第1章机械设计概论

1、机机械械设设计计教材：教材：机械设计机械设计主编主编: :李良军李良军出版社：高等教育出版社，出版社：高等教育出版社，20102010 主讲：任亨斌主讲：任亨斌 1龙振宇龙振宇主编，机械设计，主编，机械设计，机械工业出版社，机械工业出版社，2002 2 2濮良贵濮良贵 纪名刚主编，机械设计（第七版），纪名刚主编，机械设计（第七版）， 高等教育出版社，高等教育出版社，20012001年年3 3邱宣怀主编，机械设计（第四版），邱宣怀主编，机械设计（第四版）， 高等教育出版社，高等教育出版社，19981998年年 4 4 余俊等主编，机械设计（第二版），余俊等主编，机械设计（第二版）， 高等教育出版

2、社，高等教育出版社，19861986年年 主要参考书目：主要参考书目：第第1 1章章 机械设计概论机械设计概论1.11.1机械的类型与组成机械的类型与组成 一、机械的类型一、机械的类型 机械机械是机器与机构的统称是机器与机构的统称 。1.1.机器机器 实例一实例一内燃机内燃机 实例二实例二机器人机器人 实例三实例三 工件自动载送装置工件自动载送装置机器的特征：机器的特征： 人造的实物组合体（不是天然形成的）人造的实物组合体（不是天然形成的） ；- -结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实代替或减轻人类劳动完成有用

3、的机械功或实现能量的转换、提供或转换信息现能量的转换、提供或转换信息 。- -能量观点能量观点机器的类型：机器的类型：根据机根据机器器所能实现的功能不同，机器可分为：所能实现的功能不同，机器可分为：动力机器动力机器工作机器工作机器信息机器信息机器2.2.机构机构 机构的特征：机构的特征： 人造的实物组合体（不是天然形成的）人造的实物组合体（不是天然形成的） ；-结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点3.3.机器和机构的区别机器和机构的区别机器能作有用功，而机构不能，机构仅机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预能实现预期的机械运动期的机械运动。两者

4、之间也有两者之间也有联系联系，机器是由若干个机构组成，机器是由若干个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。的系统，最简单的机器只有一个机构。二、机器的功能组成二、机器的功能组成 1）驱动系统驱动系统： 机械动力的来源机械动力的来源2）执行系统执行系统：能完成机械预期的动作能完成机械预期的动作3）传动系统传动系统：把驱动系统的运动和功率传递给工作机的中间环节把驱动系统的运动和功率传递给工作机的中间环节4）操作系统和控制系统操作系统和控制系统就其功能而言，一台完整的机器通常由五部分组成：就其功能而言，一台完整的机器通常由五部分组成： 驱动系统传动系统执行系统框架支撑系统、润滑、照明等辅助系统操

5、作系统和控制系统传感器传感器传感器三、机器、机构的结构组成三、机器、机构的结构组成 1.零件零件 组成机械的组成机械的基本制造单元基本制造单元称为零件称为零件 。零件分为零件分为通用零件通用零件和和专用零件专用零件。 通用零件通用零件包括：包括：齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承等。滚动轴承、滑动轴承等。 专用零件专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。例如：叶片、犁铧、枪栓等。注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。设计方法应在有关专业课中学习。

6、标准标准件：件： 经过优选、简化、统一、并给以标准代号的零经过优选、简化、统一、并给以标准代号的零件和部件称为件和部件称为标准零、部件标准零、部件。如螺栓、螺母、键、。如螺栓、螺母、键、滚动轴承、联轴器等。滚动轴承、联轴器等。2.构构件件 组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即为机械中的为机械中的运动单元运动单元。 零件零件构件构件机构机构机器机器构件的组成：零件构件的组成：零件小结小结: :实例实例：内燃机连杆内燃机连杆1.1.本课程研究的对象及主要内容本课程研究的对象及主要内容四、本课程研究的对象、内容、性质和任务四、本课程研究的对象、内容、性质和

7、任务 （1 1）研究对象）研究对象 ：通用的通用的机械传动装置机械传动装置及普通条件下工作的及普通条件下工作的一一般参数的通用机械零、部件般参数的通用机械零、部件。 （2 2）主要内容）主要内容 ：常用联接常用联接（如螺纹联接、键联接、焊胶联接（如螺纹联接、键联接、焊胶联接等）、等）、常用的机械传动常用的机械传动（带传动、链传动、齿轮（带传动、链传动、齿轮和蜗杆传动等）、和蜗杆传动等）、轴系零部件轴系零部件（轴、轴承、联轴（轴、轴承、联轴器）和器）和弹簧弹簧等的等的工作原理、结构特点、基本的设工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法计理论和计算方法，以及某些，以及某些标准件的选择方法标准件

