机械设计基础第1章绪论Word格式.docx

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《机械设计基础》李威、穆玺清主编，机械工业出版社

简介

本课程的主要内容：

本课程是机类及近机类专业的主干技术基础课，课程具有较强的实践性。

在本学期课程中准备加强学生实践能力的培养，尤其在课程设计方面。

由于本课程现在课时减少，因此某些重要章节详细讲解，而有些章节拟采用老师出问题、学生自学的方法，以提高学生的自学能力。

学生的最后的考试成绩拟采用平时作业和期末考试成绩两部分综合而定。

授课题目：

第1章绪论

1.1机器

1.2课程的地位、内容和任务

1.3机械设计的基本要求及一般程序

1.4机械零件的结构工艺性及标准化

1.5机械设计方法

授课方式

（请打√）

理论课√讨论课□实验课□习题课□其他□

本章

累计课时

2

课时

安排

教学目的、要求

（分掌握、熟悉、了解三个层次）

掌握本课程的研究对象；

熟悉本课程的地位、内容和任务；

了解机械设计的基本要求及一般程序、机械零件的结构工艺性及标准化、机械设计方法。

教学

重点

机器、机构、机械、零件等概念的掌握

难点

课后总结分析

本课程的研究对象、地位；

机械设计的一般程序；

机械零件设计中的标准化

思考题

讨论题

作业

教学内容

备注

绪论

研究对象：

机器及组成机器的机械零部件。

机器：

机器的主体是机械系统，机械系统由驱动部分、传动部分和执行部分组成。

驱动部分为机器提供运动和动力；

传动部分传递运动和动力，并改变运动大小和运动形式；

执行部分实现执行件按预定规律运动。

由如图1—2所示的牛头刨床可知，机器是用来代替或减轻人的体力劳动和辅助人的脑力劳动、提高生产效率和产品质量的主要工具，更是完成人类无法从事或难以从事的各种复杂、艰难、危险劳动的重要工具。

机器的种类繁多，其构造、性能及用途也各不相同。

由如图1—3所示的单缸四冲程内燃机工作原理看到：

是各机件的协同工作将热能转变为机械能，使内燃机能输出机械运动，做有用的机械功。

电动机、发电机用来变换能量，起重运输机用来传递物料，车床、铣床、冲床等用来变换物料的状态，计算机、录音机用来变换信息等。

可见，机器又是用来变换或传递能量、物料和信息的装置。

机构：

专门用来实现某一种运动的传递或运动形式转换的特定机件组合体

即机构是机器中执行某种特定机械运动的装置。

如图0—2所示内燃机中，曲柄滑块机构实现由活塞的往复直线运动到曲轴整周转动的运动形式变换；

凸轮机构实现由凸轮转动到推杆按一定规律直线移动的运动转换；

齿轮机构实现了回转运动的传递。

因此，从运动的观点来看，机器是由机构组成，但机构不具备变换或传递能量、物料和信息的功能。

从研究角度来看，机器种类繁多，但机构的种类有限，常用机构如齿轮机构、凸轮机构和连杆机构等在各种机器中经常出现。

研究机构是研究机器的前提。

机械：

机器和机构总称。

构件：

机器和机构中独立运动的单元体。

机械零件：

组成机器的不可拆卸的基本单元，简称零件，它是机器中最小的独立制造单元，如曲轴、飞轮、凸轮、齿轮等。

构件可以是单独的零件；

也可以由多个零件刚性联接组成。

部件：

由一组协同工作的零件组成的独立制造或独立装配的组合体。

如车床的床头箱、进给箱、各种机器的减速箱、离合器等。

零部件：

零件与部件合（但在有些场合，零件即指零部件）。

分为两类：

一类是各种机器中经常都能用到的零部件，称为通用零部件，如螺钉、齿轮、带轮等零件，离合器、减速器、滚动轴承等部件；

另一类是特定类型机器中才能用到的零部件，称为专用零部件，如内燃机中的曲轴、连杆（部件），船舶的螺旋桨，纺织机中的织梭、纺锭，离心分离机中的转鼓（部件）等。

本课程研究的机械零部件，是指普通条件下工作的一般尺寸与参数的通用零部件。

1.2本课程的地位、内容和任务

1.2.1本课程的地位

本课程是一门研究常用机构、通用零件与部件以及一般机器的基本设计理论和方法的课程，是机械工程类各专业中具有承上启下作用的、介于基础课程与专业课程之间的主干课程，是一门重要技术基础课程。

