第1章机械设计基础绪论
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机械设计基础第1章 绪论(朱明zhubob
1．铸铁
常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、 可锻铸铁、合金铸铁等。
2．钢
钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、 锻造、冲压、焊接和铸造方法加工各种 机械零件，并且可以用热处理和表面处 理方法提高机械性能，因此其应用极为 广泛。
材料
名称
牌号
普通碳素结 构钢
优质碳素结 构钢
合金结构钢
Q215 Q235 Q255 Q275
§1-4 机械零件常用材料及其 选用原则
机械制造中最常用的材料是钢和铸铁， 其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、 橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用 。 1.4.1 金属材料
金属材料主要指铸铁和钢，它们都是铁碳 合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。 含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大 于2%的称为铁。
450
球墨铸铁
QT500-7
500
QT600-3
600
QT700-2
700
230
130
270
143
310
153
—
15Байду номын сангаас~200
—
170~220
—
190~240
310
160~210
320
170~230
370
190~270
420
225~305
3．有色金属合金
有色金属合金具有良好的减磨性、跑合 性、抗腐蚀性、抗磁性、导电性等特殊 的性能，在工业中应用最广的是铜合金、 轴承合金和轻合金，但有色金属合金比 黑色金属价贵。
图1-2单缸四冲程内燃机 包含由齿轮9、齿 10组成的齿轮机构；
由曲轴6、连杆5、活塞2组成的曲柄滑块机构； 由凸轮7、从动杆8及进气阀3组成的凸轮机构 等。
《机械设计基础》第一章 绪论
构件
活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。 构件是组成机构的有确定运动的单元。
构件
零件
构件是运动的单元，而零件是制造的单元。
通用零件与专用零件
各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。 如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。
只在某一类机械中使用的零件称为专用零件。 如内燃机中的活塞、曲轴等。
通用零件中主要包括三大类零件： 传动零件 （齿轮、带、链等） 联接零件 （螺栓、键等） 轴系零件 （轴、轴承等） 此外: 弹簧等零件。
通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学 们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为 今后操作、维护、管理、革新机械装备创造条件。
什么是机械设计？
机械设计:规划和设计实现预期 功能的新机械或改进原有机械的性能。
基本要求：在满足预期功能的前提下， 性能好、效率高、成本低、安全可靠、操 作方便、维修简单和造型美观。
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机器的组成
如牛头刨床、空气压缩机
传统机器都包含如下三个部分：
驱动装置
传动装置
执行装置
常称为原动机，是机器 的动力来源。 常用：电动机、内燃机 、液压缸和气动缸， 以各种电动机的应用最 为普遍。
处于整个传动路线的终端， 按照工艺要求完成确定的运 动，是直接完成机器功能的 部分。 执行装置随机器的用途不同 而不同，它属于各种专业机 械课程研究的内容。
完成有用功 或处理信息， 以代替或减轻人的劳动。
机器是由机构组成的。 简单的机器，可能只含有一个机构, 但一般都含有 多个机构。
机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功 的功能。
机器 机构
机械: 机器和机构的总称。
常用机构
在各种机械中广泛使用的一些机构称为 常用机构。 如：
机械设计基础第1章 绪论
