机械设计--第1章--绪论

柴鹏飞太原理工大学长治学院,机械设计基础,第1章绪论,知识要素1.中国机械发展简史。2.本课程的性质和研究对象、本课程的内容和任务及学习方法。3.机械、机器、机构、构件、零件、部件的基本概念及其相互之间的联系与区别。4.机械设计应满足的基本要求。5.机械零件的失效形式和设计准则。,学习重点与难点1.了解机器的概念；2.机械、机器、机构、构件、零件、部件联系与区别；3.了解机械设计的基本要求、失效形式和设计准则。,第1章绪论,课程内容介绍,机械设计基础是机电工程科学的技术基础学科之一。该学科所涉及的知识与技能不但为从事与机械工程相关工作的技术人员所必备，而且对人们的现代化生活有极大的帮助。机械工程中的创新活动与机械设计密切相关，因此，本课程的学习对于学生在校学习阶段树立创新思维观念，激发创新欲望，了解创新方法有很重要的启发和指导作用。,此外，学习机械设计基础课程，还将有助于学生工程思想的建立；有助于科学精神的培养；有助于增强解决实际工程类问题的能力。机械设计基础是研究机械工作原理、机械构成原理、机械零件功用和机械零件结构及其工作可靠度的工程技术科学。,课程内容介绍,机械设计基础由理论和实践两部分组成。机械设计基础理论是人们对机械与机械设计最基本、最普遍规律的认识和概括。机械设计基础实践则是人们掌握机械设计知识，形成工程技术能力的一种重要环节，是进行机械工程实践的基本技术能力。,课程内容介绍,机械设计基础课程的学习阶段一般处在从一般科学知识学习向专业技术知识的过渡期，因此本课程既具有机械工程知识普及教育的功能，同时也是一门具有实用价值的，可以独立设置的专业技术课。让学生学习基本的机械设计方面的知识与技能，经历工程实践的探究过程，受到科学态度和科学精神的熏陶；它是以提高全体学生的科学素养、工程技术素质和职业道德修养，促进学生的全面发展为主要目标的工程技术基础课程。,课程内容介绍,问：为什么我国的国徽上代表工人阶级是用齿轮？,工人阶级齿轮公元前350年前,中国机械发展简史,我国是世界上最早使用齿轮的国家，根据考古资料可证明在公元前350年前出土的机械装置上已用到齿轮。当然，当时的齿轮没有现在渐开线齿轮这样高的精度，类似于矩形齿的样子，但足以说明我国是世界上应用齿轮最早的国家。,中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献。中国机械发展史可分为六个时期：,中国机械发展简史,复兴时期，解放后的发展时期。,形成和积累时期，从远古到西周时期。,迅速发展和成熟时期，从春秋时期到东汉末年。,全面发展和鼎盛时期，从三国时期到元代中期。,缓慢发展时期，从元代后期到清代中期。,转变时期，从清代中后期到解放前的发展时期。,每个时期又可分为不同的发展阶段。,我国古代人民在这方面有着光辉的成就，在商代就利用杠杆原理制成了取水的工具桔槔，至今在一些水浅的地区还在使用，或利用这一原理来向上吊起重物。汉朝张衡(78-139)在天文仪器（侯风地动仪）上就利用了杠杆的原理。西汉时期的指南车和记里鼓车就采用了轮系机构、元朝的黄道婆把曲柄、滑块、连杆、飞轮等零件应用在织布机上（现在农村还有使用这种老式的织布机）。还有宋朝的水运仪象台、秦朝的铜车马等。,中国机械发展简史,三星堆图片1,三星堆介绍,1986年7月至9月，三星堆两个大型祭祀坑的发现，是本世纪以来最为重要的考古发现。大宗精品文物洋洋洒洒横空出世，成为举世轰动的重大新闻，三星堆从此名扬四海。在这批古蜀秘宝中，有许多光怪陆离、奇异诡谲的各类青铜造型：威仪凛然的青铜大立人、神奇怪异的青铜面具和通天彻地的青铜神树等，均堪称独一无二的旷世神品。而以流光溢彩的金杖为代表的金器，以满饰图案的边璋为代表的玉器，亦多属前所未见的稀世珍宝。