机械设计基础第1至2章.docx
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机械设计基础第1至2章
第一章绪论
机械：
机器和机构的总称
第一节机器的组成及其特征
一、机器
1、机器在社会生活中的作用
洗衣机、汽车、摩托车、计算机等
2、机器的共同特征：
1）人为之物
2）机器具有确定运动
机器对其它参照物的相对运动，如汽车（飞机）相对于地面；
机器内部各部分间相对运动，破碎机，榨汁机；
二者兼有，如叉车工作时，汽车行驶时；
3）机器可以实现能量、物料和信息的变换和传递
3、机器定义：
是一种根据特定使用要求而设计的执行机械运动的装置，它可用来变换或传递能量、物料和信息等。
虽然机器种类很多，结构、用途及外观又各不相同，但从基本组成来看，又具有共同点。
4、机器的组成
1）原动部分（动力机）：
提供动力
2）执行部分（工作机）：
直接实现规定的功能，完成生产任务
3）传动部分：
将原动机的动力和运动传递到执行部分去的中间环节
4）控制和操纵部分：
协调原动部分、执行部分、传动部分更好工作
控制系统
以汽车为例
原动部分：
发动机
执行部分：
车轮、悬挂系统的底盘（包括车身）等
传动部分：
离合器、变速器、传动轴、差速器等
控制和操纵部分：
方向盘、刹车及其踏板、油门等
并不是所有机器组成结构一样，如电风扇（电动机、控制部分、执行部分），砂轮机（电机、控制部分、执行部分）。
二、机构
理论力学中已经对一些机构（连杆机构，齿轮机构等）的运动学和动力学问题进行过研究，在工程实践中，还有带传动、链传动、凸轮机构等。
1、机构的特征：
1）人为之物
2）各构件间具有确定运动
2、机构定义：
是一种用来传递运动和动力的可动的装置。
3、机器和机构的关系：
机器由一系列的机构组成。
三、机器与零件的关系
1、机器的基本组成要素零件
2、零件分类通用零件螺栓、齿轮等
专用零件涡轮机的叶片、飞机的螺旋桨等
3、构件：
运动单元体
4、机器的装配单元体部件
5、部件分类通用部件减速器、离合器等
专用部件汽车转向器
6、机器与零件的关系由于机器是由零件组成的，所以任何机器的性能，都是建立在它的主要零件的性能或关键零件的综合性能的基础之上。
由此可见，要设计出一部很好的机器，必须很好地设计或选择它的零件；而每个零件的设计或选择又是和整部机器的要求分不开的。
第二节本课程的内容、性质和任务
一、内容
机械原理和机械零件
二、性质：
技术基础课
综合各门学科、实践性很强、创新性很强
三、任务培养学生具有设计一般机械的相关能力。
具体为
（1）树立正确的设计思想，运用创造性思维掌握机械设计的一般方法；
（2）掌握机构的结构、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力，对机械动力学的一些基本知识有所了解；
（3）掌握通用零件的工作原理、结构特点、设计计算等知识，初步具有设计通用机械传动装置的能力；
（4）熟悉和熟练应用机械设计手册、图册、标准等有关技术资料的能力，并获得实验技能的基本训练；
（5）对机械设计的新发展及现代设计方法有所了解，并在条件许可时尽可能在设计中加以应用。
四、学习方法
1、熟悉基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和设计的基本方法。
2、理论联系实际
雨伞到曲柄滑块机构，雷达天线俯仰装置到连杆机构
3、养成科学的学习作风：
实事求是，综合分析，全面考虑
第二章机械设计基础概论
第一节概述
一、机械设计应满足的基本要求
1、使用要求要求机器在寿命期内正常工作
2、经济性要求耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、标准件
3、社会要求环保、安全、人机工程学等
4、结构工艺性在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器
5、可靠性要求在规定的条件下和规定的使用期限内，完成规定功能的能力（可靠性）。
6、其他专用要求质量小（飞机）、精度高（机床）、便于运输（大型机器）、卫生（食品机械）
二、机械设计的主要内容及一般程序
（一）、设计对机器质量的影响机器的质量基本上决定于设计质量。
制造过程对机器质量所起的作用，本质上就决定于实现设计时所规定的质量。
因此，机器的设计阶段是决定机器质量好坏的关键。
（二）、机械设计方法分类
1、常规设计（理论设计、经验设计、模型设计）
2、现代设计（有限元、优化设计、计算机辅助设计等）
3、创新设计（独创性、实用性、多方案选优等）
（三）、常规机器设计的内容和程序
