机械设计基础 第01章 概论20110028课件

1、机械设计基础Basis of Mechanical Design Who ? 路 e-mail: 北京理工大学机械与车辆工程学院机械设计基础（BIT）-by 路敦勇敦勇机械设计基础第一章 概 论第二章 平面机构的结构分析第三章 平面连杆机构第四章 凸轮机构第五章 间歇运动机构第六章 齿轮传动第七章 蜗杆传动第八章 带传动第九章 常见其他传动简介第 十 章 轮 系第十一章 联 接第十二章 轴和联轴器第十三章 滑动轴承第十四章 滚动轴承第十五章 机械的调速和平衡第十六章 机械系统的设计第十七章 现代设计方法简介机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第一章 概 论机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第

2、一节 引言第二节 机械零件材料学基础第三节 机械设计中的摩擦学基础 机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第一节 引 言一、课程的内容、性质和任务二、机械设计的一般基本过程简介三、机械零件的设计准则机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务（一）课程内容(机械原理机械设计金属材料热处理几何精度规范学) 研究机械中常用机构和通用机械零部件（各种机械中普遍使用的零部件）的工作原理、结构特点、基本设计理论和方法。常用机构设计连杆机构凸轮机构间歇运动机构棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务通用零部件设计联接零件: 螺纹联接、键联

3、接、销联接等。轴系零件：轴、 轴承（滑动轴承、滚动轴承） 联轴器等。机械系统的调速与回转件的平衡机械系统设计现代设计法方法简介传动零件: 齿轮传动、蜗杆传动、带传动、 链传动等。一、课程的内容、性质和任务齿轮传动蜗杆传动带传动圆柱平摩擦轮传动链传动主要传动形式机械设计基础（BIT）-by 路敦勇机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务（二）与本课程有关的几个基本概念机械：机器：机构：零件：构件：机器和机构的总称。machinery根据某种使用要求设计的一种执行机械运动的装置。可实现能量变换或传递能量、物料或信息。实例：皮带输送机、内燃机、起重汽车、金属切削机床、电话机和计

4、算机等。machine 执行机械运动的装置，与机器一起通称为机械。mechanism由若干零件刚性联接而成，机器中能独立运动的最小单元体。link机器加工制造的最小单元。part数控立式铣床一、课程的内容、性质和任务电动机港口用起重机订书机电话1-气缸体；2-活塞；3-连杆；4-曲轴5、6-齿轮；7-凸轮；8-进气阀顶杆 机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务连杆曲轴单缸发动机机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务（四）课程性质综合性、应用性强 培养学生设计能力的专业技术基础课。 应具有必要的基础理论和金属加工工艺知识。 必要的先修课程： 高等数

5、学 几何精度规范学 机械制图 金属材料学工程力学 金工实习 推荐参考书： 孙桓. 机械原理（第六版）M. 北京:高等教育出版社濮良贵. 机械设计（第七版）M. 北京:高等教育出版社申永胜. 机械设计教程M. 北京: 清华大学出版社080917-4W-1T-2H机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务（五）课程任务获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。运用设计手册、图册、标准和规范等查询有关设计资料能力。通过课程设计训练，了解机器设计原则和主要内容。具有运用所学知识设计机械传动装置和简单机械的能力掌握典型零件的实验方法和培养实验技能 。了解常用的现代设计方法及机械工程

6、学科的发展动向 。掌握常用机构和通用零、部件的设计理论和方法。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇一、课程的内容、性质和任务（六）学习方法注重基础理论知识学习；注重联系工程实际；注重独立思考能力的培养，不惟教材和老师观点马首是瞻。注重创新设计能力培养，实现由knowledge到ability的转变；20100308-1W-1T-2H20110228-1W-1T-2H机械设计基础（BIT）-by 路敦勇二、机械设计的一般基本过程简介串行设计1. 产品规划明确机械功能目标 根据社会和市场需求，敏锐地感知市场信号，来确定设计机械（机器）的功能范围和性能指标，拟订设计任务书。2. 方案设计机构设计机构

7、协调设计 按设计任务书的要求，构思出多种可行设计方案，通过对比、筛选，选择出相对最优方案: 功能满足要求、工作原理可靠、结构设计合理、制造成本低廉。实例分析：压片机的机构协调设计deform； deformation振幅超过许用值。动态设计应解决问题。（二）机械零件的主要失效形式如何进行机械故障诊断？思考振动过大 ：零件表面失效：零件在拉、弯、扭载荷作用下 ，可能发生断裂，强度 不合格。 主要有过载断裂和疲劳断裂两种形式。fracture零件过大弹性变形超过许用值，为刚度不合格。vibration 过大接触应力作用造成。主要有点蚀（疲劳磨 损）、磨损失效（磨粒磨损）、胶合失效（黏着磨损）、塑性