1.1.2 机械中的构件、零件和部件 1. 构件 机构是由构件组成的，构件在机构中具有独立的运动特性， 在机械中形成一个运动整体。如图1-2（a）所示的内燃机是由 活塞、连杆、曲轴和汽缸等构件构成的一个典型的曲柄滑块机 构，其中，原动件活塞作直线往复运动，通过连杆带动曲轴作 连续转动。
2. 机械零件 机械零件 机械都是由机械零件组成的。 机械都是由机械零件组成的 。 机械零件是指机械中每一个 单独加工的单元体，例如图1-1所示的曲轴 所示的曲轴。 单独加工的单元体，例如图 所示的曲轴。构件可以是单一的 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图1-2(b)所 机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图 所 示的连杆，它是由连杆体、连杆盖、 示的连杆 ， 它是由连杆体 、 连杆盖 、 螺栓和螺母等零件组合而 成的。这些零件之间没有相对运动，是一个运动整体， 成的 。 这些零件之间没有相对运动 ， 是一个运动整体 ， 故属一 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 随着机械的功能和类型的日益增多， 随着机械的功能和类型的日益增多 ， 作为组成机械的最基 本单元的零件更是多种多样。 本单元的零件更是多种多样。 通常将机械零件分为通用机械零 件和专用机械零件两大类。 件和专用机械零件两大类。
1.3 机械零件的材料选择
1.3.1 使用要求 按强度条件设计的零件，当其尺寸和重量都受限制时，应 选用强度较高的材料； 按刚度条件设计的零件，应选用弹性模 量较大的材料；若零件表面接触应力较高(如齿轮)，应选用可 以进行表面强化处理的材料(如调质钢、渗碳钢)。此外，对容 易磨损的零件(如蜗轮)，应选用耐磨性好的材料；对滑动摩擦 下工作的零件(如滑动轴承)，应选用减摩性好的材料；对高温 下工作的零件，应选用耐热材料；对腐蚀性介质中工作的零件， 应选用耐腐蚀材料。
机械设计基础
的初拉力 4）张紧轮装置： V 带传动用张紧轮 装置时，张紧轮应安装在带松 边内侧，尽量靠近大带轮，防止因张紧造成小轮包角过小，而且也避 免带的反向弯曲。 平带传动用张紧轮装置时， 张紧轮应安装在带松边 外侧， 尽量靠近小带轮，以增大小轮包角。 9、带传动的失效形式及设计准则？ 1）打滑、疲劳破坏（脱层、撕裂、拉断） 2）保证带在工作中不打滑，同时具有足够的疲劳强度和一定的使用 寿命。
律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也 将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的 冲击称为柔性冲击。适用场合：中速、轻载。 3）简谐（余弦加速度）运动规律 运动特性：这种运动规律的加
速度在起点和终点时有有限数值的突变， 故也有柔性冲击。 适用场合： 中速、中载。 5、从动件作余弦加速度运动规律，当无远、近休止时，是否会产生 柔性冲击？ 1）从动件作余弦加速度运动规律，当无远、近休止时，不会产生柔 性冲击； 2）从动件作余弦加速度运动规律，当有远、近休止时，会产生柔性。
四〃凸轮机构
1、凸轮机构由：凸轮、从动件、机架组成。 2、按凸轮形状分类，它分哪几种？ 盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮 3、按从动件形状分哪几种？ 顶尖从动件、滚子从动件、平底从动件 4、从动件常用的运动规律有哪三种？它们的运动特性怎样？ 1）等速运动规律 运动特性：当采用匀速运动规律时，推杆在
运动的起始点和终止点因速度有突变， 在理论上加速度值为瞬时无穷 大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为刚 性冲击。 2）等加速等减速运动规律 运动特性：当采用等加速等减速运动规
三〃平面连杆机构
1、铰链四杆机构的概念；铰链四杆机构的基本形式？ 铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构。 曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 2、曲柄存在的条件及应用？ 1).最短杆和最长杆之和应小于或等于其他两杆长度之和； 2）.连架杆和机架杆中必有一杆为最短杆。 3、急回特性及行程速度变化系数？ 急回特性：主动件连续运转，从动件在空回行程（非工作行程）的平
《机械设计基础》课件——第一章 绪论
1.1.1 引言
人类在长期的生产和生活实践中创造和发展了机械，其目的是为
了减轻或替代人的劳动，提高生产率。
