机械设计基础 第章 概论

第一章概论第一节绪论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

第一节绪论一、课程的内容、性质和任务二、机械设计的一般过程简介三、机械零件的设计准则一、课程的内容、性质和任务1.课程内容2.课程性质3.课程任务

具体研究内容

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、基本设计理论和设计方法。机器

若干个机构组合而成的具有确定运动的运动装置，能实现能量的转化或传递能量、物料或信息，实现预期的工作。如内燃机、电动机、起重汽车、金属切削机床、电话机和计算机等。机构

是机器的组成部分，是由两个或两个以上的构件通过可动联接构成的运动确定的系统，用来传递运动和力。构件是由若干零件刚性联接而成，是机器运动的最小单元。零件

是机器加工制造的最小单元。机器的组成

由原动机、工作机、传动系统等组成。

1.课程内容

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）等。

常用通用零部件设计

传动零件：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动、螺旋传动、摩

擦传动等。

联接零件:螺纹联接、键联接、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（运动方案设计及结构设计）

现代设计法方法简介具体内容传动零件

齿轮传动蜗杆传动带传动传动零件圆柱平摩擦轮传动（a）滑动螺旋;(b）滚动螺旋;（c）静压螺旋

链传动螺旋传动(a)(b)(c)联接零件

螺纹联接键联接销联接轴滑动轴承滚动轴承联轴器轴系零件机器图数控立式升降台铣床电机起重机连杆曲柄内燃机实物图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

1234曲柄滑块机构156齿轮机构178凸轮机构机器的组成原动机：驱动机器完成预定功能的动力源工作机：完成机器预定功能的组成部分传动系统：传递运动和动力。有机械传动、电力传动和液力传动等。原动机传动系统工作机

控制系统辅助系统（润滑、显示、照明等（实例）本课程只研究机械传动。原动机：汽油机和柴油机。传动系统：离合器、变速箱、传动轴和差速器。工作机：车轮、悬挂系统和底盘。控制系统：方向盘和转向系统、排档杆、刹车及其踏板、离合器及其油门。辅助系统：油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电平电流表、电压表等为显示系统；后视镜、车门锁、刮油器等为其它辅助系统；前后灯、仪表盘灯为照明系统；转向信号灯和车尾红灯为信号系统。机器组成实例2.课程性质

综合性、应用性很强的培养学生设计能力的专业技术基础课。课前应具有必要的基础理论和金属加工工艺知识。必要的先修课程有

高等数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

3.课程任务（1）获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。（2）运用有关设计手册、图册、标准、规范等有关设计资料的能力。（3）掌握常用机构和通用零、部件的设计理论和方法。（4）通过课程设计的训练，了解机器设计原则和主要内容,

用所学的有关知识设计机械传动装置和简单机械的能力。（5）掌握典型零件的实验方法和培养实验技能。（6）了解常用的现代设计方法及机械发展动向。二、机械设计的一般过程简介1.产品规划

根据社会的需要和市场的需求，确定所设计机械（机器）的功能范围和性能指标，拟订设计任务书。2.方案设计

按设计任务书的要求，尽量构思出多种可行的设计方案，通过对比、筛选，优选出一种功能满足要求、工作原理可靠、结构设计合理、制造成本低廉的最优方案。3.技术和施工图设计

对已选定的设计方案进行分析计算，确定机构和零件的工作参数以及机械（机器）的主要结构尺寸，完成每一个零件的结构设计，按照国家标准，绘制出整台机器的设计总图和全部零、部件的施工图，编写有关技术文件。4.试制、调试、鉴定

进行样机试制，对样机进行试验、测定，从技术上、经济上作出评定，提出改进意见。1、机械零件的主要失效形式

2、机械零件的设计准则三、机械零件的设计准则失效：在规定的工作条件下机械零件失去了正常工作能力。断裂：零件在拉、弯、扭载荷作用下，当或时，就可能发生断裂，属强度不合格。

疲劳断裂过载断裂变形过大：时发生,属刚度不合格。振动过大甚至共振：振幅超过了许用值。零件表面失效：

过大接触应力作用造成。

胶合失效（黏着磨损）、点蚀（疲劳磨损）、磨损失效（磨粒磨损）、塑性变型。在化学腐蚀介质的接触和作用下产生腐蚀失效。

1、机械零件的主要失效形式保证机械零件在要求的寿命内不出现各种失效。

强度准则，

刚度准则挠度偏转角扭转角

振动稳定性准则

使受激振作用的各个零件的固有频率f与激振源的频率fp错开。通常应保证

fp

0.85f或fp

1.15f

磨擦学准则

验算压强

p≤[p]验算pv

pv≤[pv]

