(jī)器，僅具有上述的機(jī)械部分是不夠的，它不能完成預(yù)期的工作。從功能和系統(tǒng)的角度來看，機(jī)器一般主要由五部分組成，如圖所示。,1.,動(dòng)力系統(tǒng),動(dòng)力系統(tǒng)包括

3、動(dòng)力機(jī)及其配套裝置；它的功能是向機(jī)器提供運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力源。如圖電動(dòng)機(jī)。另外還有內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)、氣馬達(dá)、液壓缸、氣缸及電磁驅(qū)動(dòng)等。,2.,執(zhí)行系統(tǒng),執(zhí)行系統(tǒng)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件，它的功能是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作。執(zhí)行系統(tǒng)一般處于機(jī)械系統(tǒng)的末端，執(zhí)行構(gòu)件直接與工作對(duì)象接觸。執(zhí)行系統(tǒng)可以只包含一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和多個(gè)執(zhí)行構(gòu)件。,執(zhí)行系統(tǒng)也可以由幾個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖中的自動(dòng)曲柄沖壓機(jī)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)除曲柄滑塊機(jī)構(gòu)外，還有由氣缸及推料頭組成的送料機(jī)構(gòu)，它們配合完成沖壓,-,送料工作。,3.,傳動(dòng)系統(tǒng),傳動(dòng)系統(tǒng)是把動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。,4.,操縱

4、系統(tǒng)和控制系統(tǒng),操縱系統(tǒng),:,多指通過人工操作以實(shí)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)件組成的踏板機(jī)構(gòu)控制其離合，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的接入和分離。另外還有起動(dòng)、制動(dòng)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(hào)，經(jīng)由控制器，使控制對(duì)象改變其工作參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置。如圖中的電磁鐵，電控?fù)Q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(dòng)作配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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）。它用于安裝和支承動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等。,機(jī)器各部分的位置精度、運(yùn)

5、動(dòng)精度及機(jī)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(jī)械系統(tǒng)中必不可少的部分。,此外，根據(jù)機(jī)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(diǎn)及學(xué)習(xí)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(jì)計(jì)算問題。一般尺寸（不是太大，太?。┲匦蜋C(jī)的一個(gè)地腳螺栓,180,公斤，礦山卷揚(yáng)機(jī)齒輪直徑,10 m,，而有些儀器儀表的重量以克表示，這些均不是研究范圍。,通過本課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生能達(dá)到如下要求：,（,1,）掌握通用機(jī)械的設(shè)計(jì)原理，方法，具有設(shè)計(jì)一般機(jī)械的能力。,（,2,）具有應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范，手冊(cè)，圖冊(cè)及查閱有關(guān)技術(shù)資料的

6、能力。,（,3,）掌握典型機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法。,（,4,）對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)為核心的設(shè)計(jì)性課程，從承載能力出發(fā)，考慮零件的材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及工藝性。,從傳統(tǒng)意義及時(shí)間安排上是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。從教學(xué)要求上是一門重中之重的考試課。,3,、本課程特點(diǎn),（,1,）工程設(shè)計(jì)性,（,2,）綜合性 要用到以前學(xué)過的幾乎所有課程知識(shí)。,（,3,）實(shí)踐性,4,、學(xué)習(xí)方法提示,（,1,）、少問為什么，多問怎么樣。,（,2,）、注意使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)資料，機(jī)械設(shè)計(jì)離不開手冊(cè)，標(biāo)準(zhǔn)及各種經(jīng)驗(yàn)資料，盡可能地查閱這些資料是機(jī)械零件課的任務(wù)之一，盡可能地多閱讀