,三星堆图片2,三星堆图片3,三星堆图片4,三星堆图片5,河南博物馆文物,万吨水压机,1961年12月，江南造船厂成功地建成国内第一台12000吨水压机，万吨压力的水压机总高23.65米，总长33.6米，最宽处8.58米，全机由44700多个零件组成，机体全重2213吨，其中最大的部件下横梁重260吨，工作液体的压力有350个大气压。能够锻造250吨重的钢锭。,解放后，我国的机械制造业和其他行业一样得到了很大的发展，尤其是党的十一届三中全会以来，发展速度更快，很多先进技术和科研成果达到或超过了世界先进水平。目前，我国已建立起了比较完整的机械制造工业体系，为我国的社会主义现代化建设打下了雄后的物质基础。所以，我国的机械制造事业发展速度是相当快的，当然也应该看到我国的机械制造业起点低、发展时间短，在某些方面和世界先进水平相比，还存在一些差距，这就要求我们要学好机械，热爱机械制造业，将来为我国的机械工业发展做出应有贡献。,中国机械发展简史,本课程是一门介于基础课和专业课之间的较重要的设计性的技术基础课，起着“从理论过渡到实际、从基础过渡到专业”的承先启后的桥梁作用。,本课程研究的对象,本课程研究的对象是机械机械是机器与机构的总称,本课程研究的对象,机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设。,本课程研究的对象,传统机器的定义：,人为的实物组合体；各实体间具有确定的相对运动；能代替人类做有用的机械功或进行能量转换。机器的实例如：汽车、车床、洗衣机等。,本课程研究的对象,现代机器的内涵还应包括机器能进行信息处理、影像处理等功能。,如照相机、CT机等。,本课程研究的对象,机器的组成,机器由一般由三大部分组成：原动部分传动部分执行部分,本课程研究的对象,图示轿车除原动机部分、传动部分和执行部分外，还包含了控制系统和其它辅助系统,轿车的组成,自动洗衣机的组成：,上盖,控制面板,进水口,排水管,外箱体,盛水桶,支撑拉杆,脱水桶,电动机,带传动,减速器,波轮,人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。,一台完整的机器的组成如下：,原动机部分,本课程研究的对象,原动部分机器完成预定功能的动力源，最常见的是内燃机、电动机。,执行部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和执行部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。,传感部分将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制部分。,辅助部分包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分,本课程研究的对象,机构的定义：,具有确定的相对运动；能实现一定运动转换的实物组合体。,本课程研究的对象,机构实例,内燃机,功能：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机械装置,组成：见右图,点击播放,本课程研究的对象,几个术语：,零件制造的最小单元通用零件在各种机器中通用的零件专用零件只有在特定的机器中才用的零件构件运动的最小单元部件为实现确定的相对运动的实物组合体,本课程研究的对象,零件数量举例,长春汽车厂生产的解放牌CA-15型（载重5吨）汽车由种，个零件组成。一般是装成总成（部件），然后再装成汽车。阿波罗飞船有零件个。波音飞机747型有零件个。（世界博览86.11.第12页，波音飞机占世界飞机总量的57%）,2086,8753,560万,五亿多,大型的设备举例,30米长的汽车32米长的汽车载重154吨的汽车载重400吨的汽车A380飞机山峡水库截流使用的汽车天下第一钟,1、本课程的内容包括二部分：机械原理部分机械零件部分,本课程研究的内容和任务,2、本课程的任务：懂基本理论会设计常用机械,本课程研究的内容和任务,1、本课程的特点：1）、与先修课的关系：机械制图、理论力学、材料力学、金属工艺学、公差配合与技术测量。