北航机械设计基础文科自学备考复习材料.docx
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北航机械设计基础文科自学备考复习材料
机械设计基础C
边宇枢
北京航空航天大学机械工程及自动化学院
章节导航
第一章机械工程概论
第二章机械工程材料
第三章机械制图基础
第四章联接
第五章机构的结构
第六章常用机构
第七章机械传动
第八章轴系系统
第一章机械工程概论
§1.1机械与机械工程
§1.2机械的分类
§1.3机械工程的发展过程
§1.4机械设计的一般过程和基本要求
§1.5国际规范
§1.1机械与机械工程
机械的定义
机器和机构的总称
机器机构
机器的实例
•采油机
•内燃机
•牛头刨床
机器的特征
•由许多机件组合而成
•各机件之间具有确定的相对运动
•能实现能量转换或做有用的机械功的装置
机器的组成
•机器通常是机电一体化产品，有机械与电控两部分组成
•机械部分由原动机、传动装置和工作机组成
•电控部分由检测装置、控制部分组成
点击此处看图
机器组成示意图
机构
是研究机器运动学与动力学的可动的几何模型。
由许多机件组合而成，各构件之间具有确定的相对运动的装置。
常用机构
•机器中普遍使用的机构称为常用机构。
例如：
曲柄滑块机构凸轮机构齿轮机构蜗轮蜗杆机构构件
•组成机构的相对运动的单元体称为构件。
•构件可以是单一的整体，也可以是若干零件组成的刚性联结。
图片1：
连杆
图片2：
内燃机的曲轴
连杆
内燃机的曲轴
零件
•每一个单独加工的单元体。
零件的分类
•机械中的零件分为通用零件和专用零件
•通用零件又分为主要零件、一般零件和标准零件（标准件）
主要零件
•通过某种计算准则确定其基本尺寸的零件
图片：
齿轮、皮带轮、曲轴、轴
一般零件
•根据结构要求、加工和安装工艺要求确定零件的形状和尺寸的零件
图片：
套筒、壳体
标准零件（标准件）
•具有国家标准的零件，设计者根据计算准则选用，应尽量选用。
图片：
滚动轴承、螺钉、螺母
关系
•机器是由机构组成的
•机构是由构件组成的
•构件是由零件组成的
•零件是不可再分的单元
•构件是运动的单元
•零件是制造的单元
机械工程
•以有关的自然科学为理论基础，结合生产实践经验，研究和解决各种机械的开发、设计、制造、安装、运用和修理的全部理论问题和实际问题的应用学科。
•机械工业是国家的基础工业
•制造业的水平代表了一个国家的工业水平
§1.2机械的分类
•机械的种类繁多，按其功能和用途可将其分为
提供能量转换的机械
生产各种产品的产业机械
服务用机械
日用机械
国防武器设备机械
§1.3机械工程的发展过程
•人类成为“现代人”的主要标志是制造工具
•机械始于原始人的工具
•机械发展史中具有代表性的时代及代表性产品见表2
表2机械发展过程
表3机械设计理论的发展过程
表4机械制造技术的发展过程
环保
机械工程的发展，提高了人类的生活生存水平，同时带来了负面影响——环境污染，废气、废水，资源的消耗，破坏自然环境。
人们逐渐认识到环保的重要性。
降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理和减轻以致消除环境污染是我们的发展目标。
§1.4机械设计的一般过程和基本要求
1、机械设计的任务
2、机械设计的一般过程
3、机械产品设计的一般要求
4、机械零件的失效
5、机械零件设计的基本要求
机械设计的任务
•设计实现预期功能的新机器
•改进原有机械的性能
机械设计可分为
•自主开发设计
•接受定货开发设计
2、机械设计的一般过程
3、机械产品设计的一般要求
1、运动和动力的要求——达到需要的运动轨迹，运动速度，承受的载荷，适应的工作环境等
2、工作可靠性要求——在规定的工作条件下达到使用寿命
3、经济性要求——在适用的工作要求下，达到良好的性价比
4、操作方便、舒适和安全，以人为本
4、机械零件的失效
•机械零件丧失正常工作的能力称为失效。
常见的失效形式
•断裂和塑性变形
•过大的弹性变形、
•工作表面的损伤（点蚀、胶合、磨损）
