机械设计基础近机、非机类ch

第1章绪论（时间：1次课，2学时）教学目标：机械设计基础课程是研究常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点及基本的设计理论和设计分析的方法，这些知识将通过一些机构和零件进行讲授。对于一般的机器，我们在日常生活中已有了不同程度的认识。但是，一部机器是怎样组成的？如何完成既定的功能？其中哪些问题与本课程有关？等等。对于这些问题，我们可以通过对典型机械的分析来认识。通过本章的学习，要求读者了解本课程研究的内容、性质和任务。

第1章绪论教学重点和难点：机器的组成及其分析方法。本课程的性质、内容以及学习方法。机械设计的一般程序。机械零件设计的一般程序。机械、机器、机构、构件以及零件的概念。第1章绪论案例导入：如图1-1所示的是一台自动组装机，由工业编程控制器进行控制、安全监测、质量检测、计数的六工位组装机；它可以根据需要设计相应的夹具及工装，代替人完成装配动作。在我们的生产、生活中有许许多多的机器，有哪些内容和机械设计基础课程有关？如何认识机器、分析机器？这些将要在本书的内容中逐步得到解答。第1章绪论第1章绪论图1-1自动组装机1—载物工作台；2—PLC控制箱；3—电源；4—气动控制箱；5—信号采集发生器1.1机器的组成1.2机械设计的基本要素1.3机械零件材料选用原则1.4机械零件的制造工艺性及标准化1.5本课程的内容、性质和任务1.6实验与实训1.7习题第1章绪论1.1.1机器的组成和分析1.1.2机器的组成要素1.1机器的组成机械制造业为人类提供了日常生活、各行各业生产所需要的机械。机械能代替、减轻人们的体力劳动和脑力劳动，提高劳动生产率和保证产品的质量；也只有机械化的生产才能进行严格的分工和科学的管理。因此，机械的发展水平也代表了国家工业、科学技术的发展水平。在装备制造业中，机械设计是第一步，是产品成败的关键。1.1机器的组成在如图1-1所示的自动组装机中，各个工位根据设定的程序与动作，通过气动元件和机械运动完成其相应的组装功能。载物工作台与各个工位相配合完成严格的协调动作，只有在各工位全部完成装配动作后，由控制发出指令，工作台将转动一个工位后停止，再进行下一个动作的循环。图1-2所示为自动组装机的传动系统图，电机1通过皮带2和变速箱4可以将电机的转速改变；电磁离合器3则可以通过控制自动离合；槽轮机构5把连续的转动运动改变为工作台的间歇运动；链传动6与主运动同步转动带动PLC信号采集器7，使信息的采集、反馈与机械的转动同步；各工位可根据需要设计结构，其中一个位置的工作装置是通过凸轮机构8、齿轮10与齿条9组成，完成一个工位的组装动作；夹具11与工装位置相对应，根据需要可以夹持或固定零件。这一系列运动的配合是通过信号的接收、信息的反馈和控制器的处理来完成。信息采集发生器通过链传动与工作台的主轴同步转动，这样使整机的运动循环可以随机械传动速度的快慢同步进行。转动速度通过对电机进行变频调速来完成无级变速。如图1-3所示的内燃机由气缸1、活塞2、连杆3、曲轴4、小齿轮5与大齿轮6、凸轮7与顶杆8等组成。当内燃机工作时，燃气推动活塞做往复移动，经连杆变为曲轴的连续转动。凸轮与顶杆用来控制进气和排气。曲轴经过齿数比为1∶2的齿轮5与6，带动凸轮轴转动，使得曲轴每转两周，进、排气门各启闭一次。这样的协调运动的配合，就把燃气热能转变为曲轴连续旋转的机械能。从以上两个示意图可以看出，比较复杂的现代化机器中，包含着机械、电气、气(液)动、控制监测等系统的部分或全部组成，但是不管多么现代化的机械，在工作过程中都要执行机械运动，进行机械运动的传递和变换。因此，机械的主体是机械系统。从功能组成分析，机器的基本组成部分有：原动部分是整机的驱动部分，如组装机中的电机、压力气源；执行部分是完成机器的预定功能的组成部分，如组装机中的夹具、工装；传动部分完成运动形式、运动及动力参数的转变，如带传动、链传动、减速器、间歇机构等；控制部分及其他辅助系统对机器的自动化控制与管理是必不可少的重要组成部分，如信号采集发生器、编程控制器。1.1.1机器的组成和分析

1.1.1机器的组成和分析

图1-2自动组装机传动系统图1—电机；2—皮带；3—电磁离合器；4—变速箱；5—槽轮机构；6—链传动；

