福船院机械设计基础教案01机械设计简介

福建交通职业技术学院教案纸第1页课程：学年第__学期第周月日教学内容备注《机械设计基础》教案首先介绍本课程的组成、性质和参考书重点掌握3~5章和8~12章。主要参考书：《机械设计基础》（高职）邓昭铭主编高等教育出版社《机械原理》徐锦康主编机械工业出版社《机械设计》濮良贵主编高等教育出版社绪论学习目的：熟悉机械、机构、构件、零件等基本概念，了解本课程的性质、任务以及学习特点。知识要点：熟悉机器、机构、零件等特征；了解本课程的性质任务和对象；掌握学习本课程的方法。0.1机器的组成及特征在人们的生产和生活中广泛使用着各种机器。1.机器：是人为的实物组合，它能完成一定的运动，用来实现能量转换，或者做各种有用的机械功。例如：单缸内燃机，它的作用是将热能转变成机械能；颚式破碎机，它用于压碎物料；还有用于加工产品的机械手。注：人们常说的机械是机器和机构的总称。2.机构：也是人为的实物组合，但它仅能传递或转换运动。注：人们常说的机械是机器和机构的总称。

例如：齿轮机构传递运动；

凸轮机构转换运动（由回转运动转换为直线运动）。3.构件：由一个或几个零件组成的没有相对运动的刚性系统。注：构件是机械中运动的单元体。

例如：曲轴——注：构件是机械中运动的单元体。

连杆——多个零件的刚性组合体。4.零件：是组成机器的最基本的单元。零件通常分为两类：

(1)通用零件：例如：齿轮、链轮、带轮、蜗杆、轴、螺栓、键、花键、销、弹簧、机架、箱体等。

(2)专用零件：例如：叶片、曲轴、枪栓等。注：零件是机械中制造的单元体，而且是不可能再拆分的。

另外，所谓的部件：是指若干个零件的装配体。0.2本课程的内容、性质和任务1.内容：

阐述常用机构的工作原理、运动特性及设计方法。阐述常用零部件的工作原理、结构特点及设计方法。

介绍机械系统的设计思路和设计方法。2.性质：

本课程是一门技术基础课。旨在培养工程技术人员从事机械设计所需的基本知识、理论和技能，使之具备分析、设计、运行和维护机械设备和机械零件的能力，为今后解决生产实际问题及学习有关新的科学技术打下基础。本课程综合运用数学、力学、制图、金属材料及热处理、互换性与技术测量、算法语言等课程的知识，去解决常用机构和通用零部件的设计问题。涉及的知识面广，实践性强，侧重于工程实际。3.任务：

使学生了解常用机构及通用零、部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。使学生掌握常用机构的基本理论及设计方法，掌握通用零、部件的失效形式、设计准则与设计方法。

使学生具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。0.3本课程的学习方法本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点，应注意以下几个特点：1.本课程综合运用多门先修课程的基本理论，因此，先修课程的掌握程度直接影响到本课程的学习。2.本课程的各部分内容一般都是按照工作原理、结构、强度计算、使用维护的顺序介绍的。3.设计计算中常采用很多经验公式、参数以及简化计算（条件性计算）。4.计算步骤和计算结果不像基础课那样具有唯一性。5.要逐步培养把理论计算与结构设计、工艺等结合起来解决设计问题的能力。第1章机械设计概述学习目的：本章扼要阐述机械设计的基本要求、内容与步骤以及机械零件的失效形式和设计计算准则等。知识要点：了解机械设计的基本要求；了解机械设计的一般步骤；熟悉机械零件的失效形式和设计计算准则；了解机械零件设计的标准化、系列化及通用化。1.1机械设计的基本要求1.1.1工作可靠并且成本低廉。注：

零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现失效的能力，对载荷而言称为承载能力。

失效:指零件由于某些原因不能正常工作。设计机械零件要注意以下几点：合理选择材料，降低材料费用；

保证良好的工艺性，减少制造费用；

尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。1.1.2机械设计的基本要求机械设计包括以下两种设计:：①应用新技术、新方法开发创造新机械；②在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。机械设计的基本要求：①实现预定功能；

②满足可靠性要求；

③满足经济性要求；

④操作方便、工作安全；

⑤造型美观、减少污染。1.2机械设计的内容与步骤

机械设计方法大致可分为以下两类：

现代设计方法（包括：优化设计、可靠性设计、有限元设计、模块设计、计算机辅助设计等。）；

常规设计方法（包括：理论设计、经验设计、模型实验设计等。）1.机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：

(1)产品规划：

产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。

(2)方案设计：

由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。

(3)技术设计：

设计结果以工程图及计算书，或者以计算机数字化资料的形式表达出来。

(4)制造及试验：经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。

2.设计机械零件的一般步骤根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。进行结构设计。绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。

在设计过程中，这些步骤又是相互交错、反复进行的。1.3机械设计的失效形式及设计计算准则1.3.1失效形式机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象，称为机械零件的失效。机械零件最常见的失效形式大致有以下几种：

1．断裂

有：过载断裂、疲劳断裂。

2．过量变形

有：塑性变形（强度失效）、弹性变形（刚度失效）。

3．表面失效

有：疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。

4．破坏正常工作条件引起的失效

如：带传动因过载发生打滑。1.3.2设计计算准则进行机械零件设计时，必须根据零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。机械零件的设计计算准则，主要包括以下几种：