东汉张衡将杆机构巧妙地使用在人类第一台地震仪上，根据地动 仪内部机构的推测图（参见图1-2），它的原理是某一方向发生地震 时，使都柱（龙机）向该方向倾斜，带动杆件机构，迫使这个方位的 龙口大张，吐出小铜丸，掉进蟾蜍的嘴里，这样就能自动预报地震发 生的方向。
先以图1-3所示的单缸内燃机为例进行分析。
内燃机是由机架（缸体）1、曲轴2、连杆3、活塞4、进气阀5 、排气阀6、推杆7、凸轮8、齿轮9和10等组成。活塞、连杆、曲轴 和缸体组成主体部分，燃气推动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴 的连续转动；凸轮、进排气阀推杆和缸体组成进排气的控制部分，凸 轮转动，推动气阀按时启闭，分别控制进气和排气；曲轴上的齿轮和 凸轮轴上的齿轮与缸体组成传动部分，曲轴转动，通过齿轮将运动传 给凸轮轴。上述三部分共同将热能转换为曲轴的机械能。
设计零件时应满足的基本要求是从设计机器的要求中提出来的，
一般概括为以下两点：
（1）使用要求
（2）经济性要求
1.4.2 机械零件设计的一般方法
第一章 绪论
第一章 绪论
【引 子】
机械设计是根据机械的使用要求对其工作原理、结构、运动方式 ，零件的材料、几何形状等进行构思、分析和计算并将其转化为具体 的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成 部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
1.1 本课程的研究对象
它是机械中的装配单元，如减速器、离合器等。
3．构件 从机械实现预期运动和功能角度看，机构中形成相对运动的各个
运动单元称为构件。构件可以是由单一的零件，也可以是由若干零件 组成的运动单元。如图1-5所示的内燃机连杆是由连杆体1、轴套2、 连杆头3、螺栓4、定位销5、轴瓦6等组成，其一端与活塞相连，另 一端与曲轴相配合。
《机械设计基础》绪论
导杆机构
摇块机构和定块机构
双滑块机构
双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构。可以认为是由铰链四杆 机构中的两杆长度趋于无穷大而演化成的。
按照两个移动副所处位置的不同，可将双滑块机构分成四种型式。 ⑴两个移动副不相邻，如图2-19所示。 从动件3的位移与原动件转角的正切成 正比，故称为正切机构。 ⑵两个移动副相邻，且其中一个移动副 与机架相关联，如图2-20所示。从动件3 的位移与原动件转角的正弦成正比，故 称为正弦机构。
机车车轮联动机构及下图均为平行四 边形机构的应用实例。
反向双曲柄机构：
反向双曲柄机构
c.双摇杆机构
两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机 构(如下图)。
右下图所示为双摇杆机构在鹤式起重机中的应用。
双摇杆机构
鹤式起重机
在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则形成
等腰梯形机构。下图所示的汽车前轮转向机构，即为 其应用实例。
机构只有一个构件系统，而机器 除构件系统之外还包含电气、液压等 其它装置；机构只用于传递运动(或改 变运动形式)和力，而机器除传递运动 和力之外，还具有变换或传递能量、 物料、信息的功能。
3.机械：机器和机构的统称。
4.构件：组成机构的人为实体。 构件是机构运动的最小单元体，是组成
机构的基本要素。构件可能是一个零件；也 可能是由若干零件固联在一起的一个独立运 动的整体 。（见连杆、曲轴图）
5.零件：
制造的最基本单位。若将一部机器进行拆卸， 拆到不可再拆的最小单元就是零件。 有通 用零件与专用零件之分。
通用零件：各种机械都使用的零件，如
螺栓、轴、键等；
专用零件：只在某一类机械中使用的零
件，如曲轴、吊钩、钢丝绳等。
机械设计基础-绪论
机械设计的重要性
机械设计保证了设备的可靠运行、高效工作和安全操作，提高生产力和竞争 力，满足市场需求。
机械设计的基本原则
• 功能设计 • 可制造性 • 材料选择 • 结构设计 • 电气与控制集成
机械设计的基本流程
1
需求分析
明确用户的需求和功能要求，进行调研和需求分析。
2
方案设计
制定多个方案，进行评估和优化，选择最佳设计方案。
经济成本
机械设计需要在满足需求的前提下降低生产成本 和维护成本。
在工程领域的应用
汽车工业
机械设计应用于汽车的发动机、底盘、悬挂系统等 各个方面。
航空航天
机械设计用于飞机、导弹、卫星等航空航天领域的 设备与部件。
工业机械
机械设计涵盖了各类工厂和设备中的传动、输送、 加工等机械系统。
机器人技术
机械设计在机器人领域中负责关节、结构、传感器 以及执行器的设计。
3
详细设计