本课程为今后学习有关专业课程和掌握新的机械科学技术成就奠定必要的基础。

1.2.2本课程的内容

1.研究了机械中常用机构、通用零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论和基本计算方法，并简要介绍了机械动力学和机械系统方案设计的有关知识；

2.研究了机械零部件选用和设计问题，具体机械零部件包括：

（1）传动件带传动、链传动、齿轮传动、螺杆传动及螺旋传动；

（2）支承零部件轴、滚动轴承及滑动轴承；

（3）连接件轴毂连接、螺纹连接及铆接、焊接、粘接；

（4）其他零部件联轴器、离合器、弹簧。

1.2.3本课程的任务

本课程的任务是使学生掌握常用机构和通用零件的基本理论和基本知识，初步具有这方面的分析、设计能力，并获得必要的基本技能训练，同时培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。

通过本课程的教学，应使学生达到下列基本要求：

l.熟悉常用机构的工作原理、组成及其特点，掌握通用机构的分析和设计的基本方法；

2.熟悉通用机械零件的工作原理、结构及其特点，掌握通用机械零件的选用和设计的基本方法；

3.具有对机构分析设计和零件计算的能力，并具有运用机械设计手册、图册及标准有关技术资料的能力；

4.具有综合运用所学知识和实践的技能，设计简单机械和简单传动装置的能力；

1.3机械设计的基本要求及一般程序

1.3.1机械设计的基本要求

机械设计的类型很多，但其基本要求大致相同，主要有以下几方面：

1.预定功能要求

一般机器的预定功能要求包括：

运动性能、动力性能、基本技术指标及外形结构等方面。

设计机器的基本出发点是实现预定功能要求。

为此，必须正确选择机器的工作原理、机构的类型和机械传动方案。

2.安全可靠与强度、寿命要求

设计的机器必须保证在预定的工作期限内能够可靠地工作，防止个别零件的破坏或失效而影响正常运行。

为此，应使所设计的机器零件结构合理并满足强度、

刚度、耐磨性、振动稳定性及其寿命等方面的要求。

3.经济性要求

设计机器时，应考虑在实现预定功能和保证安全可靠的前提下，尽可能做到经济合理、力求投入的费用少、工作效率高且维修简便等。

由于机器的经济性是一个综合指标，它与设计、制造和使用等各方面有关。

为此，设计者需要注意：

良好的工艺性、合理的选材、尽可能实现三化（零件标准化、部件通用化、产品系列化），以最大限度地提高经济效益。

4.操作使用要求

设计的机器要力求操作方便，最大限度地减少工人操作时的体力和脑力消耗，改善操作者的工作环境，降低机器噪声，净化废气、废液及灰尘，使其对环境的污染和公害尽可能小。

5.其他特殊要求

某些机器还有一些特殊要求。

例如：

机床应能在规定的使用期限内保持精度；

经常搬动的机器（如塔式起重机、钻探机等），要求便于安装、拆卸和运输；

食品、药品、纺织等机械有不得污染产品的要求等。

总之，必须根据所要设计的机器的实际情况，分清应满足的各项要求的主、次程度，且尽量做到结构上可靠、工艺上可能、经济上合理，切忌简单照搬或乱提要求。

1.3.2机械设计的一般程序

1.提出和制定产品设计任务书

首先应根据用户的需要与要求，确定所要设计机器的功能和有关指标，研究分析其实现的可能性，然后确定设计课题，制定产品设计任务书。

2.总体设计

根据设计任务书，进行调查研究，了解国内外有关的技术经济信

息。

分析有关产品，参阅有关技术资料，并充分了解用户意见、制造

厂的技术设备及工艺能力等。

在此基础上确定实现预定功能的机器工作原理，拟定出总体设计方案，进行运动和动力分析，从工作原理上论证设计任务的可行性，必要时对某些技术经济指标作适当修改，然后绘制机构简图。