通过本课程的学习，可为今后学习机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础,本课程的特点和学习方法,2）、本课程的特点用基础科学与机械设计的区别进行讲解：,举例：万有引力重力破碎机,本课程的特点和学习方法,举例：螺钉,本课程的特点和学习方法,实践性强本课程是一门技术基础课，其研究对象是在生产实际中广泛应用的机械，所要解决的问题大多数是工程中的实际问题（与理论力学的不同点），因此要求学生加强基本技能的训练，如简图测绘、齿轮参数测量等。要培养工程素养，作图应严格按要求进行。要重视实验课。,本课程的特点和学习方法,独立性强各章内容彼此独立，前后联系不甚密切。好处是前面的章节没学好，不影响后面的章节学习。不利之处是不容易形成完整的知识体系。因此，要经常复习前面已学过的内容，找出某些共同点，通过比较、归纳、整理等学习方法，将各部分的机械设计知识互相联系起来，以便形成比较完整的机械设计体系。,本课程的特点和学习方法,综合性强本课程学习要综合运用已学过的知识，先修课程的知识点对本课程的学习很有用处，要综合运用先修课的知识来学习本课程。除理论知识点外，还要有一定的生产实践知识，要对观察生产实践中的机械设备。,本课程的特点和学习方法,涉及面广关系多因与诸多先修课关系密切。要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。,本课程的特点和学习方法,2、本课程的学习方法：1）着重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析与综合的基本方法。2）注意把一般原理和方法与具体运用密切联系起来。并用所学知识观察日常生活与生产遇到的各种机械。,本课程的特点和学习方法,3）注意培养运用所学基本理论与方法去分析和解决工程实际问题的能力。4)注意培养综合分析、全面考虑问题的能力。解决同一实际问题，往往有多种方法和结果，要通过分析、对比、判断和决策，做到优中选优。,本课程的特点和学习方法,5)注意培养科学严谨、一丝不苟的工作作风。在今后的工作中要与各种机械设备、各种装置打交道，稍有不慎，即可能造成损失、损坏。,本课程的特点和学习方法,除常规的学习方法外，注意三个问题：1）转折-理论联系实际；2）明确-设计并非计算；3）认清-范例并非标准。,本课程的特点和学习方法,机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。主要要求有：使用要求、经济要求、安全要求、外观要求。此外还有：噪声、起重、运输、卫生、防腐蚀、防冻等。实质上可归纳为二条：1）避免失效；2）提高总体效益。,1、机械设计应满足的基本要求,机械设计概述,机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称为失效。破坏是失效，但失效并不单纯意味着破坏。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。此限度对载荷而言时，又称为承载能力。,2、机械零件的失效形式和设计准则,机械设计概述,机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速运转的轴，还应验算其振动稳定性。机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。,机械设计概述,对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力设计准则。机械零件的设计准则有1）强度准则强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度，即许用应力，用公式表示为,机械设计概述,式中：lim为极限应力，S为安全系数,零件的损坏将影响人身安全。