•联接的松脱
•靠摩擦工作的表面打滑等
5、机械零件设计的基本要求
•强度
•刚度
•耐磨性
•振动稳定性
•耐热性
强度
•零件抵抗断裂破坏和塑性变形的能力
刚度
•零件抵抗弹性变形的能力
耐磨性
•相对运动表面抗磨损的能力
•据统计，报废零件的80%是由于磨损造成的，摩擦是不可避免的
耐热性
•高速
•高效率
•特殊环境，例如太空
§1.5国际规范
•ISO
•主要工业国家的国家规范
•学会、协会等的规范
•我国的国家标准
ISO
•InternationalOrganizationforStandardization
•国际标准化机构
•ISO成立于1947年，现有成员国89个。
ISO的中央事务局位于瑞士日内瓦，使用的工作语言有英语、法语和俄语。
第一章 习题
1、什么是零件、构件、机构、机器、机械？
举例。
2、说明机器、机构的组成和特征。
3、通用零件分为哪三种类型？
设计中分别有哪些特点？
4、什么是机械零件的失效，有哪几种形式。
5、机械零件设计应满足的基本要求是什么？
6、什么是强度、刚度？
第二章机械工程材料
§2.1材料的分类、命名、代号
§2.2材料的力学性能
§2.3材料的热处理
§2.1材料的分类、命名、代号
钢——含碳量<2%的铁碳合金
按用途
结构钢工具钢特殊钢
按化学成分
碳素钢合金钢
结构钢
用于制造机械零件、构件（齿轮、轴）
应用范围很广
工具钢
含碳量高，强度高，表面硬度极高，用于制造耐磨性要求高的零件。
特殊钢
加入化学元素，如合金钢、铬、镍、钨、锰、钼、硅、铝、硼、钒、钛等
具有特殊性能——防锈、耐高温和低温
碳素钢：
碳素结构钢
代号Q——屈服，数字——屈服强度值例：
Q235屈服强度为235MPa
Pa=N/m2M=106Mpa=N/cm2
用于制造一般机械零件，如螺钉、连杆等
优质碳素结构钢
20，45，65Mn，含碳量万分之几，万分之45，百分之0.45
合金钢——铁碳合金+合金元素
在碳钢中加入合金元素——改善材料性能
锰、硅、铬硅、镍铬、铬锰、铬钒——提高耐磨性
钼、镍、锰、镍铬、铬钒——提高韧性
铬、镍——抗蚀性
钨、钼、铬钒——耐热性
铝、钨——流动性
合金钢的代号
举例：
20GrMnTi
两位数字——平均含碳量万分之几，含碳量0.2%
化学元素+数字——合金元素含量百分之几，GrMnTi碳量各1%
复杂代号合金钢
碳素工具钢
T7-T12——平均碳含量千分数
易切削钢
Y12、Y30
弹簧钢
65、50GrV
滚动轴承钢
GGr9、GGr15——合金平均含量千分数
复杂代号合金钢（续）
合金工具钢
5GrNiMo、3GrWBV——千分数
高速工具钢
W18Gr4V、W6Mo5Gr4V2——百分数
不锈耐酸钢
1Gr13、1Gr18Ni9——千分数
铸钢
举例：
ZG200-400
200——屈服强度，400——抗拉强度
可以是碳钢或合金钢，经过铸造制成
铁——含碳量>2%的铁碳合金
与钢比较——含碳量高（石墨），韧性差、抗拉强度低；含硅多，铸造性能好、抗压强度高、耐腐蚀性好、耐磨性好；吸震性和可切削性好。
铁（铸铁）的种类
灰口铸铁
举例：
HT200
HT——灰铁，200——抗拉强度
碳——片状石墨
80%为灰口铸铁，价格便宜
球墨铸铁
举例：
QT400-18，
QT——球铁，400——抗拉强度，18——延伸率
碳——球状石墨，加入球化剂，50年代产品，机械性能接近钢
发动机曲轴
其他铸铁
可锻铸铁——絮状石墨，可部分代替碳钢，汽车拖拉机后桥外壳
蠕墨铸铁——强度接近球墨铸铁，汽缸盖、套等
合金铸铁——加合金元素，耐磨、耐热、耐蚀铸铁
白口铸铁——组织中不存在石墨，有大量的渗碳体，断口呈银白色。
硬度极高，冶炼钢铁的原料
钢与铁性能比较
钢——力学性能高，强度高，塑性好，冲压、锻造、轧制性能好
铁——力学性能低，抗压性好，耐磨性好，铸造性能好，便宜
有色金属
铝和铝合金
轻、耐腐蚀
纯铝AL，呈银白色，电器
硬铝（飞机零件），LY12
超硬铝，LC4
锻铝（螺旋桨、压气机叶轮），ZL102
防锈铝（门、窗），LF21
铜和铜合金