进行更细节的设计，包括零部件选型、绘图和计算等。
4
制造
根据设计图纸完成设备和部件的制实验和测试，验证设计的性能和可靠性。
机械设计的挑战和难点
1 复杂性
机械设计需要解决复杂问题，涉及多学科的知识和技能。
2 创新性
机械设计需要不断创新和改进，以适应不断变化的需求和技术。
机械设计基础-绪论
机械设计是将工程知识与经验应用到机械设备与零部件的创造、改进和完善 过程。
机械设计的定义
精确度与可靠性
机械设计的目标是通过精确的计算和测试来确保 设备的可靠性和精度。
安全与环保
机械设计要考虑工作环境和操作员的安全，并遵 守环境保护准则。
功能与效率
机械设计需要满足设备的功能需求，并最大化效 率，减少能源消耗。
机械设计基础第1章 机械设计基础概论
1.2 本课程的内容、性质和任务
本课程的研究对象是一般工作条件下 的常用机构和通用机械零部件。对于巨型、 微型、以及高速、高温、高压或低温条件 下工作的通用零部件, 则在有关专门课程 中研究。
1.3 机器应满足的要求和设计制造 程序
1. 机器应满足要求
机器应满足下列要求。
1. 使用要求 2. 经济性要求
3. 执行装置
执行装置是直接完成机器预定功能的 工作部分, 如车床的卡盘和刀架, 汽车的 车轮, 船舶的螺旋桨, 带式输送机的输送 带等。
4. 操纵、控制及辅助装置
操纵和控制装置用以控制机器的起动、 停车、正反转、运动和动力参数改变及各 执行装置间的动作协调等。自动化机器的 控制系统能使机器进行自动检测、自动数 据处理和显示、自动控制和调节、故障诊 断、自动保护等。辅助装置则有照明、润 滑、冷却装置等。
图1-1 牛头刨床的传动系统 图
图1-2 单缸四冲程内燃 机
通常将机器和机构统称为机械。构件 是运动的单元, 而零件是制造的单元。通 常把为协同完成某一功能而装配在一起的 若干个零件的装配体称为部件, 只在某些 特定类型的机器中才使用的零件, 称为专 用零件。
按照用途的不同, 可把机器分为动力 机器、工作机器和信息机器。动力机器用 来实现其他形式的能量与机械能间的转换, 工作机器用来做机械功或搬动物品, 即变 换物料, 信息机器用来获取或变换信息, 现代机器一般由动力装置、传动装置、执 行装置和操纵控制装置四个部分组成。此 外, 还有必要的辅助装置。
■1. 动力装置
动力装置是机器的动力来源，有电动机、内燃机、燃 气轮机、液压马达、气功马达等。现代机器大多采用 电动机，而内燃机主要用于运输机械、工程机械和农 业机械。
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这种内燃机可视为下列三种机构的组合: ①曲柄滑块机构，由活塞4、连杆3、 曲轴2和机架1构成，作用是将活塞的往 复移动转换为曲柄的连续转动;
②齿轮机构，由齿轮9、10和机架1构 成，作用是改变转速的大小和转动的方 向;
③凸轮机构，由凸轮8、推杆7和机架1 构成，作用是将凸轮的连续转动转变为 推杆有规律的间歇往复移动。
二、构件与零件
构件 组成机械的各个相对运动的机件,是机械的运动单元
.如汽车的轮子,车床的主轴.
可能是由一个零件构成， 但通常是由若干个零件刚性联接而成。
零件 机械的制造单元. 如螺钉,螺母,轴等
通用零件:机器中普遍使用的零件,如齿轮,轴.螺钉 专用零件:只在某些机器中使用.如气轮机中的叶片. 起重机的吊钩.
方面考虑,选择一定的原动机和各个其他部分.绘出原 理图机构运动简图 3.技术设计阶段 将原理方案具体化结构化.考虑机械总 体布局和外形.绘制整机装备草图和部件装备草图.确 定零件的形状,尺寸,材料等.并对整机和零件进行精 度设计等
明确设计要求
（确定设计对象的预期功能、有关指标及限制条件）
提出设计方案
打滑
过量弹 性变形
振动 失效
失效分析 磨损
表面 压溃
过量塑 性变形
表面失效 零件失效
疲劳 点蚀
过量塑性变形
胶合 断裂
零件上的应力超过了材料 的屈服极限时，零件会发生塑 性变形。
打滑
过量弹 性变形
振动 失效
失效分析 磨损
表面 压溃
过量塑 性变形
表面失效 零件失效
疲劳 点蚀
胶合 断裂
打滑
靠表面摩擦力保持工作能 力的带传动，当传递的有效圆 周力超过临界摩擦力时，就将 发生打滑失效。
（拟定粗线条的总体布置，进行概略计算，得出可供比较评价
的多种设计方案，从中选取最佳方案）
信
总体设计
息
（进行分析计算和经济评价，最后绘制总体设计图）
反
结构设计
馈
（施工设计，完成施工所需的总装图，零件工作图及技术文件）
试制、鉴定
（通过样机试制，从技术上、经济上作出全面评价）
产品定型
二 .机械零件设计的计算准则和一般步骤
由若干零件组成的构 件——连杆
1--连杆体 2--螺栓 3--螺母 4--连杆盖
1
2 3
4