8、变型、腐蚀。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇三、机械零件的设计准则（三）机械零设计时应满足的基本要求强度准则刚度准则振动稳定性准则挠度偏转角扭转角（1）避免在预定寿命内失效设计准则表面强度（2）工艺性和经济性要好（3）符合人因工程学要求-宜人性（4）可靠性要高在规定时间内正常工作的概率第二节 机械零件材料学基础 金属材料 机械零件通常都是由金属材料制成的，有时也用非金属材料、复合材料制造。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金 钢：含碳量小于2%,大于0.7%的铁碳合金 有色金属：主要有铜合金和铝合金碳素钢碳素结构钢碳素工具钢：T7、T8普通碳素结构钢 如Q23

9、5、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C0.25% 如20 合金钢合金结构钢合金工具钢 特殊钢： 不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、 耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢 如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低合金结构钢 如12Mn弹簧钢 如60Si2MnA中碳钢0.6%C0.25% 如45 高碳钢0.6%C 如60 钢机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 一般合金工具钢 高速工具钢 硬质合金工具钢 080919-4W-2T-4H机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 钢的优点：钢具有较高的强度、韧性和塑性，

10、可以借助合理的热处理方法来改善其力学性能和加工性能；钢制零件可以锻造、冲压、焊接等主要方法获得，应用广泛。090930-4W-2T-4H机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 铸铁灰铸铁：HT100、HT300，良好的铸造性、切削加工性、 耐磨性， 消振性，但抗拉强度低。球墨铸铁：QT400-18、QT500-7，强度和塑性比灰铸铁 有很大提高，具有良好的耐磨性，但铸造性 较差。可锻铸铁： KTH300-06 ,强度、塑性、韧性、耐磨性均较 高，能承受冲击振动 , 但生产周期长，成本较 高。铸造大尺零件较困难。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基

11、础 铸铁优点：成本低廉具有优良的铸造性能、良好的易熔性和液流动性，易于铸造形状复杂的零件；具有优异的减振性能和良好的耐磨性能（自润滑性）。铸铁缺点：铸铁的疲劳强度和塑性性能不如钢，不能承受较大冲击载荷。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 3 有色金属 （1）铜合金 黄铜 铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素，如 ZCuZn38等。 青铜 青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等，如 CuAl10Fe3、 ZCuSn5PbZn5。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、 耐磨性和耐腐蚀性。（2）铝及铝合金铝合金密度只有钢材的1/3，但其强度和刚度接近于钢。铝合金具有良好的导热、

12、导电性能，其导电性能大约为铜的60%， 但由于重量轻，在远距离输送电时所用电缆中常由铝代替铜线。无毒具有良好的抗腐蚀性，用于建筑结构工业、电器工业和航空航天工业中，例如波音747飞机上81的材料都是铝合金。20100310-1W-2T-4H20110303-1W-2T-4H机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 二、非金属材料 1工程塑料 （1）尼龙 品种、数量及应用上居工程塑料之首，它强度高，耐磨性好，耐化学腐蚀。但易吸收水分而影响尺寸的稳定性。 （2）聚碳酸脂 在工程塑料中韧性最好，透光率达90%，连续使用温度135145，它正取代玻璃和有机玻璃，作为飞机上的挡风夹

13、层和天窗。 （3）聚甲苯 在工程塑料中弹性模量最高，并有高硬度，低摩擦系数和较好的耐疲劳性能，适用于制造小齿轮及轴套等。 （4）聚苯醚 在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数最小，最耐热。 （5）ABS 具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织机械 中。用ABS制成的泡沫夹层板，可作小轿车的车身。ABS:(1)汽 anti-lock braking system. 防抱死刹车系统 (2) 化丙烯腈-丁二烯-苯乙烯机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 二、非金属材料 1工程塑料 2橡胶 常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振等零件 3夹布胶木 常用来制造板材、电

14、工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件。 4其它工业材料 经常使用的非金属材料还有陶瓷、皮革、 木材、纸板等机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 三、复合材料玻璃钢 玻璃和塑料结合而成。 玻璃具有较高的弹性模量和强度，但太脆，而塑料具有良好的塑性、易于加工，但弹性模量和强 度较低，把两者结合起来，就产生了玻璃钢。 硬质合金 陶瓷与金属粉末烧结在一起而成。 陶瓷材料硬度好，但不易于加工成型，将它与金属粉末烧结在一起，就形成了硬度高，耐磨性好且易于加工成形的硬质合金。硼铝复合材料 硼与铝合金结合而成。它的常温和高温强度比高强度的铝合金大得多。美国现在使用的航天飞机的整个桁架支

15、柱，均用硼铝复合材料的管材制造，比原先采用铝合金时，减轻重量44%。 通常由两种材料结合而成，可发挥材料各自的长处，克服各自固有的缺点。常见的复合材料有：机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 四、钢的热处理热处理: 将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能。 1. 退火2. 正火3. 淬火4. 回火5. 调质6. 时效7. 表面处理热处理基本原理示意图( heat treatment )机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 1.退火 annealing 炉温冷却 把钢加热到临界