纯铜——紫红色（紫铜），电导体
黄铜（锌），H96，铅、锡、铝、硅、锰、铁、镍黄铜，应用广泛
白铜（镍），B19，抗蚀性好，电导率高、船舶、医疗器械
青铜（锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜、磷青铜）——弹壳、轴承、螺旋桨、弹簧）
钛合金
轻、耐热、耐蚀，比强度高，低温韧性良好，资源丰富
制造成本高，加工条件复杂
航空、造船、电器；
用于制造导弹燃料罐、压气机叶片、超音速飞机涡轮机匣
镁合金
很轻
车辆、飞机、导弹、人造卫星的构件
镍合金
耐蚀、耐氧化
化工、船舶、航空
非金属材料
无机材料——水泥、人造石墨、陶瓷
有机材料——合成橡胶、工程塑料、合成纤维
工程塑料
高分子有机化合物
一般结构件、传动构件、自润滑件、密封件、汽车
橡胶
高弹性
天然橡胶（三叶橡胶树）
合成橡胶（丁苯胶、硅橡胶、热塑性橡胶）——轮胎、密封件、减振垫、传动件、耐蚀件、绝缘件
耐油橡胶
陶瓷
传统陶瓷——黏土（日常生活、建筑、化学、电气）
特种陶瓷——机械、化工、航空、原子能、新能源；
硬度高，耐磨
重要研究方向
复合材料
由两种或更多种物理和化学本质不同的物质，人工制成的一种多相固体材料。
§2.2材料的力学性能（机械性能）
材料在受外力作用时所表现出的特性
不同的外力，材料具有相应的性能
拉力——拉伸实验
压力——压缩实验
扭转力——扭转实验
冲击力——冲击实验
材料的变形与加力的关系
静态性能——静载实验（拉伸实验、压缩实验、冲击实验、扭转实验、硬度实验）
得到——弹性模量、屈服强度、抗拉强度、抗压强度、韧性、剪切强度、表面硬度
动态性能——疲劳实验
得到——疲劳强度
材料的拉伸实验
拉伸实验机、加载装置、传感器、记录设备、试件
标准拉伸试验件
缓慢加拉力
力与变形的关系曲线
应力应变曲线
四段：
弹性变形阶段、屈服阶段、塑性变形阶段、破坏
应力——单位面积上的力
应变——单位长度的变形
弹性变形阶段
直线部分，去掉力后变形完全恢复
弹性极限——材料受力时，抵抗变形的能力
屈服阶段
力基本不变，变形急剧增加
屈服强度σs——有残余变形，塑性变形阶段
抗拉强度
继续塑性变形到破坏，力减小，变形继续增加，产生颈缩现象
刚度
刚度——材料在受外力作用时，抵抗弹性变形的能力
刚度指标：
弹性模量E
弹性模量
单位——MPA
钢材——2.1X105Mpa
铝合金——0.68X105MPa
铁——214000Mpa
镍——210000Mpa
铜——132400Mpa
钛——118010Mpa
铝——72000Mpa
镁——45000Mpa
强度
材料在受外力作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度
常用的强度指标为屈服强度和抗拉强度
屈服强度——材料发生屈服现象时承受的应力，称为材料的屈服强度，或屈服极限
抗拉强度——拉伸试验时，试件在断裂前所能承受的最大应力，是材料的抗拉强度
塑性
材料在外力作用下发生永久性变形的能力
表示塑性的指标有延伸率、截面收缩率
延伸率——试件被拉断后标距长度的伸长量与原标距长度之比
截面收缩率——试件断口部位截面面积收缩量与原截面面积的比值
延伸率、截面收缩率越大，塑性越好。
塑性好的材料可用冷冲压和锻造等变形加工方法。
不易发生突然的脆性断裂，安全性较高。
冲击韧性
材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力
以试件缺口处单位截面面积吸收的能量表示
硬度
材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力
硬度高，耐磨性好
硬度与强度有关，测定硬度，可以确定强度
硬度测量方法——压入法
布氏硬度
HB=100~300
HB<175，σb=0.36HB
HB>175，σb=0.35HB
HB>450，不宜使用
洛氏硬度
依据压坑的深度，计量硬度；压坑越深，硬度越低
HRC—120°金刚锥，淬火钢等硬零件
HRA—渗碳层，表面淬火层及硬质合金