7—信号采集器；8—凸轮机构；9—齿条；10—齿轮；11—夹具1.1.1机器的的组成成和分分析图1-3内燃机机结构构图1—气缸；；2—活塞；；3—连杆；；4—曲轴；；5—小齿轮轮；6—大齿轮轮；7—凸轮；；8—顶杆只能实实现机机械运运动和和力的的传递递与变变换的的装置置称为为机构构，例例如。。内燃燃机中中由曲曲轴、、连杆杆、活活塞和和气缸缸组成成曲柄柄滑块块机构构，齿齿轮机机构，，凸轮轮机构构等。。运动的的基本本单元元称为为构件件，构构件可可以是是单一一的零零件，，如曲曲轴(如图1-3所示)，也可可以是是由一一些零零件通通过连连接组组成的的刚性性体，，如内内燃机机连杆杆(如图1-4所示)。零件是是制造造的基基本单单元，，在各各种机机器中中都可可以用用到的的零件件，叫叫通用用零件件，如如螺栓栓、键键、带带轮、、齿轮轮等；；在特特定类类型的的机器器使用用的零零件叫叫专用用零件件，如如内燃燃机中中的活活塞、、曲轴轴、洗洗衣机机中的的波轮轮、风风扇中中的叶叶轮等等。部件是是一组组协同同工作作的零零件所所组成成的独独立制制造或或独立立装配配的组组合体体，如如减速速器等等。这些零零、部部件从从机器器的全全局出出发，，相互互关联联、互互相影影响组组成一一部完完整的的机器器。一部完完整的的机器器都是是由一一个或或一些些机构构组成成，能能够实实现机机械运运动，，做有有用的的机械械功或或实现现能量量、物物料、、信息息的传传递与与变换换的装装置。。对能量量进行行转换换，实实现其其他种种类的的能量量转换换为机机械能能的机机器是是动力力机械械，如如内燃燃机、、水轮轮机、、电动动机、、气动动马达达、液液压马马达等等。对物料料进行行转换换，完完成某某种工工作或或工艺艺过程程的机机器是是工作作机器器，如如各种种切削削加工工设备备、运运输机机械、、食品品加工工机械械等；；还包包括球球磨机机、摇摇号机机等随随机运运动的的机器器。对信息息进行行转换换，实实现电电、热热、压压力、、变形形等形形式的的信息息与机机械运运动信信息之之间的的传递递与转转换的的机器器，称称为信信息机机器，，如检检测装装置、、计量量装置置等。。机械是是机器器与机机构的的总称称。1.1.2机器的的组成成要素素1.1.2机器的的组成成要素素(a)连杆(b)连杆拆拆分件件图1-4内燃机机连杆杆1.2.1机械设设计的的基本本要求求1.2.2机械设设计的的一般般程序序1.2.3机械零零件设设计的的一般般步骤骤1.2.4机械零零件的的设计计方法法1.2机械设设计的的基本本要素素1.2机械设设计的的基本本要素素机械设设计的的目的的是创创造性性地实实现具具有预预期功功能的的新机机械或或改进进现有有机械械的功功能。。机械设设计应应满足足的基基本要要求主主要有有：在在实现现预期期使用用功能能的前前提下下，尽尽可能能性能能好、、效率率高、、成本本低，，具有有一定定的可可靠性性；应应考虑虑到操操作方方便、、维护护简单单、便便于运运输等等。1.2.1机械设设计的的基本本要求求设计机机械的的程序序视具具体情情况而而定，，一般般分为为产品品规划划、方方案设设计、、技术术设计计和加加工设设计四四个阶阶段。。1.产品规规划阶阶段在根据据市场场预测测、用用户需需求调调查和和可行行性分分析后后，制制定出出机器器的设设计任任务书书，明明确设设计要要求。。2.方案设设计阶阶段方案设设计包包括了了机械械产品品的功功能原原理设设计，，确定定机器器的工工作原原理和和技术术要求求，初初步拟拟定机机器的的总体体布置置、传传动方方案和和机构构运动动简图图等，，对机机构进进行运运动分分析与与设计计。从从多种种方案案中，，经优优化筛筛选与与评价价，选选取较较理想想的方方案。。3.技术设设计阶阶段主要工工作包包括：：总体体设计计、结结构设设计、、施工工设计计、商商品化化设计计、模模型试试验等等。要要在方方案设设计的的基础础上，，进行行结构构和主主要零零部件件工作作能力力的设设计，，完成成装配配图、、零件件图及及编写写设计计计算算说明明书、、使用用说明明书等等技术术文件件。4.样机试试制和和鉴定定根据图图纸、、技术术文件件进行行样机机的试试制；；对样样机进进行性性能检检测、、修改改和改改进；；组织织鉴定定并进进行经经济技技术评评价。。