同时可进行液压、电器控制系统的方案设计。

3.技术设计

在总体方案设计的基础上，确定机器各部分的结构和尺寸，绘制总装配图、部件装配图和零件图。

为此，必须对所有零件（标准件除外）进行结构设计，并对主要零件的工作能力进行计算，完成机械零件设计。

机械零件设计是本课程研究的主要内容之一，其设计步骤如下：

（1）根据机器零件的使用要求，选择零件的类型与结构。

（2）根据机器的工作要求，分析零件的工作情况，确定作用在零件上的载荷。

（3）根据零件的工作条件，考虑材料的性能、供应情况、经济因素等，合理选择零件的材料。

（4）根据零件可能出现的失效形式，确定计算准则，并通过计算确定零件的主要尺寸。

（5）根据零件的主要尺寸和工艺性、标准化等要求进行零件的结构设计。

（6）绘制零件工作图，制订技术要求。

以上这些内容可在绘制总装配图、部件装配图及零件图的过程中交错、反复进行，同时进行润滑设计。

然后编写设计说明书、有关的技术文件、外购件的明细表等。

4.样机的试制和鉴定

设计的机器是否能满足预定功能要求，需要进行样机的试制和鉴定。

样机制成后，可通过生产运行，进行性能测试，然后便可组织鉴定，进行全面的技术评价。

5.产品的正式投产

在样机的试制与鉴定通过的基础上，才可能进行产品的正式投产。

将机器的全套设计图纸（总装图、部装图、零件图、电气原理图、液压传动系统图、安装地基图、备件图等）和全套技术文件（设计任务书、设计计算说明书、试验鉴定报告、零件明细表、产品质量标准、产品检验规范、包装运输技术条件等）提交产品定型鉴定会评审。