1、计划阶段调研、明确机器应具有的功能，并为以后的决策提出环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件，尔后编写包含机器的功能、经济性估计等方面的设计任务书。
2、方案设计阶段
（1）功能分析
首先对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，即这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否代替等。
此时要正确处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。
然后确定出功能参数，提出可能的解决办法，即可能采用的方案。
注意：
在方案设计阶段，要正确处理借鉴与创新的关系；
方案从原动部分、传动部分、执行部分分别进行讨论；
一般从执行部分开始考虑。
如
则总体方案
（2）方案评价
a、经济性
A
由图中可以看出A点总费用最低,最可行
b、可靠性一般情况下，系统越复杂，可靠性越低
c、决策通过对方案的评价，确定一个方案进行下一步技术设计的原理图或机构运动简图。
3、技术设计阶段产生总装配图、部件装配草图、继而确定出零件的尺寸及相互联接关系。
为了确定出主要零件的基本尺寸，必须做以下工作：
（1）机器的运动学设计（根据确定的结构方案,确定出原动机的运动参数,如功率转速、线速度等；然后作运动学分析，从而确定各运动构件的运动参数）
（2）机器的动力学计算（计算主要零件所受力情况）
（3）零件的工作能力设计（根据受力和计算准则，确定出零件基本尺寸）
（4）部件装配草图及总装配草图的设计（根据零、部件基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图,在草图上对所有零件的外形及尺寸进行结构优化）
（5）主要零件的校核（根据草图校核零件,直到满意为止,再画出草图）
草图设计完成后，根据草图已经确定的零件基本尺寸，设计零件工作图。
再由零件工作图画正式装配图（目的是为了查出零件工作图中可能被隐藏的尺寸和结构上的错误，该过程为“纸上装配”）。
4、样机试验和鉴定样机试验纠正问题，并请专家进行技术鉴定。
5、产品定型设计先做小批量生产的产品定型设计，产品制成后，试验。
最后大批量生产。
6、技术文件的编制含设计计算说明书，使用说明书，标准件明细表等。
第二节机械零件设计的基础知识
一、零件变形的基本形式及其强度条件
1、拉伸和压缩
2、剪切和挤压
3、圆柱的扭转
4、弯曲
5、弯扭合成
第三强度理论
由于
是对称循环应力，
不是对称循环应力，特引入折合系数
，则
二、机械零件设计应满足的基本要求
1、工作能力要求（避免在预定寿命期内失效的要求）
（1）强度热处理和高强度材料
表面接触刚度增大贴合面
（2）
（3）寿命疲劳、腐蚀、磨损
2、结构工艺性
要求在既定的生产条件下，方便、经济地生产出来，并便于装配成机器
3、经济性要求耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、标准件
4、质量小要求采用冲压、焊接件来代替铸、锻件，采用强重比高的材料等
5、可靠度要求
将工作条件、零件本身的物理和机械性能的随机变化尽可能地降低
三、机械零件的主要失效形式
1、失效机械零件由于某些原因不能正常工作
2、分类
断裂、表面失效（磨损、疲劳点蚀、腐蚀）、过量变形、破坏正常工作条件而引起的失效（带传动打滑、滑动轴承因油膜的破裂而发生过热、胶合、磨损等）
四、机械零件的计算准则
1、计算准则根据零件的失效分析，以防止出现失效为目的，所制定的计算该零件工作能力所依据的基本原则。
2、分类
1）强度准则
、
————材料的极限正应力和极限切应力
————扭转角或扰角
2）刚度准则
或
3）耐磨性准则
，
4）散热性准则（蜗杆传动、滑动轴承）
5）振动稳定性准则
措施改变零件及系统的刚性，改变支承位置，增加或减少辅助支承，把激振源与零件隔离，采用阻尼等办法。
6）可靠性准则
（1）可靠度零件在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境条件下，能正常完成其功能的概率。
（2）表达式
——总零件数，
——一段时间后仍能正常工作的零件，
——一段时间后失效的零件
（3）系统
五、机械零件设计的一般步骤
1、选择类型根据使用要求
2、计算载荷根据工作要求
3、选择材料根据工作条件及对零件的特殊要求，如飞机、坦克
4、基本尺寸根据失效形式，确定设计准则，计算出零件的基本尺寸
5、结构设计根据工艺性及标准化等原则
6、校核计算
7、画工作图标出形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及技术条件
8、编说明书写设计计算说明书以备查