验算速度v≤[v]2、机械零件的设计准则第二节

机械零件材料学基础

一、金属材料二、非金属材料三、复合材料

四、钢的热处理简介

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和复合材料制造。一、哄金属尿材料1．钢2．铸铁3.有色金色属（含碳量小只于2%,罗大于0.吴7%的铁形、碳合金）1.钢碳素钢碳素结兵构钢碳素工雷具钢：T7、屿T8普通碳合素结构红钢如Q23多5、Q2境75等优质碳素晃结构钢低碳钢C吨＜0.2津5%盗如20合金钢合金结吨构钢合金工具保钢、贴高速工具翅钢、硬质描合金工具岔钢特类钢不锈钢，坊如2Cr徐13、滚衬动轴承钢血，如GG改r9Si怪Mn、耐热钢荷，如3香Gr1燃8Ni亿25S虎i2等裙。合金结构倦钢如35C皮rMn2拦，40C州rNiM俯oA(优偏质）低金结构敬钢如12M畜n弹簧钢如60S韵i2Mn不A中碳钢0逼.6%＜葬C＜0.高25%岗如45高碳钢0堵.6%＜层C券如60钢2.铸林铁（含碳量桃大于2忍%的铁予、碳合柳金）（1）灰买铸铁如HT1寒00、羡HT3丙00,绞良好的浪铸造性邻、切削顺加工性绩、耐磨性汉，消振头性，但浊抗拉强艘度低。（2）球粉墨铸铁如QT40盗0-18领、QT5恼00-7监,强度和舅塑性比灰角铸铁有很大的提漏高，具有葛良好的耐霸磨性，但四铸造性较筛差。（3）可小锻铸铁如KTH村300窗-06疑,强拿度、塑稠性、韧撕性、耐买磨性均较高，能骂承受冲击股振动,良但生产缘瑞周期长，厘成本较高映。铸造大尺枪寸零件较茄困难。3.有色歌金属（1）希铜合金黄铜骂铜与锌乳的合金痕，含少拍量锰、睡铝等元洗素，如档Z轮CuZ领n38闹等。青铜青铜以主凑加元素的峰不同又可碎分为锡青产铜和铝青叮铜等，如CuAl欺10Fe勤3、Z仓CuSn银5PbZ柴n5。青铜比黄醉铜有更高哨的强度、撕硬度、耐磨性和浴耐腐蚀性杏。（2）用铝及铝殃合金铝合金览具有良扭好的导落热、导悠电性能母，其导咽电性史能大约乘为铜的害60%震，但由于重粉量轻，在立远距离输设送的电块缆中常代跌替铜线。二、狭非金属材声料1．工什程塑料（1）哪尼龙撕品种、帽数量及应钞用上居工僚程塑料之北首，它强惠度高，耐牛磨性好抽，耐化学往腐蚀。但狐易吸收水松分而影响浪尺寸的稳旺定性。（2）聚迹碳酸脂五在工程耗塑料中韧该性最好，子透光率达等90%，桨连续使用野温度达残135℃丽～145盆℃，它正姨取代玻璃著和有机玻侦璃，作为艳飞机上的督挡风夹仓层和天窗葱。（3）聚晒甲苯熟在工程塑昌料中弹性洁模量最高盏，并有高婶硬度，低败摩擦系数秋和较好的案耐疲劳性否能，适用榜于制造小盖齿轮及轴蛇套等。（4）阴聚苯醚喉在嚼工程塑暴料中硬候度最高洋，热膨质胀系数发最小，系最耐热然。（5）ABS具有良歉好的综崇合性能康。广泛纷应用在监管材、疗家用电躬器和纺睁织机械量中。他用ABS制成的妥泡沫夹军层板，拆可作小缴轿车的姿车身。2．橡怖胶常用来制腊造轮胎、通垫板、隔跟热板、传箩动带和减苹振零件等3．夹粘布胶木常用来奋制造板哨材、电各工元件溜，轻载什无噪声滔齿轮和驾耐腐蚀慰元件等越。4．其他工业上光，经常刊使用的淹非金属花材料还得有陶瓷般、皮革汽、木材验、纸板皱等。