8、的选择方法。 1.1.本课程的性质和任务本课程的性质和任务 （1 1）课程的性质：）课程的性质：是一门培养学生具有机械设计能力的是一门培养学生具有机械设计能力的技术基础课技术基础课 。（2 2）课程的任务）课程的任务 ：1 1）树立正确的设计思想。）树立正确的设计思想。2 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。3 3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）4 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。5 5）了解机械设

9、计的最新动态。）了解机械设计的最新动态。 五、本课程的特点和学习方法五、本课程的特点和学习方法 本课程的几个特点：本课程的几个特点： 涉及面广涉及面广 关系多关系多因与诸多先修课关系密切。因与诸多先修课关系密切。 要求多要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。 公式多公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。 图表多图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。 门类多门类多各类零件，各有特点，设计

10、方法各异。各类零件，各有特点，设计方法各异。 实践性强实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。 无重点无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。 设计问题无统一答案设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。注意处理好几个关系：注意处理好几个关系： 零件的设计与选用零件的设计与选用 零件设计的两个主要途径。零件设计的两个主要途径。 设计计算与结构设计设计计算与结构设计 设计决非只是计算，同学

11、更应重视结构设计的学习。设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。 性能要求与经济性性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 经验设计与现代设计经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。二者均重要，前者是后者的基础。 具体的设计方法与一般的设计能力具体的设计方法与一般的设计能力 前者是学习的形式，后者是学习的目的。前者是学习的形式，后者是学习的目的。1.21.2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 一、一、机械设计的基本要求机械设计的基本要求1. 实现预期功能要求实现预期功能要求2. 经济性要求经

12、济性要求3. 操作方便与安全要求操作方便与安全要求4. 美学与环保要求美学与环保要求5. 其他特殊要求其他特殊要求1.21.2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 二、二、机械设计的机械设计的主要内容主要内容1.1.选择机器的工作原理；选择机器的工作原理； 2.2.运动和动力计算；运动和动力计算； 3.3.零、部件的工作能力计算；零、部件的工作能力计算；4.4.绘制零、部件及整机的工作图和装配图等绘制零、部件及整机的工作图和装配图等 。三、机械设计的一般程序三、机械设计的一般程序 机器设计的一般程序机器设计的一般程序 市场调市场调研研可行性可行性研究研究原理原理方案方案设计

13、设计技 术技 术设设 计计试制试制试验试验小批生小批生产试销产试销投投产产设设计计任任务务书书定定出出最最佳佳方方案案装配图、装配图、零件图、零件图、技术文件技术文件样样机机评评价价改改进进考核考核工艺工艺性收性收集用集用户意户意见见产产品品销销售售1.31.3机械零件应满足设计的基本要求和设计的机械零件应满足设计的基本要求和设计的一般步骤一般步骤 一、机械零件应满足的基本要求一、机械零件应满足的基本要求 q 避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求q 结构工艺性要求结构工艺性要求q 经济性要求经济性要求q 质量小的要求质量小的要求q 可靠性要求可靠性要求应保证零件有足够的强度

14、、刚度、寿命。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。设计的结构应便于加工和装配。 零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。 质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。应降低零件发生故障的可能性（概率）。1 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷；）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷； 二、机械零件设计的一般步骤二、机械零件设计的一般步骤2 2）按可能的失效形式确定零件的计算准则；）按可能的失效形式确定零件的计算准则；3 3）选择零件的材料；）选择零

15、件的材料；4 4）根据工作能力计算准则建立或选定相应的计算式，）根据工作能力计算准则建立或选定相应的计算式，确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；5 5）零件的结构设计；）零件的结构设计；6 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。三、机械零件的常规设计方法三、机械零件的常规设计方法1.1.理论设计理论设计 设计计算设计计算 2.2.经验设计经验设计 校核计算校核计算 3.3.模型实验设计模型实验设计 四、现代设计方法简介四、现代设计方法简介1.1.计算机辅助设计计算机辅助设计 2.2.优化设计优化设计 3.3.可

16、靠性设计可靠性设计 4.4.模块化设计模块化设计 5.5.并行设计并行设计 1.4 1.4 机械零件的工作能力机械零件的工作能力机械零件由于某些原因不能正常工作时，称为机械零件由于某些原因不能正常工作时，称为失效失效。 常见的失效形式常见的失效形式断裂断裂过量变形过量变形表面损伤表面损伤一、机械零件的主要失效形式一、机械零件的主要失效形式 1.1.断裂断裂断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断

17、裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂2.2.过量变形过量变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形3.3.零件的表面损伤零件的表面损伤 零件的表面损伤主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。零件的表面损伤主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损二、二、 机械零件的工作能力设计计算准则机械零件的工作能力设计计算准则 强度准则：强度准则：刚度准则刚度准则： 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及设计