通过过后，，才可可批量量投产产或交交付用用户使使用，，还需需要收收集反反馈的的信息息，作作为将将来进进一步步改进进的依依据。。1.2.2机械设设计的的一般般程序序(1)根据零零件的的使用用要求求，选选择零零件的的类型型并设设计零零件的的结构构。(2)根据机机器的的工作作要求求，计计算作作用在在零件件上的的载荷荷。(3)根据零零件的的类型型、结结构和和所受受载荷荷，分分析零零件的的失效效形式式，确确定零零件的的设计计准则则。(4)根据零零件的的工作作条件件，选选择材材料。。(5)根据设设计准准则进进行计计算，，确定定零件件的基基本尺尺寸。。(6)绘制出出零件件工作作图并并编写写设计计说明明书。。1.2.3机械零零件设设计的的一般般步骤骤机械零零件的的设计计方法法，通通常把把过去去长期期采用用的设设计方方法称称为常常规设设计方方法，，近几几十年年发展展起来来的设设计方方法称称为现现代设设计方方法。。此处处仅介介绍本本书使使用的的常规规设计计方法法。1.理论设设计按照机机械零零件的的结构构及其其工作作情况况，将将其简简化成成一定定的物物理模模型，，运用用力学学、弹弹性力力学、、热力力学、、摩擦擦学等等理论论推导导出来来的设设计公公式和和用实实验数数据进进行设设计的的方法法称为为理论论设计计。这这些设设计公公式有有两种种不同同的使使用方方法。。(1)设计计计算。。按设设计公公式直直接求求得零零件的的有关关尺寸寸。(2)校核计计算。。已知知零件件的各各部分分尺寸寸，校校核它它是否否能满满足有有关的的设计计准则则。2.经验设设计根据对对同类类零件件已有有的设设计与与使用用实践践，归归纳出出经验验公式式和数数据，，或者者用类类比法法进行行的设设计称称为经经验设设计。。对于于某些些典型型零件件，这这是很很有效效的设设计方方法。。经验验设计计也用用于某某些目目前尚尚不能能用理理论分分析的的零件件设计计中。。对于尺尺寸很很大，，结构构复杂杂，工工况条条件特特殊，，又难难以进进行理理论计计算和和经验验设计计的重重要零零件，，可采采用模模型或或样机机，通通过实实验考考核其其性能能，并并取得得必要要数据据后，，再根根据实实验结结果修修改原原有设设计。。但这这种方方法费费时、、成本本高，，只用用于特特别重重要的的设计计。1.2.4机械零零件的的设计计方法法机械零零件常常用的的材料料有钢钢、铸铸铁、、有色色金属属和非非金属属等，，常用用材料料的牌牌号、、性能能及热热处理理知识识可查查阅机机械设设计手手册。。在机械械设计计中选选择材材料是是一个个重要要环节节。随随着材材料科科学的的不断断发展展，机机械制制造业业对零零件的的要求求在提提高。。因此此，设设计者者在选选择材材料时时，应应充分分了解解材料料的性性能和和适用用条件件，并并考虑虑零件件的使使用、、工艺艺和经经济性性等要要求。。1.使用要要求为保证证机械械零件件不失失效，，根据据载荷荷作用用情况况，对对零件件尺寸寸的限限制和和零件件重要要程度度，对对材料料提出出强度度、刚刚度、、弹性性、塑塑性、、冲击击韧性性、阻阻尼性性和吸吸振性性等力力学性性能方方面的的相应应要求求。同同时，，由于于零件件工作作环境境等其其他需需求，，对材材料可可能还还有密密度、、导热热性、、抗腐腐蚀性性、热热稳定定性等等物理理性能能和化化学性性能方方面的的要求求等。。1.3机械零零件材材料选选用原原则2.工艺要要求选择零零件材材料时时必须须考虑虑到加加工制制造工工艺的的影响响。铸铸造毛毛坯应应考虑虑材料料的液液态流流动性性、产产生缩缩孔或或偏折折的可可能性性等；；锻造造毛坯坯应考考虑材材料的的延展展性、、热脆脆性和和变形形能力力等；；焊接接零件件应考考虑材材料的的可焊焊性和和产生生裂纹纹的倾倾向等等；对对进行行热处处理的的零件件应考考虑材材料的的可淬淬性、、淬透透性及及淬火火变形形的倾倾向等等；对对于切切削加加工的的零件件应考考虑材材料的的易切切削性性、切切削后后能达达到的的表面面粗糙糙度和和表面面性质质的变变化等等。3.经济性性从经济济观点点出发发，在在满足足性能能要求求的前前提下下，应应尽可可能选选用价价廉的的材料料，以以降低低材料料费用用。