以自行车为例，如自行车的前叉、横梁的生产，一般情况下保证不出现问题；零件的损坏不造成人身事故，但对整个设备造成很大的影响。如自行车的脚蹬、链条等，不更换就不能运行，要基本保证不出现问题；零件的损坏不造成太大的设备事故，但影响正常运行。如自行车内胎破了，必须补好，不常出现，但不能保证不出现；零件的损坏不造成任何设备事故，要求最低。如自行车的幅条断了。,安全系数的选取可以分为四种情况,机械设计概述,当然，安全系数选取很重要，选小了，容易造成零件的损坏，但选大了就会造成零件的结构庞大，浪费材料和增加设备的成本。如为了保证自行车轮胎不破，可以使用平板车的轮胎；如为了使自行车的幅条不断，可用几毫米的钢条来做成辐条。这样，虽然轮胎和辐条的可靠度大了，但重量也增加了，成本也大了，整个自行车的体积就大了，自行车会因价格高、体积重而没有销路。所以，不能单纯地追求很高的可靠度。过高的追求安全就意味着存在浪费。,机械设计概述,2）刚度准则指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值，用公式表示为,yy,机械设计概述,1）机械系统一般的设计顺序,3、机械零件的设计方法和一般步骤,机械设计概述,理论设计方法二种：设计-从头作起，很少用；校核-先假设，再进行校核计算。经验设计-又称为类比设计法，以一定的实物为参考，设计出新产品，实际上应用这种方法为多。计算机辅助设计模拟实验设计,2）设计方法,机械设计概述,3）设计步骤,（1）根据使用要求，选择零件的类型和结构；（2）根据工作要求，计算零件上载荷；（3）根据工作条件，选择材料；（4）确定计算准则，计算出零件的基本尺寸；（5）结构设计；（6）校核计算；（7）写说明书。,机械设计概述,知识小结,知识小结,本章结束,桔槔桔槔是在一根竖立的架子上加上一根细长的杠杆，当中是支点，末端悬挂一个重物，前段悬挂水桶。当人把水桶放入水中打满水以后，由于杠杆末端的重力作用，便能轻易把水提拉至所需处。桔槔早在春秋时期就已相当普遍，而且延续了几千年，是中国农村历代通用的旧式提水器具。,侯风地动仪,指南车,记里鼓车,织布机,水运仪象台水运仪象台是以水为动力来运转的天文钟。苏颂和韩公廉于宋元祜元年（公元1086年）开始设计，到元祜七年全部完成。台高约12米,宽约7米，最上层设置浑仪且有可以开闭的屋顶，这已具现代天文台的雏型。中层是浑象.下层是报时系统。这三部分用一套传动装置和一组机轮联接起来，用漏壶水冲动机轮，带动浑仪、浑象、报时装置一起转动。可通过控制匀速流动的水来调节枢轮向某一方向等时转动，使浑仪和浑象的转动与天体运动保持同步。在报时装置中巧妙地利用了160多个小木人，钟、鼓、铃、钲四种乐器，不仅可以显示时、刻，还能报昏、旦时刻和夜晚的更点。水运仪象台的机械传动装置，类似现代钟表的擒纵器，被英国的李约瑟认为“很可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。,秦陵二号铜车马,铜车马说明,1980年冬，我国考古工作者在陕西临潼县东的秦始皇陵发掘出土了两乘大型彩绘铜车马。二号铜车马通长317cm，车高106.2cm。据研究，这两乘大型彩绘铜车马制作于公元前三世纪，车的结构和系驾关系完全模拟实物，与真车无异。铜车马结构复杂，由3462件(包括金银制零件1720件)个部件组合而成，采用了铸造、焊接、铆接、销钉固定、冲凿、錾刻、抛光等工艺，以及各种各样的连接机构。铜车马除采用部分金银饰件外，其余全部为青铜铸件，而且能按不同的使用性能选用不同的合金比例。铜车马结构合理，工艺精湛，虽埋在地下两千多年，但各部连接十分灵活，窗门启闭自如，牵动辕衡，带动轮轴转动，可以载舆以行。