16、温度（在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度）以上3050，经适当保温后，随炉温一起缓慢冷却下来的热处理工艺称为退火。 退火目的：降低材料的硬度，提高塑性，细化结晶组织结构，改善力学性能和切削加工性能，消除或减小铸件、锻件及焊接件的内应力。 用途：重要零件的预热处理，安排在铸造和锻造后、粗加工前以消除残余应力。不宜作为重要零件的最终热处理。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 2.正火 normalizing空冷，风冷或喷雾冷却 将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后再空冷，风冷或喷雾冷却。它的冷却速度比退火快，作用与退火相似，但比退火经济，成本低

17、。 用途：预热处理，也可作为不重要零件如普通铸件、锻接件的最终热处理。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 3.淬火 quenching / hardening水中或油中迅速冷却 将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后在水中或油中迅速冷却。由于淬火温度变化过快，材料内部形成较大的淬火应力，会导致零件的变形或开裂。 用途：中间热处理，不能作为零件的最终热处理。 4. 回火 tempering 将淬火后零件重新加热到临界温度以下某一温度，保温一段时间后，然后在空气中冷却。根据对零件要求的不同，可采用不同的回火温度。回火温度越高，则材料硬度和强度下降越多，而其塑性和

18、韧性则相应显著提高。 机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 回火种类： 机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 （1） 低温回火 回火温度在150250，主要用来降低材料的脆性和淬火应力，并能保持较高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。 （2） 中温回火 回火温度在350500，其特点是即能保持材料一定的韧性，又能保持一定的弹性和屈服点，常用于弹簧和承受冲击的零件。 （3） 高温回火 回火温度在500650，使零件获得强度、硬度、塑性和韧性都良好的综合力学性能。用途：作为零件的最终热处理。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料

19、学基础 5.调质 structural improvement 淬火加高温回火称为调质。 一些重要的零件，特别是一些在变应力下工作的零件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。可以减小或消除零件的内应力，使零件在工作之前得以充分的变形，零件尺寸可以稳定下来。机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 6.时效低温时效和高温时效。 aging （1）低温时效 将零件加热到100150，保温520小时后，再空冷。 （2）高温时效 将零件加热到略低于高温回火的温度，保温后，缓冷到300以下，出炉空冷。 目的：对于一些要求表面有较高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有较高的韧性以提高其抗

20、冲击能力的零件，可以采用表面处理工艺。表面处理包括表面淬火和化学处理。 机械设计基础（BIT）-by 路敦勇第二节 机械零件材料学基础 （1） 表面淬火 采用快速加热的方法，只将零件表面加热并淬火。它只改变表层组织，心部并不发生变化，心部保持了一定的韧性和强度，而表层得到强化和硬化。 表面淬火有高频感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。 （2）化学处理 化学处理是把零件放入化学介质（碳或氮等）中加热，保温，使介质元素渗入零件表层中，使零件表层的化学组成和组织结构发生变化，来获得对其心部和表层不同性能要求的热处理方法。常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗（氰化）等。080922-5W-3T-6H 7.

21、 表面处理第三节 机械设计中的摩擦学基础一、摩擦机械设计基础（BIT）-by 路敦勇 外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力的现象叫做摩擦，所产生的阻力叫做摩擦力。 干摩擦 摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩擦系数 f = 0.31.5 边界摩擦（边界润滑）两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与流体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。边界膜极薄，不能避免金属间的直接接触，这时仍有摩擦力产生，其摩擦系数 f = 0.10.5。 流体摩擦（流体润滑）摩擦表面间的润滑膜足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的

22、流体摩擦。摩擦系数极小，大约 f = 0.0010.008，无磨损产生，是理想的摩擦状态。 混合摩擦（混合润滑）摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。大约 f = 0.010.08。 第三节 机械设计中的摩擦学基础机械设计基础（BIT）-by 路敦勇二、磨损表面物质在摩擦过程中不断损失的现象称为磨损 一般磨损过程 设计要求：力求缩短磨合期；延长稳定磨损期；推迟急剧磨损期091011-5W-3T-6H第三节 机械设计中的摩擦学基础机械设计基础（BIT）-by 路敦勇黏着磨损 由于两摩擦表面间产生黏着现象而使材料由一个表面转移到另一个表面而造成的磨损称为黏着磨损。 磨粒磨损 两

23、接触表面受外界硬质颗粒的作用或粗糙硬表面把软表面擦伤而引起的表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。 表面疲劳磨损 两摩擦表面受交变接触应力的的作用而形成疲劳裂纹或剥落出微片和颗粒而逐步破坏的磨损，称为表面疲劳磨损。其特征是在开始破坏阶段表面上出现一个个小小的麻坑，故又称这种磨损为点蚀。腐蚀磨损 摩擦表面在磨损过程中物体表面和周围介质发生化学和电化学作用，造成表面材料的损失称为腐蚀磨损。 主要磨损机理：第三节 机械设计中的摩擦学基础机械设计基础（BIT）-by 路敦勇三 、润滑 润滑：向承载的两摩擦表面间引入润滑剂，形成润滑膜，这种方法称为润滑。 作用和目的：减小摩擦和磨损。此外还有防锈、减振、密封、冷却、清除污染和传递动力等作用。润滑剂的分类： 固体：石墨、二硫化钼 半固体：各种润滑脂 液体：各种润滑油、水、液态金属 气体：空气、氦气、氮气等