另另外，，还应应综合合考虑虑到生生产批批量等等因素素的影影响，，如大大量生生产宜宜用铸铸造毛毛坯；；单件件生产产采用用焊接接件，，可以以降低低制造造费用用。1.3机械零零件材材料选选用原原则1.4.1机械零零件的的工艺艺性1.4.2机械零零件设设计中中的标标准化化1.4机械零零件的的制造造工艺艺性及及标准准化1.4机械零零件的的制造造工艺艺性及及标准准化零件的的工艺艺性是是指在在既定定的生生产条条件和和规模模下，，能用用较少少的劳劳动和和较低低的成成本把把零件件制造造和装装配出出来。。为此此，设设计者者必须须了解解零件件的制制造工工艺，，能从从材料料选择择、毛毛坯制制造、、机械械加工工、装装配以以及维维修等等环节节考虑虑有关关的工工艺问问题。。1.4.1机械零零件的的工艺艺性零件的的标准准化、、部件件的通通用化化和产产品的的系列列化是是我国国实行行的一一项重重要的的技术术经济济政策策。在机械械设计计中零零件标标准化化，在在制造造上可可以实实行专专业化化大批批量集集中生生产，，提高高产品品质量量，降降低成成本，，便于于维修修管理理；在在设计计上可可以减减少设设计量量和设设计周周期。。我国国现行行标准准分为为国家家标准准(GB)、部颁颁标准准(如JB、YB等)和企业业标准准三级级。出出口产产品应应采用用国际际标准准(ISO)。通用化化是在在系列列产品品内部部或在在跨系系列的的产品品之间间，采采用同同一结结构和和尺寸寸的零零部件件。它它可以以最大大限度度地减减少产产品的的规格格、形形状、、尺寸寸和材材料品品种等等，实实现通通用互互换。。系列化化是将将产品品尺寸寸和结结构按按尺寸寸大小小分档档，按按一定定规律律优化化组合合成产产品系系列，，以减减少产产品型型号数数目，，以较较少的的品种种规格格满足足用户户的广广泛需需要。。1.4.2机械零零件设设计中中的标标准化化按机械械系统统的功功能组组成划划分为为三部部分，，即机机械的的执行行系统统、机机械的的传动动系统统以及及机械械的连连接设设计。。机器器执行行系统统中普普遍使使用的的机构构如连连杆机机构、、凸轮轮机构构、齿齿轮机机构和和间歇歇机构构等。。机械械中普普遍使使用的的传动动和零零件，，例如如齿轮轮传动动、带带传动动、链链传动动和螺螺栓、、轴、、轴承承、弹弹簧等等。本本书主主要研研究机机器中中这些些常用用机构构和通通用零零件的的工作作原理理、结结构特特点、、基本本设计计原理理和计计算方方法。。《机械设设计基基础》是一门门技术术基础础课程程，通通过对对本课课程的的学习习，学学生能能获得得分析析、选选用和和维护护简单单机械械设备备的基基础知知识，，为进进一步步学习习专业业课和和今后后从事事相关关的机机械工工程方方面的的工作作打下下必要要的理理论基基础。。通过本本课程程的学学习，，应达达到以以下基基本要要求。。(1)了解机机构的的组成成、运运动特特性，，初步步具有有分析析和设设计常常用机机构的的能力力。(2)初步掌掌握通通用机机械零零件的的工作作原理理、结结构特特点、、设计计计算算和维维护等等知识识，并并初步步具有有分析析机械械传动动装置置的能能力。。(3)初步具有有运用标标准、规规范、手手册、图图册及查查阅有关关技术资资料的能能力。(4)获得实验验技能的的初步训训练。1.5本课程的的内容、、性质和和任务实验目的的通过对机机器的分分析，了了解机械械的运动动过程及及实现的的方法。。通过对机机器的分分析，了了解并进进一步掌掌握机器器的组成成；了解解机械系系统的概概念。1.6实验与实实训实验内容容实训1对如图1-3所示的内内燃机进进行分析析，认识识一些机机构。1.6实验与实实训实训要求求用已有的的知识为为基础，，分析内内燃机的的运动来来源于气气体的燃燃烧、膨膨胀实现现进气、、排气的的过程。。要将运运动和动动力传递递出去则则需要将将活塞的的往复运运动通过过曲轴转转换成转转动旋转转的运动动，这一一运动的的转换是是通过曲曲柄滑块块机构完完成的。。同时，，通过齿齿轮的齿齿数关系系又实现现了进气气、排气气、点火火等动作作的协调调，其气气门的开开关动作作由凸轮轮机构控控制。实训2对如图1-2所示的自自动组装装机进行行分析。。1.6实验与实实训实训总结结(1)一部机械械是由多多个机构构组成的的，机构构之间的的动作通通过设