下面以齿轮设计为例，简要说明
1）根据使用要求选直齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮
2）计算该齿轮的载荷
3）选材及相应的热处理，如40、45、40Cr、调质、渗碳后淬火
4）确定齿轮的基本尺寸
5）结构设计，如整体式、齿轮轴式、腹板式、轮辐式等
6）校核，判断结构的合理性
7）画齿轮工作图
8）写说明书
六、机械零件的标准化
（1）标准件：
按规定标准生产的零件称为标准件。
（2）通用化：
在系列产品内部或在跨系列产品之间采用同一结构和尺寸的零部件。
（3）系列化：
对同一类产品，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干种不同尺寸参数的产品，形成系列。
1、标准化的意义
1）集中加工，降低成本
2）统一零件和材料的性能指标，使其能够比较，并提高零件的可靠性
3）简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量
4）互换性好，便于维护
5）有利于产品走向国际
第三节机械工程常用材料及选用原则
一、材料
钢：
含碳量越高，强度就越高，但塑性越低
铸铁：
脆性、良好的铸造性、抗拉强度及塑性和韧性较差
有色金属及其合金：
轴承合金（铜合金）；质量轻、强度高（铝合金）
非金属材料：
工程塑料、橡胶
复合材料：
高强度和弹性模量，质量小等优点及耐热性、导电性差等缺点（战斗机、直升机、人造卫星，高尔夫球杆网球拍）
二、材料选用原则
1、使用要求
1）、载荷的大小、性质、应力的大小、性质及其分布状况
a、从强度方面来考虑，应在充分了解材料的机械性能的基础上进行选择。
脆性材料只能在静载荷下工作，冲击载荷下最好用塑性材料
b、可通过热处理改变金属材料的性能。
如热处理提高塑性，降低强度和硬度。
2）、零件的工作情况（环境特点、工作温度、摩擦磨损）
a、湿热环境下用防锈和耐腐蚀材料，如不锈钢。
b、工作温度
互相配合的两零件，其材料的线膨胀系数不能相差过大。
材料的机械性能随温度而改变的情况。
c、工作中发生摩擦磨损处，要提高硬度，以增强耐磨性。
3）、零件的尺寸及质量
铸件不受尺寸和质量所限，锻件毛坯时，必须注意锻压机械及设备的生产能力，尽可能选用强重比大的材料，以减小零件的尺寸及质量。
4）、零件结构的重要程度
综合力学性能好的材料
2、制造工艺要求
结构简单用锻件，结构复杂用铸件或用板材冲压出元件后再焊接。
（锻件的工艺性是指材料的延展性、热脆性、及冷态和热态下塑性变形的能力等。
铸件的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。
焊件的工艺性是指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等。
材料的热处理工艺性是指可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力。
冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度。
）
3、材料的经济性
1）、材料本身的相对价格
2）、材料的加工费用
3）、材料的利用率
4）、采用组合结构
5）、节约稀有金属（用铝青铜代替锡青铜制造轴瓦）
4、材料的供应状况
三、金属材料的热处理
1、分类：
整体热处理表面热处理
2、目的：
改变其整体或表面的物理、力学性能，发挥其使用潜力。
例如，合金钢如不经热处理，其力学性能并不明显优于碳素钢。
为充分发挥合金钢的作用，合金钢零件一般都需经过热处理。
常用整体热处理有：
退火：
加热到临界温度以上30-50OC，保温一段时间，然后冷却。
正火：
加热到临界温度以上30-50OC，保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火快。
淬火：
加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在水、盐水或者油中快速冷却。
回火：
将淬火后的钢件再加热到临界以下的温度，保温一定时间，在空气、油或水中冷却。
调质：
淬火后再进行高温回火。
时效：
将钢件加热到120-130OC以下，长时期保温，随炉或在空气中冷却。
钢的表面热处理和化学热处理：
火焰表面淬火、感应加热表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等
四、金属零件的表面处理
1、目的：
表面处理是使金属表面缠产生一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。
2、分类：