7、各種類型結(jié)構(gòu)。,（,3,）、記好筆記，及時(shí)完成作業(yè)。,機(jī)械零件被同學(xué)稱為“機(jī)械零碎”，因?yàn)槠鋬?nèi)容多、而雜，各部分內(nèi)容之間又缺少聯(lián)系，若不及時(shí)歸納，很易忘記?？荚嚞F(xiàn)復(fù)習(xí)，現(xiàn)抓不行。及時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)，有助于復(fù)習(xí)鞏固，本課程特點(diǎn)一聽就懂，一做題沒門，通過做作業(yè)，及時(shí)復(fù)習(xí)所學(xué)的內(nèi)容?？梢詭湍憬鉀Q。,三、設(shè)計(jì)機(jī)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(duì)新設(shè)計(jì)機(jī)器的需要,（,3,）最后寫成任務(wù)書的形式,2,、設(shè)計(jì)階段。,（,1,）功能設(shè)計(jì)研究,（,2,）新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計(jì) 包括機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)計(jì)算，零部件的工作能力計(jì)算部分或整機(jī)的裝配因設(shè)計(jì)，零件草圖的設(shè)計(jì)及

8、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(jì)計(jì)算說明書、使用說明書、明細(xì)表及驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等文件。,實(shí)際當(dāng)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(jī)的試制評(píng)定階段,4,、生產(chǎn)、銷售服務(wù)階段 一部機(jī)器的質(zhì)量關(guān)鍵取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵。,機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程,四、機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求,1,、具有預(yù)定使用功能的要求,2,、經(jīng)濟(jì)性要求,(1),用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法手段，達(dá)到盡可能精的結(jié)果，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。,(2),大限度地標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化產(chǎn)品。,(3),盡可能采用新技術(shù)、新工藝和

9、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(dòng)保護(hù)要求,(1),要使機(jī)器的操作者安全方便和安全。,(2),改善操作者機(jī)器的環(huán)境,4,、可靠性要求,5,、其它要求,對(duì)于不同的機(jī)器，還有一些特定的要求，如對(duì)機(jī)床，有長期保持精度的要求，對(duì)飛機(jī)，有質(zhì)量小，飛機(jī)阻力小的要求。,五、機(jī)械零件的主要失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則,所謂失效是指機(jī)械零件喪失工作能力或不能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作。,1.,機(jī)械零件的主要失效形式,整體斷裂,齒輪輪齒斷裂實(shí)例,如：,螺栓的斷裂,齒輪齒面塑形變形,軸承外圈塑性變形,過大的殘余變形,齒輪齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕,滾動(dòng)軸承滾道的疲勞點(diǎn)蝕,滾動(dòng)軸承外圈滾道的磨損,軸瓦的磨損,

10、零件的表面破壞,破壞正常工作條件而失效,例如：,V,帶傳動(dòng)當(dāng)傳遞的有效圓周力大于摩擦力的極限值時(shí)將發(fā)生,打滑失效,；,高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件當(dāng)其轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的固有頻率相一致時(shí)會(huì)發(fā)生共振，以致引起,斷裂失效,；,液體潤滑的滑動(dòng)軸承當(dāng)潤滑油膜被破壞時(shí)將發(fā)生,膠合失效,等。,2.,設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的計(jì)算準(zhǔn)則,所謂計(jì)算準(zhǔn)則：就是為了防止某種失效形式的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)零件時(shí)所必須遵循的要求。,針對(duì)具體的零件，要根據(jù)其主要的失效形式，采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。主要計(jì)算準(zhǔn)則有：,強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度是指零件抵抗破壞的能力。破壞是指整體斷裂、表面接觸疲勞、塑性變形等。強(qiáng)度不足，零件根本無法工作，因此是最基本的計(jì)算準(zhǔn)則。,強(qiáng)度準(zhǔn)則的一

11、般表達(dá)式為：,剛度準(zhǔn)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(jī)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(jì)算準(zhǔn)則。其表達(dá)式為：,yy,壽命準(zhǔn)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(jī)理到發(fā)展規(guī)律完全不同，因而屬于三個(gè)不同的范疇。疲勞壽命的計(jì)算，通常是求出使用壽命時(shí)的疲勞極限來作為計(jì)算依據(jù)。迄今為止，還沒有提出實(shí)用有效的腐蝕壽命的計(jì)算方法，因而也無法列出腐蝕的計(jì)算準(zhǔn)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(jī)理還沒有完全搞清楚，因而還