HRB—1/16˝钢球，软钢，铜合金
HRF——铝合金，镁合金
疲劳强度
交变载荷——力的大小或方向随时间变化。
零件在交变载荷作用下，虽然所受的应力比材料的抗拉强度小，或甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然的断裂，这种现象称为疲劳。
σ-1——试件承受无限次应力循环或达到规定的很多次循环而仍不断裂时的最大应力，材料的疲劳强度。
疲劳现象产生的原因
材料在交变应力作用下，可能会产生细微的裂纹，这些裂纹逐渐扩展，最终导致突然断裂。
例子：
来回弯曲铁丝
材料的物理性能
密度、熔点、导电性、导热性、热涨冷缩性、磁性
材料的化学性能
抗腐蚀性（酸、碱）
材料的工艺性能
易切削性
良好的铸造性、锻造性
各国材料牌号对照
§2.3钢材料的热处理
将钢在固体状态范围内加热到某一温度，保温一定时间，以某种速度冷却的工艺过程。
热处理的目的
改变金属的内部组织结构，改善和提高钢的力学性能。
热处理的种类
退火
把钢加热到临界点以上某一温度保温后缓慢冷却的，随炉冷却。
降低硬度以便切削加工，消除内应力，改善不良组织。
正火
空气中冷却，硬度、强度比退火略高。
淬火
快速冷却
水或油冷却，水冷速度比油冷快
碳素钢常用水冷，合金钢常用油冷
回火
将淬火后的钢件加热到临界温度以下，保温冷却的工艺过程
淬火后，钢的强度和硬度显著提高，但韧性降低很多，且产生很大内应力，进行回火。
低温回火150-250°C
中温回火350-500°C
高温回火500-650°C
调制
淬火+高温回火
钢的表面热处理
若零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部有足够的强度和韧性，表面淬火。
感应加热表面淬火
高频淬火
火焰加热
化学热处理
将钢件置于某种化学介质中加热并保温，使介质中的某些化学元素渗入钢件表面，改变表面的化学成分，改变表层的组织和性能。
主要方法：
渗碳、氮、硼、铝、铬；镀铬、镍、金
钢的热处理工艺和化学成分共同决定钢的组织
钢的组织又决定了钢的性能
习题：
指出在下列情况下，是材料的哪一种性能指标不合格造成零件失效的?
（1）传动轴工作时发生永久性弯曲变形
（2）起重机钢索断裂
（3）在敲击物体时，榔头崩裂
（4）切削时，刀具很快磨损
黑色金属和有色金属如何划分？
铁和钢是如何划分的，各有什么特点？
45、40Gr、HT200、Q235、QT600-3、ZQSn6-6-3、20GrMnTi、是什么材料？
数字代表什么？
常用的有色金属主要有哪些？
材料的力学性能包括什么？
应力应变曲线上，分为几段，各自代表材料的什么性能？
（σb、σs、σe、E）
简述热处理的典型工艺，热处理的目的是什么？
常用的热处理工艺有哪些？
简述调制的工艺过程，什么材料适用调制？
第三章机械制图基础
§3.1投影基础
§3.2机械制图国家标准
§3.3机械零件的表达方法
§3.4零件图和装配图
§3.5计算机绘图简介
第三章机械制图基础
§3.1投影基础
3.1.1投影法
一．投影法的种类
标高投影法
在水平投影面上作出点的正投影，并标出点到水平面的高度。
用于土建、水利中复杂地形的绘制。
透视投影法
单面的中心投影法
用于建筑绘图，示意图
轴测投影法
单面的平行投影法，将形体连同直角坐标系投影到轴测投影面上。
正投影法
正投影、斜投影
机械制图中的平面图是用正投影法绘制的。
二．正投影法的特点
存真性、积聚性、相似性
三．物体的三视图
三视图的形成
选定三个相互垂直的投影面，将物体置于三个投影面之间，用正投影法在三个投影面上得到物体的三个视图——主视图、俯视图、侧视图。
将三视图展开，得到物体的平面三视图。
三视图的投影规律
长对正、高平齐、宽相等
各国视图形成之比较
机械制图ISO标准为在空间正投影图，使用第一象限角和第三象限角的投影。
日本、德国采用第三象限角。
中国、苏联采用第一象限角。
3.1.2点、线、面的投影
点线面的关系：
线——两点成一直线