机械的各个部分都是由机构组合而成 机构由若干个构件通过动联结组合而成 构件由若干个零件通过静联结组装而成
(1)它们都是人为实体(构件)的组合
机构 具有机器的 1、2 特征。(2)各个运动实体之间具有确定的相
安全可靠性要求
（1）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工 作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、 不丧失稳定性。
（2）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体 健康。
（3）对于周围环境和人不造成危害和污染，同时要保 证机器对环境的适应性。
结构工艺性要求
要求便于加工、装拆以及维护。
打滑
过量弹 性变形
振动 失效
失效分析 磨损
表面 压件失效
疲劳 点蚀
疲劳点蚀
胶合 断裂
作用在零件上的脉动循环变应 力超过其接触疲劳极限时，出现疲 劳裂纹，裂纹逐渐扩大使表面金属 小片剥落形成疲劳点蚀。
打滑
过量弹 性变形
机器的组成
辅助系统 (例如润滑、显示、照明等)
传递动力、扭矩
原动部分
传动部分
改变运动参数 及运动方式
执行部分
气压传动
机液电 械压传 传传 动动动
螺齿蜗
离
旋 轮 杆 带链合
器
控制部分
机器的四个组成部分
1.原动部分:机器工作的动力源 2.工作部分:直接完成机器预定功能的部分 3.传动部分:机器中将原动机的动力和运动 传递给工作部分的中间部分,大多为机械传动系统 4.控制部分:控制机器的开动和停止,改变运动的速度 和方向等等
对运动。
机器与机构的区别在于：机器能实现能量的转换（如内燃机、 发电机、电动机），能代替人的劳动去作有用的机械功。
第二节 机械设计概述
一.机械设计的基本要求和一般程序 1、基本要求
功能要求
满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运 动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率， 以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。
期性外力的变化频率错开 还有耐热性等等.
失效分析 磨损
表面 压溃
过量塑 性变形
表面失效 零件失效
疲劳 点蚀
磨损
胶合 断裂
相对运动的零件表面因摩擦 的存在，而导致零件表面材料的 逐渐丧失。
打滑
过量弹 性变形
振动 失效
磨损
表面 压溃
过量塑 性变形
表面失效 零件失效
疲劳 点蚀
表面压溃
胶合 断裂
零件表面质量不高或硬度不 够时，在外载荷作用下出现的碎 裂现象。
电动大门示意图
围墙
门柱
减速器 电动机
大门 连杆机构
组成：电动机（原动机） 减速器（传动系统）
连杆机构ABCD（工作执行系统）
电气控制系统
机构 根据实现运动形式（往复移动、回转运动等）的
机件的外形特点，把相应机件的组合称为机构
带传动机构
常 链传动机构
见 连杆机构
的
机
凸轮机构
构 齿轮机构
螺旋机构
机械的各个部分都是由机构组合而成
第一节 机械的组成
第二节 机械设计概述
第三节 本课程主要内容、任务及其学 习方法
第一节 机械的组成
机械 是机构和机器的总称。
单缸内燃机
一、机器与机构
机器 具有以下三个共同特征：
1.都是人为的各种实物的组合。
2.组成机器的各种实物间具有确定的相对运动。 3.能够变换或传递能量,物料和信息. 例如电动机和内燃机变换能量;起重运输机传递物料,计算 机变换传递信息.
经济性
在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制 造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导 产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺， 以降低产品的成本。
设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、通用化、 系列化，以提高设计质量、降低制造成本。
2.设计过程三阶段:
1.计划阶段:明确机器应该具有的功能,制定设计任务书 2.方案设计阶段 确定实现其功能的原理.从技术和经济
1.计算准则 (1)强度准则 强度是零件体抗破裂和塑性变形的能力.它
分体积强度和接触强度 (2)刚度准则 刚度是零件抵抗弹性变形的能力.就是要保
证机器工作时零件弹性变形量不超过许用值 (3)耐磨性准则 零件在工作中抵抗各种摩擦的能力.保证
零件的磨损量不超过容许值 (4)振动稳定性 零件不发生共振.使零件的固有频率与周