三、发复合材料通常由哈两种材搂料结合轿而成，嘴可发挥符材料各跨自的长峡处，克筹服各自板固有的脏缺点。伙常见的塘复合材挑料有：（1）玻妄璃钢玻璃和碰塑料结约合而成榨。玻璃具有恒较高的弹匪性模量和客强度，但祝太脆，疑而塑料具雅有良好的脂塑性、易介于加工，玩但弹性模恢量和强乔度较低却，把两者适结合起来爪，就产生架了玻璃亏钢。（2）硬质滔合金陶瓷与减金属粉件末烧结绑在一起而成。陶瓷材料伴硬度好，揉但不易于忙加工成型诊，将它与重金属粉末阔烧结在一奶起，就科形成了硬孩度高，耐惑磨性好且洲易于加工扮成形的硬缴质合金颤。（3）硼铝复合吐材料硼与铝忽合金结市合而成最。它的移常温和逢高温强徐度比高铅强度的现铝合金拔大得多狡。美国穴现在使觉用的航讯天飞机店的整个滚桁架支悦柱，均的用硼铝帐复合材标料的管弟材制造妇，比原遮先采用胸铝合金姨时，减惕轻重量斥44%碗。四、钢紫的热处准理简介热处理将钢在固位体状态下毁进行不同泥温度的加巡寿热、保温初和冷却的橡工艺方法托叫热处理庸，目的是平提高零件漠的力学性堂能和改善字其工艺性毙能。1.领退火2.枣正火3.止淬火4.窗回火5.雹调质6.竹时效7.望表面渣处理123把钢加热线到临界温荐度（在钢仓的固态范遥围内，引掩起钢内部焰组织结构泊发生变化都的温度）近以上30℃～50墨℃，经过悔适当的保鸟温后，随安炉温一起刻缓慢冷却沾下来的热藏处理工艺磁称为退火驾。退火的倚目的是降夏低材料的动硬度，提月高塑性，抚细化结晶凯组织结构触，改善力你学性能和滔切削加工绵性能，能泼消除或减吹小铸件、森锻件及焊狱接件的内缓应力。2.正承火将零件加叉热到临界净温度以上执，保温一尝段时间后较，然后再随空冷，风登冷或喷雾渣冷却。它孩的冷却速誓度比退火乔快，作用森与退火相养似，但比给退火经济盈，成本低孔，可作为颗零件的最挠终热处理把。3.淬火将零件台加热到拼临界温倒度以上剩，保温膀一段时既间后，哑然后在传水中或局油中迅订速冷却荣。由于陆淬火温术度变化连过快，芳材料内蛮部形成胸较大的宵淬火应犯力，会女导致零业件的变络形或开趁裂。淬摊火不能和作为零浮件的最阻终热处戏理。1.退犹火4.梳回火将淬火躺后的零境件重新右加热到追临界温墙度以下棍的某一围温度，驶保温一抹段时间验后，然职后在空杀气中冷件却。根惰据对零鲜件要求职的不同捐，可采附用不同趣的回火辱温度。草回火温右度越高挪，材料林的硬度巡寿和强度都下降越倍多，而味塑性和眉韧性则浑显著提铁高。（1）姿低温奏回火回火温脊度在1债50℃～250℃，主要附用来降低铺材料的脆浮性和淬火颈应力，并描能保持较者高的硬度谨和耐磨性顿，常用于填刀具、模颂具等。（2）败中温调回火回火温度羞在350℃～500℃，其特泉点是即能升保持材料颈一定的韧超性，又能惕保持一定泥的弹性和窝屈服点，陵常用于弹拜簧和承受墨冲击的零罩件。（3）闪高温进回火回火温度闸在500℃～650℃，使零矛件获得强纹度、硬度兴、塑性和顺韧性都良堡好的综合久力学性能披。4565.调华质淬火加高纳温回火称讲为调质。一些重头要的零干件，特寒别是一谢些在变方应力下受工作的版零件，枝如连杆侄、齿轮片和轴等仗常采用赠调质处壤理。可以减小绞或消除零允件的内应堆力，使零娇件在工作伤之前得以佛充分的变膀形，零件消尺寸可以业稳定下来运。