12、沒有能夠進(jìn)行定量計(jì)算的方法。,振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則,機(jī)器中許多運(yùn)動(dòng)的零件（齒輪、軸）都是振動(dòng)源，如果激振頻率,fp,接近共振頻率,f,時(shí)，易發(fā)生共振，致使機(jī)器或零件發(fā)生失效。所謂振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則，就是設(shè)計(jì)時(shí)使機(jī)械零件的激振頻率,fp,遠(yuǎn)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；對(duì)回轉(zhuǎn)件進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)等。,耐磨性準(zhǔn)則,磨損將改變零件的形狀及尺寸。因此，在滿足設(shè)計(jì)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(duì)于磨損，目前還沒有理論計(jì)算公式，通常是采取條件性限制。,

13、限制壓強(qiáng)不超過許用值，以防止壓強(qiáng)過大，使零件工作表面油膜破壞而產(chǎn)生過快磨損，其驗(yàn)算式為：,P p (,MPa,),對(duì)相對(duì)滑動(dòng)速度較大的摩擦表面，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(dǎo)致磨損加劇。因此，要限制單位接觸面上單位時(shí)間產(chǎn)生的摩擦力不要過大，當(dāng)摩擦系數(shù),f,為,常數(shù)時(shí)，則可驗(yàn)算,pv,值不超過許用值，即：,pvpv,(,MPa,m/s,),六、機(jī)械零件的材料及制造工藝性,1.,機(jī)械零件,材料,的選擇原則,制造機(jī)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(fù)合材料等。正確選擇材料是設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。各種通用零件的常用材料及其牌號(hào)將在以后各章節(jié)中詳細(xì)

14、介紹。下面僅就材料的選擇原則，加以介紹：,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(duì)零件尺寸和重量的限制等。,：鋁,(,LY12,),、,銅,(,ZCuSn10P1,),黑色金屬,有色金屬,鐵,鋼,高分子材料,復(fù)合材料,:,陶 瓷,:,金屬材料,非金屬材料,：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：,TH300 QT500-5,),強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石,強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕,機(jī)械零件的常用材料,工藝要求,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大

15、的零件宜采用鑄造毛坯或選擇焊接而成。對(duì)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。,經(jīng)濟(jì)性要求,經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)在材料的相對(duì)價(jià)格，當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不要選擇價(jià)格高的材料。這對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，尤為重要。但選材時(shí)不能只著眼于相對(duì)價(jià)格，還要考慮零件的加工費(fèi)用。,2.,機(jī)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(fèi)勞動(dòng)量最小、加工費(fèi)用最少的零件，就認(rèn)為具有良好的工藝性。,造型簡單合理,合理選擇毛坯的種類,鑄造的工藝性,焊接工藝性,熱處理工藝性,切削加工工藝性,結(jié)構(gòu)裝配工藝性,機(jī)器由零件組裝而成，而且機(jī)器工作一段時(shí)間后，需拆開檢修，因此零件間必須具有良好的裝

16、配工藝性。有關(guān)結(jié)構(gòu)裝配工藝性如書圖所示。,七、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟,由于零件的種類不同，其具體的設(shè)計(jì)步驟也不一樣，但一般都可按下列步驟進(jìn)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(jì)者必須了解各種常用機(jī)械零件的類型、特點(diǎn)及適用范圍。,2.,確定零件上的載荷：根據(jù)動(dòng)力機(jī)及工作機(jī)的實(shí)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(jì)算載荷。,3.,選擇零件材料：根據(jù)零件的工作條件及對(duì)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。,4.,確定計(jì)算準(zhǔn)則：根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定應(yīng)采用的計(jì)算準(zhǔn)則。,5.,理論設(shè)計(jì)：根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則所得到的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)：根據(jù)功能的要求，加工及結(jié)構(gòu)工藝性、剛度要求等進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出零件的結(jié)構(gòu)尺寸。,7.,精確校核：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)有些重要零件（如軸）應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。,8.,畫出零件工作圖，并寫出計(jì)算說明書。繪制的零件工作圖應(yīng)符合制圖標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足加工要求。寫出的計(jì)算說明書要條理清晰、數(shù)據(jù)正確格式統(tǒng)一，并附有必