铜车马制作精美，比例恰当，装饰华丽，是我国古代科技艺术与造型艺术完美结合的典范，是劳动人民智慧的结晶，充分显示了我中华民族卓越的创造才能，在中国和世界机械史上留下了极其光辉一页。（摘自机械工程师进修大学刊授教材第一册20页1984年）,青铜立人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，1986年于四川广汉三星堆遗址二号祭祀坑出土，整体由立人像和台座两大部分接铸而成。立人像头戴莲花状（代表日神）的兽面纹和回字纹高冠，后脑勺上铸有一凹痕，可能原有发簪之灯的饰物嵌于此。身着窄袖与半臂式右衽套装上衣三件。最外一层为单袖半臂式连肩衣，衣上佩方格状类，似编织而成的绶带，绶带两端在背心处结襻，襻上饰物已脱。衣左侧有两组相同的龙纹，每组为两条，呈已字相背状。衣服右衽前后两边各有竖行的两组纹饰图案，一组为横倒的蝉纹，另一组为虫纹和目纹（甲骨文和西周金文蜀字是由目和虫组成）相间的纹饰。中间一层为V形领，短袖。衣左背后有一卷龙纹。最里一层深衣分前后裾，前裾短而平整，后裾长，两侧摆角下垂近脚踝。在前后裾上有头戴锯齿形冠的兽面纹。脚戴镯，赤足立于兽面台座上。,青铜立人像介绍,金杖系用金条捶打成金皮后，再包卷在木杖上；出土时木杖已炭化，仅存金皮，金皮内还残留有炭化的木渣。在金杖一端，有长约46厘米长的一段图案，图案共分三组：靠近端头的一组，合拢看为两个前后对称，头戴五齿巫冠，耳饰三角形耳坠的人头像，笑容可掬。另外两组图案相同，其上下方分别皆是两背相对的鸟与鱼，在鸟的颈部和鱼的头部叠压着一支箭状物。,金杖的介绍,青铜神树树干高384厘米，通高396厘米，由树座和树干两部分组成。树座略呈圆锥状，底座呈圆环形，上饰云气纹，底座之上为三山相连状，山上亦有云气纹。树干接铸于山顶正中，干直，树根外露。树干上有三层树枝，每层为三枝丫，枝丫端部长有果实，一果枝上扬，果上站立一鸟，两果枝下垂。在树桠和果托下分别铸有火轮。在树的一侧，有一条龙援树而下，龙身呈辫索状马面头，剑状羽翅。从造型来看，该青铜神树应是代表东方的神木“扶桑”。,青铜神树介绍,在三星堆出土的众多青铜面具中，造型最奇特、最威风的要算青铜纵目面具。纵目面具均出自二号祭祀坑，共3件，分大小两型。其中A型2件较小，B型的1件则较大。B型面具就是这件有“千里眼”、“顺风耳”之誉的大型青铜纵目面具。其形象特征为：眉尖上挑，双眼斜长，眼球呈极度夸张，呈柱状向前纵凸伸出达16厘米；双耳向两侧充分展开；短鼻梁，鼻翼呈牛鼻状向上内卷；口阔而深，口缝深长上扬，似微露舌尖，作神秘微笑状。其额部正中有一方孔，可能原补铸有精美的额饰，可以想象，它原来的整体形象当更为精绝雄奇。,青铜纵目面具介绍,三星堆出土的“玉边璋”为商代文物，通长54.5公分，遍体满饰图案，生动刻画了原始宗教祭祀场面。图案上下两幅对称布局，内容相同，最上一幅平行站立三人，头戴平顶冠，戴铃形耳饰，双手在胸前做抱拳状，脚穿翘头鞭，两脚外撇站成一字形。第二幅是两座山，山顶内部有一圆圈(可能代表太阳)，在圆的两侧分别刻有“云气纹”，两山之间有一盘状物，上有飘动的线条状若火焰。在山形图案的低部又画有一座小山，小山的下部是一方台(可能代表祭祀台)，山的外侧，一只大手，仿佛从天而降，伸出拇指按在山腰上。第三幅是两组S形勾连的云雷纹。云雷纹下的一幅也是三个人，穿着和手势与第一幅相同，所不同的是这三个人戴着山形高帽，双脚呈跪拜的姿势。第五幅又是两座山，内部结构与第二幅相同，所不同的是山外两侧各立有一牙璋，右边的山头伸出一个状若象勾状物横在两山之间。这些图案反映出古蜀人在祭坛上举着牙璋祭祀天地和大山，而且天神已有反应，伸出拇指按在山腰上，这是要赐福于下界的表示。,玉边璋介绍,2014年7月国学频道“国宝”栏目报道“云纹铜禁”时讲到，出土时铜禁已碎，是一个教授带领四个研究生经过三年的时间修复好的。现在全世界只有三件。,通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、