18、零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：寿命准则寿命准则：振动稳定性准则振动稳定性准则：散热性准则散热性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。本的设计准则。 确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。y yy y 通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。高速运转机械的设计应注重此项准则。高速运转机械的设计应注重此项准则。进行热平衡计算。进行热平衡计算。1.5 1.5 机械零件

19、的常用材料及选用原则机械零件的常用材料及选用原则 一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料1.1.钢钢 含碳量小于含碳量小于2的铁碳合金称为钢。的铁碳合金称为钢。 按用途分：按用途分：按化学成份分：按化学成份分：钢的分类：钢的分类：结构钢结构钢工具钢工具钢特种钢特种钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢在机械中常用钢种：在机械中常用钢种： （2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：4545，用于制造较重要的机械，用于制造较重要的机械零件，是机械制造中广泛应用的钢种。零件，是机械制造中广泛应用的钢种。 （3）合金结构钢：）合金结构钢：40Cr40Cr，应用制造重要的或有

20、特，应用制造重要的或有特殊要求的机械零件。殊要求的机械零件。 （4）铸钢：）铸钢：ZG230-450ZG230-450 （1）碳素结构钢：）碳素结构钢： 用于制造一般要求的零件。用于制造一般要求的零件。 AQ235钢的力学性能：钢的力学性能：mReR2.铸铁铸铁 含碳量大于含碳量大于2的铁碳合金称为铸铁。的铁碳合金称为铸铁。 铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和球墨铸铁。球墨铸铁。 （1）灰铸铁）灰铸铁 灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰铸铁中

21、的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。 200HT（2）球墨铸铁）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸铁经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制铁经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。 3600 QT3.有色金属合金有色金属合金 在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金属则为有色金属。这类金属具有很多特殊的性能，即良属则为有色金属。这类金属具有很多

22、特殊的性能，即良好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是机械制造中不可缺少的材料。很多特殊的用途，是机械制造中不可缺少的材料。 常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。 4.非金属材料非金属材料 在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和弹簧等。弹簧等。 二、金属材料的热处理二、金属材料的热处理 钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温和钢的热处

23、理是将钢在固态下，通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其内部组织结构，从而获得不同的冷却方式，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。所需性能的一种工艺方法。 常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面热处理等。表面热处理等。 名名 称称说说 明明应应 用用退退 火火退火是将钢件（或毛坯）加热到临界温度退火是将钢件（或毛坯）加热到临界温度（一般为（一般为723）以上）以上3050，保温一段，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却时间，然后随炉一起缓慢冷却消除锻、铸、焊的零、构件的内应力；降消除锻、铸、焊的零、构件的内应力；降低硬度使

24、其易于切削加工；细化晶粒，调低硬度使其易于切削加工；细化晶粒，调整组织改善机械性能整组织改善机械性能正正 火火正火是将钢件加热到临界温度以上，保温正火是将钢件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火快比退火快处理低、中碳钢及渗碳零件，作用与退火处理低、中碳钢及渗碳零件，作用与退火类似类似淬淬 火火淬火是将钢件加热到临界温度以上，保温淬火是将钢件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在水、盐水或油中（个别一段时间，然后在水、盐水或油中（个别材料在空气中）急冷下来材料在空气中）急冷下来提高钢件的硬度和强度，但淬火后钢材性提高钢件的硬度和

25、强度，但淬火后钢材性能变脆，并存在着很大内应力，所以还需能变脆，并存在着很大内应力，所以还需要进行低温回火要进行低温回火回回 火火回火是将淬硬的钢件再加热到临界点以下回火是将淬硬的钢件再加热到临界点以下的温度，保温一段时间，然后在空气中或的温度，保温一段时间，然后在空气中或油中冷却下来。根据回火温度不同，又分油中冷却下来。根据回火温度不同，又分低温（低温（150250）回火、中温（）回火、中温（300500）回火、高温（）回火、高温（500650）回火）回火消除淬火后的脆性和内应力，提高钢件的消除淬火后的脆性和内应力，提高钢件的塑性和韧性，低温回火硬度可达塑性和韧性，低温回火硬度可达HRC55

26、62，中温回火硬度可达，中温回火硬度可达HRC3545，高温，高温回火硬度可达回火硬度可达HRC2335调调 质质淬火后再进行高温回火，称为调质淬火后再进行高温回火，称为调质使钢件获得较高的韧性和强度。很多中碳使钢件获得较高的韧性和强度。很多中碳钢制造的零件（如轴类）常用调质处理钢制造的零件（如轴类）常用调质处理表面淬表面淬火火使零件表层有高的硬度和耐磨性，而心部使零件表层有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的强度和韧性。根据加热方法不保持原有的强度和韧性。根据加热方法不同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件渗渗 碳碳将低碳钢或合金钢零件置于渗碳剂中，加将低碳钢或合金钢零件置于渗碳剂中