在评审通过后，才能由有关部门下达任务，进行批量生产。

1.4机械零件的结构工艺性及标准化

1.4.1机械零件的结构工艺性

机械零件的结构形状除了要满足功能上的要求，还应该有利于零件在强度、刚度、加工、装配、调试、维护等方面的要求。

在一定的生产条件和生产规模下，花费最少的劳动量和最低的生产成本把零部件制造和装配出来，这样的零部件具有良好的结构工艺性。

结构工艺性贯穿于零件的材料选择、毛坯制作、热处理、切削加工、机器装配及维修等生产过程的各个阶段。

设计零件的结构时，通常使零件的结构形状与生产规模、生产条件、零件材料、毛坯制作、工艺技术等诸多方面相适应。

应从以下几方面加以考虑：

1．零件形状简单合理

一般来讲，零件的结构和形状越复杂，制造、装配和维修将越困

难，成本也越高。

所以，在满足使用要求的情况下，零件的结构形状应尽量简单，应尽可能采用平面和圆柱面及其组合，各面之间应尽量相互平行或垂直，避免倾斜、突变等不利于制造的形状。

满足使用要求的条件下，力求减少加工表面的数量和加工的面积。

2．合理选用毛坯类型

根据零件尺寸大小、生产批量的多少和结构的复杂程度来确定齿轮的毛坯类型：

尺寸小、结构简单、批量大时用模锻毛坯；

结构复杂、批量大时采用铸造毛坯；

单件或少量生产时则可采用焊接件或自由锻毛坯。

3．铸件的结构工艺性

铸造毛坯的采用较为广泛，设计其结构时应注意壁厚均匀、过渡平缓，以防产生缩孔和裂纹，保证铸造质量；

要有适当的结构斜度及拔模斜度，以便于起模；

铸件各面的交界处要采用圆角过渡；

为增强刚度，应设置必要的加强筋。

4．锻件的结构工艺性

设计其结构时应注意力求零件形状简单、不应有很深的凹坑，要留有适当的锻造斜度及圆角半径，尽量设计成对称形状；

对于自由锻件应避免带有锥形和楔性，不允许有加强筋，不允许在基体上有凸台。

5．切削加工工艺性

在机床上加工零件时，切削加工工艺性主要应从三方面考虑：

①提高切削效率；

②便于切削加工；

③减少切削加工量。

在设计结构时要有合适的基准面，要便于定位与夹紧，要尽量减少工件的装夹次数。

加工面要尽量布置在同一平面或同一母线上；

应尽量采用相同的形状和元素，如相同的齿轮模数、螺纹、键、圆角半径、退刀槽等；

结构尺寸应便于测量和检查；

应选择适当的精度公差等级和表面粗糙度，过高的精度和过低的表面粗糙度要求，将极大地增加加工成本和装配难度。

6．零部件的装配工艺性

装配工艺性是指零件组装成部件或机器时，相互连接的零件不需

要再加工或只需要少量加工就能顺利地装上或拆卸，并达到技术要求。

装配工艺性主要应考虑①尽量避免或减少装配时的切削加工和手工修配；

②使装配和拆卸方便；

③应有正确的装配基准；

④尽可能组成独立部件或装配单元，以便于平行安装。

因此，在结构设计时应注意：

要有正确的装配基准面，保证零件间相对位置的固定；

配合面大小要合适；

定位销位置要合理，不致产生错装；

装配端面要有倒角或引导锥；

绝对不允许出现装不上或拆不下的现象等。

7．零部件的维修工艺性

良好的维修工艺性要体现以下几方面：

①可达性，指容易接近维修处，并易于观察到维修部位；

②易于装拆；

③便于更换，为此应尽量采用标准件或采用模块化设计；

④便于修理，即对损坏部分容易修配或更换。

应该注意，评定结构工艺性好坏是随生产规模、生产条件的不同而不同。

在单件、小批量生产中被认为工艺性好的结构，在大量生产中却往往显得不好；

反之亦然。

如外形复杂、尺寸较大的零件，单件或少量生产时，宜采用焊接毛坯，可节省费用；

大批量生产时，应该采用铸造毛坯，可提高生产率。

同样，不同的生产条件（生产设备、工艺装备、技术力量等）也对结构工艺性产生较大的影响，一般应根据具体的生产条件研究零件的结构工艺性问题。

0.4.2机械零件设计中的标准化

所谓机械零件的标准化就是对零件尺寸、规格、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差与配合、制图规范等制定出各种大家共同遵守的标准。

它的基本特征是统一与简化。

贯彻标准化的重要意义在于：

①减轻设计工作量，缩短设计周期，提高设计质量，有利于设计人员将主要精力用于关键零部件的设计；

②便于建立专门工厂采用最先进的技术大规模地生产标准零部件，有利于合理使用原材料、节约能源、降低成本、提高质量和可靠性、提高劳动生产率；

③增大互换性，便于维修；

④便于产品改进，增加产品品种；

⑤采用与国际标准一致的国家标准，有利于产品走向国际市场。

因此，在机械零件的设计中，设计人员必须了解和掌握有关的各项标准并认真地贯彻执行，不断提高设计产品的标准化程度。

目前，标准化程度的高低已成为评定设计水平及产品质量的重要指标之一。

标准化包括三方面内容，即标准化、系列化和通用化。

系列化是指在同一基本结构下，规定若干个规格尺寸不同的产品，形成产品系列，以满足不同的使用条件。

通用化是指在同类型机械系列产品内部或在跨系列的产品之间，采用同一结构和尺寸的零部件，使有关的零

部件特别是易损件，最大限度地实现通用互换。

国际标准化组织制定了国际标准（ＩＳＯ）。

我国国家标准化法规规定的标准分国家标准（ＧＢ）、行业标准和企业标准三个等级，在设计机械零部件时必须自觉地执行标准。

机械设计中要遵循的“三化”的好处：

①由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本；

②选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；

③选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格；

④具有互换性，从而简化机器的安装和维修。

1.5机械设计方法

机械设计的方法通常可分为两类：

一类是过去长期采用的传统（或常规的）设计方法，另一类是近几十年发展起来的现代设计方法。

0.5.1传统设计方法

传统设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学形成经验公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计的方法。

这是一种以静态分析、近似计算、经验设计、人工劳动为特征的设计方法。

目前，在我国的许多场合下，传统设计方法仍被广泛使用。

传统设计方法可以划分为以下3种。

1．理论设计

2．经验设计

3．模型实验设计

0.5.2现代设计方法简介

20世纪60年代以来，随着科学技术的迅速发展以及计算机技术的广泛应用，在机械设计传统设计方法的基础上又发展了一系列新兴的设计理论与方法。

现代设计方法的应用将弥补传统设计方法的不足，从而有效地提高设计质量，但它并不能离开或完全取代传统设计方法。

现代设计方法还将随着科学技术的飞速发展而不断地完善。

现代设计方法种类极多，内容十分丰富，这里仅简略介绍几种国内近一二十年来在机械设计中应用较为成熟、影响较大的方法。

1．机械优化设计

2．机械可靠性设计

3．有限元分析

4．机械动态设计

5．计算机辅助设计（CAD）

现代设计方法还有很多，如模糊优化设计、模块化设计、价值分析等等。

与传统设计方法相比，现代机械设计方法具有如下一些特点：

①以科学设计取代经验设计；

②以动态的设计和分析取代静态的设计和分析；

③以定量的设计计算取代定性的设计分析；

④以变量取代常量进行设计计算；

⑤以注重“人—机—环境”大系统的设计准则如人机工程设计准则、绿色设计准则，取代偏重于结构强度的设计准则；

⑥以优化设计取代可行性设计以及以自动化设计取代人工设计。

从而有效地提高设计质量，但它并不能离开或完全取代传统设计方法。

现代设计方法还将随着科学技术的飞速发展而不断地完善和发展。