电镀、化学处理和涂漆。
（1）电镀。
电镀是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一层其他金属或合金的过程。
1）镀铬。
适用于钢件、铜或铜合金件。
2）镀镍。
适用于钢、铜及铜合金、铝合金件。
（2）化学处理。
金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。
1）黑色金属的氧化与磷化
2）铝及铝合金的阳极氧化
3）铜及铜合金的氧化。
（3）涂漆
第四节机械零件的强度
一、载荷和应力的分类
（一）载荷的分类
1、载荷作用在机器零件上的力、力矩的统称
计算载荷考虑实际条件下产生的附加载荷后的全部载荷
2、载荷分类
（二）应力的分类
脉动循环变应力
1、分类
2、变应力的主要参数
、
、
、
、
、
、
二、机械零件的疲劳强度
（一）、静应力下机械零件的强度计算
危险截面处的最大应力（
）是否小于许用应力（[
]、[
]）
强度条件为
式中
分别极限正应力和切应力，对塑性材料为屈服极限（
），对脆性材料为强度极限（
）
（二）、变应力下机械零件的强度计算
变应力强度
1、疲劳曲线
1）、疲劳极限在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值。
用
或
表示
无限寿命区
2）、疲劳曲线用来表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线
（
——N或
——N）
1）无限寿命区（N≥NB）
特点疲劳曲线为水平线，对应于NB时材料的极限应力为疲劳极限
在对称循环变应力或脉动循环变应力时，只要工作应力
小于或等于
或
，寿命为无限长
2）有限寿命区（103特点工作应力
小于等于某一疲劳极限
时，N值是确定的。
3）低周循环或疲劳（N<104）
如一次性使用的火箭发动机的某些零件、导弹壳体等，在整个使用寿命期间应力变化次数只有几百到几千次
4）高周循环或疲劳（N>104）
5）疲劳曲线方程
对于有限寿命内的AB段，有
无限寿命疲劳曲线在B点后为水平线
由于NB有时很大（25×107或更大），所以人们在做疲劳试验时，常规定一个循环次数N0，称为循环基数。
若已知N0和疲劳极限
，则N次循环时的疲劳极限为
——寿命系数
注意：
（1）材料不同，性质不同，N0值也不同，如钢的硬度越高，N0越大
（2）N值过大时，取法不同，如NB=5×107、N=6×107则N=NB=5×107
（3）指数m随材料不同，受力形式不同而不同
（4）不同r时的疲劳曲线不同，但相似。
r越大
越大
r=-1
（5）延性（塑性）金属与脆性金属疲劳曲线比较
延性金属
（a）公式一样，同为双曲线；
（b）延性金属有转折点，脆性金属无；
（c）对脆性金属，当N>NB时，均以N实际值代入。
（三）影响零件疲劳强度的因素
由于零件尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。
三、机械零件的表面接触疲劳强度
接触形式
注意
1、接触线连续改变位置时，对于零件上任意点处的接触应力只能在0到
之间改变。
接触应力是一个脉动循环变应力，极限应力也是一个脉动循环的极限接触应力。
2、外接触产生的接触面积小，而变形量大，所以接触应力大（点、线接触通用）
3、内接触产生的接触面积大，而变形量小，所以接触应力小（点、线接触通用）
4、当外接触改为内接触时，接触应力降低，接触强度提高。
第五节机械零件的结构工艺性
1.机械零件的结构工艺性：
指所设计的零、部件在保证产品使用性能的前提下，能用生产率高、劳动量小、生产成本低的方法制造出来。
零件的结构工艺性，反映在毛坯制备过程、热处理过程、切削加工过程和装配过程中。
2.零件加工工艺对零件的设计要求
1）铸造
（1）应使造型方便，砂箱和型芯尽量少，具有必要的起模斜度等；
（2）壁厚变化及布置应避免出现缩孔，避免局部金属堆积；
（3）应考虑零件在机床上切削加工时有必要的基准面，注意浇铸过程中不应造成激冷过硬的被切削加工面。
2）锻造
（1）能使金属流动并充满锻模的壁腔，具有必要的起模斜度等。
3）热处理
（1）避免锐边和尖角，采用的过渡圆角应尽可能大；
（2）尽量使零件截面均匀;
（3）提高零件结构的刚性，必要时可增添加强肋;
（4）零件几何形状力求简单、对称；
（5）形状特别复杂或者不同部位有不同性能要求时，可改成组合结构。
第六节摩擦、磨损及润滑
摩擦（运动、运动趋势）导致能量损耗（30%），表面物质的丧失和迁移
一、摩擦
1
混合摩擦
2、摩擦状态分类标准
>3（流体摩擦）
——表面轮廓算术平均偏差（μm）
二、磨损
1、磨损的原因：
摩擦导致材料逐渐丧失或迁移
2、磨损的利用：