面——不在同一直线上的三点，一点和一直线，两条相交直线，两条平行直线，三角形，其它平面图形，都可以决定一个面
3.1.2点、线、面的投影（续）
点的投影
线的投影——平行线、垂直线、任意位置线
面的投影——平行面、垂直面、任意位置面的投影
3.1.3基本立体的投影
棱柱
棱锥
圆柱
圆锥
球
圆环
§3.2机械制图国家标准
图纸幅面
0#，1#，2#，3#，4#，5#
0#加长，1#加长，
0#图纸的面积=1平方米
比例
缩小比例1：
2
放大比例2：
1
字体仿宋体整齐、大小适中
图线及其画法
粗实线
细实线
点划线
波浪线
剖面符号
金属
非金属
玻璃
尺寸注法
数字
界限
线
箭头
§3.3机械零件的表达方法
局部视图
斜视图
旋转视图
§3.4零件图和装配图
3.4.1零件图的内容
表示零件的结构、尺寸、加工的依据
一组图形、尺寸、技术要求、标题栏
一组图形
基本视图和其它视图
加工的单元——加工的依据
要求：
完整、全面、表示每一个细节结构
尺寸要求
正确、完整、清晰、合理
分类：
定形尺寸、定位尺寸、总体尺寸
定形尺寸——直径、长度、宽度
定位尺寸——某形体与某点（边、面）距离
总体尺寸——总长、宽、高
技术要求：
表面粗糙度
零件加工过程造成的微观表面凹凸不平的程度
0.8
车床、铣床、钻床——粗加工
磨床、镗床、研磨——精加工
公差与配合
零件的互换性——螺母
电器插头、插座
自行车、汽车配件
配合
间隙过盈过渡配合
形位公差
形状公差
位置公差
设计者
审查者
零件名称
数量
比例
材料
图号
3.4.2装配图的内容
一组图形
总图
装配关系
零件主要结构
是制定装配工艺规程，进行装配、检验、安装及维修的技术数据
尺寸
要求：
正确、完整、清晰、合理
分类：
总体尺寸、配合尺寸、安装尺寸
总体尺寸——长、宽、高
配合尺寸——轴孔直径
安装尺寸——安装螺栓中心
技术要求
安装——安装齿轮后，用手转动主动轴，油泵齿轮应转动灵活。
检验——装好后，油泵齿轮牙齿的啮合面应占齿长的3/4以上，可根据试验后的印痕来检验。
使用——先开油泵电机，待压力表压达到20公斤/厘米2时，开动主轴电机
序号、标题栏、明细表
序号——零件编号
标题栏——设计者、审查者、机器或部件名称、数量、比例、图号
明细表——零件名称、数量、比例、材料，序号
§3.5计算机绘图简介
习题
1.机械制图采用的是什么投影法？
2.图纸的基本图幅有哪几种，它们之间是什么关系？
3.三视图的投影规律是什么？
4.机械零件常用的表达方法有哪些？
5.零件图和装配图分别包含哪些内容？
6.什么是物体的表面粗糙度？
形位公差？
尺寸公差？
配合？
零件的互换性?
7.会画简单零件的视图，并标注尺寸。
第四章联接
§4.0概述
§4.1螺纹联接
§4.2键和销联接
§4.3铆接、焊接、胶接
§4.0概述
•联接的分类
动联接——即运动副（铰链、齿轮、轴承）
静联接——即零件之间的固定联接
静联接
§4.1螺纹联接
•4.1.1螺纹的形成
•4.1.2螺纹的主要参数
•4.1.3螺纹的画法
•4.1.4螺纹联接的类型与画法
•4.1.5螺纹的防松、拧紧与加工
•4.1.6螺旋传动简介
4.1.1螺纹的形成
如图所示，一点a沿圆柱或圆锥面的切向、轴向匀速运动，则该点的轨迹是一条螺旋线。
•在圆柱外表面形成的螺纹——外螺纹
•在圆柱内表面形成的螺纹——内螺纹
•在锥圆柱面上形成的螺纹——锥螺纹
•在管子的内外形成的螺纹——管螺纹
4.1.2螺纹的主要参数
直径
•大径d——与外螺纹牙顶相重合的圆柱面的直径，称为公称直径（M10）。
•小径d1——与外螺纹牙底相重合的圆柱面的直径。
•中径d2——处于大径和小径之间，有一个假想的圆柱面，螺纹齿厚与齿槽相等，此直径为中径。
•牙型——矩形、梯形、三角形、锯齿形
点击观看图片
•线数——单线、多线
点击观看图片
•旋向——左旋、右旋
•螺距（P）
•导程（L=n•P）
三角形螺纹
•牙型角=60°，牙根较厚，强度较高，自锁性好，主要用于联
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