时效分衡低温时效斤和高温时残效。6.时毙效（1）低污温时效将零件加懂热到10伸0℃～150℃，保温5～20小时后决，再空冷坐。（2）臣高温时怨效将零件加纳热到略低驻于高温回须火的温度绞，保温后雀，缓冷到吊300℃以下啦，出炉逝空冷。77.表衫面处理对于一怀些要求贴表面有六较高的毅硬度以林增加其须耐磨性掌，而心浆部要求亲有较高绣的韧性萝以提高尊其抗冲呀击能力言的零件申，可以崇采用表我面处理撒工艺。采表面处盼理包括叙表面淬满火和化动学处理皮。（1）漫表面颂淬火采用快柱速加热劲的方法邪，只将俗零件表傍面加热寨并淬火植。它只再改变表竟层组织端，心部蚂并不发躲生变化朋，心部驻保持了曲一定的塌韧性和起强度，浴而表层逝得到强谦化和硬伶化。表面淬导火有高剥频感应胞加热表萝面淬火盐和火焰颂加热表匪面淬火考。（2）擦化学处申理化学处亚理是把滋零件放盗入化学郑介质（拜碳或氮娘等）中爸加热，朝保温，援使介质栗元素渗员入零件声表层中洋，使零循件表层隐的化学冲组成和古组织结扁构发生如变化，理来获得脾对其心欧部和表烘层不同炎性能要狭求的热技处理方辱法。常喉用的方桂法有渗骗碳、渗搏氮和碳典氮共渗敬（氰化相）等。第三节封机械设舒计中的摩事擦学基础一、摩擦二、磨损三、润滑外力作规用下，相互接斯触的两应个物体洋作相对旦运动或则有相对厚运动的侦趋势时薪，其接裳触表面怠上就会望产生抵刘抗滑动馋的阻力，这一现观象叫做摩擦，所产蹈生的阻现力叫做摩擦力。1.干租摩擦摩擦表面鸡间无任何磁润滑剂或次保护膜的篇纯金属接携触时的摩倾擦。摩擦登系数彼=0.彼3～1.惊5。2.边女界摩擦（侵边界润滑葬）两摩擦表州面被吸附篇在表面的禽边界膜隔察开，其摩避擦性质与勿流体的黏矩度无关，味只与边界讽膜和表面侧的吸附性旧质有关。言边界膜极尖薄，不能码避免金属站间的直接苍接触，这昆时仍有摩赠擦力产生陶，其摩擦岸系数=0.肠1～0.5。3.流屈体摩擦（中流体润滑叼）摩擦表面剖间的润滑若膜足以将脾两个表面葵完全隔开茶，即形成织了完全的步流体摩擦柳。摩擦系圣数极小，乔大约棍=0.骑001～0.00渡8，无磨柿损产生，贯是理想的召摩擦状态革。4.走混合摩擦使（混合润占滑）摩擦表怒面间处蒜于边界艺摩擦和剖流体摩磁擦的混涝合状态污时称为跑混合摩刺擦。大这约故=挨0.0挺1～0.08袖。一、摩筑擦二、磨损1．黏静着磨损由于两猪摩擦表欲面间产惊生黏着扭现象而老使材料柏由一个浓表面转哄移到另柱一个表劲面而造差成的磨宫损称为揪黏着磨圣损。2．磨粒磨纳损两接触表努面受外界星硬质颗粒公的作用或贴粗糙硬表播面把软表偏面擦伤而梦引起的表应面材料脱废落的现象惊称为磨粒羞磨损。3．表药面疲劳辨磨损两摩擦蜡表面受搂交变接日触应力的的的作涉用而形瞒成疲劳寒裂纹或熊剥落出较微片和斜颗粒而绒逐步破欲坏的磨全损称为尾表面疲林劳磨损损。其特丙征是在畅开始破多坏阶段务表面上刷出现一扯个个小塔小的麻桐坑，故主又称这坚种磨损层为点蚀骆。4．腐疗蚀磨损摩擦表面贵在磨损过则程中物体奋表面和周京围介质发段生化学和慰电化学作毫用，造成现表面材料餐的损失称援为腐蚀磨葛损表面物四质在摩箱擦过程沟中不断电损失的却现象称转为磨损向承载珠的两摩覆擦表面公间引入居