磨削及抛光、机器的“磨合”过程，地板的打磨
3、磨损过程：
磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段
O
磨合期载荷不应过大，缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期
4、减轻磨损的方法
1）、选用润滑剂和润滑方法
2）、合理选择材料
3）、合理选择热处理
4）、降低粗糙度
5）、滚动代滑动
6）、正确结构设计（受力均匀、密封）
7）、正确使用、科学维护和管理
三、润滑
固体（石墨、MoS2）
1、润滑剂的作用降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，散热降温、缓冲吸振、密封等。
2、分类
（一）润滑油
1、粘度润滑油抵抗变形的能力，标志着液体内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小
（1）动力粘度牛顿液体中，任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比，该比例系数为此液体的动力粘度。
——液体单位面积上的剪切阻力，即切应力；
——液体沿垂直于运动方向的速度梯度；
——比例常数，即液体的动力粘度；
“—”号表示
随y的增大而减小。
υ
1P=0.1Pa·s=100cP
单位
（2）运动粘度动力粘度与同温度下该液体的密度的比值
1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s
单位
（3）条件粘度（相对粘度）：
在一定温度下，200cm3的油样流过直径2.8mm小孔所需时间，与同体积200C的蒸馏水流过该孔所需时间的比值。
单位恩氏度0Et
（4）运动粘度与条件粘度的换算
0Et
当1.35<0Et<3.2时，
0Et
当3.2<0Et时，
0Et（cSt）
当16.2<0Et时，
注：
指平均温度t时的运动粘度
（5）粘度与温度和压力的关系
a、粘度指数越大，粘度随温度变化越小，即粘温性能越好；
b、温度升高，粘度下降；
c、压力增大，粘度增大。
2、油性（润滑性）润滑油在金属表面上形成吸附油膜的性能
油性越好，吸附能力越强。
对低速、重载、润滑不充分的场合更重要。
3、闪点（燃点）油在标准仪器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发光的最低温度
注意：
工作温度要比闪点低30-400C
4、凝点油在规定条件下，不能自由流动时所达到的最高温度
注意：
其影响到低温下的起动性能和磨损情况。
5、极压性油中加入含S、P的有机化合物，使金属表面能生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能
优点：
在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能
（二）、润滑脂
油加入稠化剂作成的膏状混合物
1、分类（按皂基不同）
铝基润滑脂（抗水性好、对金属表面吸附能力强、防锈）
2、针入度（稠度）
标志着润滑脂内部阻力的大小和流动性的强弱，针入度越小，润滑脂越稠。
3、滴点规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度。
润滑脂的工作温度至少要低于滴点200C。
（三）、添加剂
普通润滑剂在恶劣条件下（高温、低温、重载等）会很快变质，失去润滑能力。
添加剂的作用：
1、提高油性、极压性和在极端工作条件下更有效的工作能力；
2、延长使用寿命；
3、改善物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高粘度、改进粘温性能等。
（四）、润滑剂的选用
1、类型的选用随场合和条件而变
F
2、润滑剂牌号的选用
1）载荷
当载荷大时，
、油性、极压性
2）运动速度
速度小，用针入度低的脂或粘度大的油；速度大，用针入度高的脂或粘度小的油
3）温度
低温下用粘度小的油或凝点低的脂，高温下用粘度大、闪点高及抗氧化性的油
4）表面粗糙度和间隙大小
粗糙度大，用粘度大的油或针入度小的脂；间隙小，用粘度小的油或针入度大的脂
5）结构特点
开式齿轮传动，链传动，垂直润滑面，采用高粘度油或润滑脂以保持附着性
3、润滑方法：
油润滑（滴油、油杯、飞溅、压力循环）、脂润滑
油润滑
1）间歇式供油
旋套式注油油杯压配式压注油杯
2）连续式供油
（滴油润滑）
（飞溅润滑）
四、润滑状态
1、
弹性流体动力润滑
分类
2、
液体润滑
润滑状态的转化
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