1．强度准则

σ≤［σ］或τ≤［τ］

σ、τ——零件在危险截面处的最大应力；

［σ］或［τ］——零件材料的许用应力。

2．刚度准则

y≤［y］

y——零件受载后的弹性变形量；

［y］——机器工作性能允许的弹性变形量。

3．耐磨性准则

p≤［p］

p——零件的压强；

［p］——零件的许用压强。

4．散热性准则

t≤［t］

t——零件的工作温度；

［t］——零件的许用工作温度。

5/可靠性准则

R=NS/NT

R——系统的可靠度；

NS——在预期寿命内能连续正常工作的零件数；

NT——某个零件的总件数。1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化标准化、系列化、通用化是在机械设计中要遵循的“三化”。注：我国现行标准分为国家标准（GB）、行业标准和专业标准等，国际上则推行国际标准化组织（ISO）的标准，我国也正在逐步向ISO标准靠近。机械设计中要遵循的“三化”的好处：

（1）由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本；

（2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；

（3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格；

（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。第2章摩擦、磨损及润滑概述学习目的：本章对摩擦、磨损作简要的介绍，重点介绍润滑方式、润滑装置和密封装置。了解并掌握这方面的知识有利于正确地设计、使用和维护机器。知识要点：了解摩擦、磨损的分类及特点；了解润滑剂的性能和选用；熟悉润滑方法和润滑装置；熟悉常用密封装置及其选择。2.1摩擦与磨损

摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3~1/2的能源用于克服摩擦，各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。2.1.1摩擦及其分类根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种：（见P10图2.1）干摩擦：两物体表面在无任何润滑剂或保护膜的情况下的摩擦。现实中大多都是混合摩擦液体摩擦：两摩擦表面不直接接触，被油膜隔开。现实中大多都是混合摩擦边界摩擦：

两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开。混合摩擦：处于摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。2.1.2磨损及其过程磨损过程大致可分为以下三个阶段：（见P10图2.2）

跑合（磨合）磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段

(此阶段的特征是磨损速度急剧增大)

注意：正确的“跑合”(磨合)，可以延长“稳定磨损阶段”。因此，新机器应特别注意在低速轻载下“跑合”运行一段时间，以便提高机器的使用寿命。2.1.3磨损分类

按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同把磨损分为：

1．磨粒磨损（由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。）减轻磨粒磨损方法：满足润滑条件，合理地选择摩擦副的材料、降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。

2．粘着磨损（粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。）

粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。（涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。）合理地选择配对材料，采用表面处理，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，均可减轻粘着磨损。3．疲劳磨损（点蚀）

(两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区如果受变化接触应力的反复作用，表层首先产生裂纹，继而会出现斑点状剥落。)合理地选择材料及材料的硬度，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂或及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲劳磨损的能力。腐蚀磨损

(在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。)良好的润滑，采用表面刷镀处理等，可以提高抗腐蚀磨损的能力。注：实际上大多数磨损是以上四种磨损形式的复合。2.2润滑2.2.1润滑剂的性能与选择1．润滑油（主要有矿物油、合成油、动植物油等，其中应用最广泛的为矿物油。）润滑油最重要的一项物理性能指标为粘度。粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差。

粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩氏粘度）等表示。我国的石油产品常用运动粘度υ来标定。

υ=η/ρ

(m2/s)

注：η为动力粘度，单位为Pa·s；ρ为密度，单位为kg/m3

一般润滑油的牌号就是该润滑油在40℃（或100℃）时运动粘度（以mm2/s为单位）的平均值。粘度随温度的升高而降低。粘度随压强的升高而加大，但当压强小于20MPa时，其影响甚小，可不予考虑。常用润滑油的性能和用途见教材P12表2.1。

2.润滑脂（是在润滑油中加入稠化剂，如：钙、钠、锂等金属皂基，而形成的脂状润滑剂，又称为黄油或干油。）润滑脂的流动性小，不易流失，所以密封简单，不需经常补充。润滑脂对载荷和速度变化不是很敏感，有较大的适应范围，但因其摩擦损耗较大，机械效率较低，故不宜用于高速传动的场合。润滑脂的主要性能指标有：滴点是指润滑脂受热后从标准测量杯的孔口滴下第一滴油时的温度。锥入度即润滑脂的稠度。

目前使用最多的是钙基润滑脂，其耐水性强，但耐热性差。

常用润滑脂的性能和用途见教材P15表2.2。

3.润滑剂的选用润滑剂选用的基本原则是：在低速、重载、高温、间隙大的情况下，应选用粘度较大的润滑油。在高速、轻载、低温、间隙小的情况下，应选用粘度较小的润滑油。润滑脂主要用于速度低、载荷大、不需经常加油、使用要求不高或灰尘较多的场合。气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一般润滑剂不能适用的场合。2.2.2润滑方法和润滑装置润滑的主要作用是:减小摩擦系数,提高机械效率；减轻磨损,延长机械的使用寿命；还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。机械设备的润滑，主要集中在传动件和支承件上。润滑方法油润滑的方法大概有四种：集中润滑或分散润滑；连续润滑或间歇润滑；压力润滑或无压力润滑；循环式润滑或非循环式润滑。形式有：注油、滴油、蘸油等。润滑装置常见的油润滑装置有：（分别见P16～P17图）（1）手工给油润滑装置（2）滴油式润滑装置（3）油浴润滑装置（4）飞溅润滑装置(5)油绳、油垫润滑装置（6）油环、油链润滑装置（7）喷油润滑装置（8）油雾润滑装置脂润滑装置主要有：（1）手工润滑装置（2）滴下润滑装置（3）集中润滑装置2.3密封方法及装置2.3.1密封装置的分类静密封：静密封可采用各种垫片，包括金属、非金属垫片以及密封胶等。动密封：动密封又分为接触式、非接触式、半接触式密封，其中应用较广的是接触式密封，它主要是利用各种密封圈或毡圈密封。各种密封件都已标准化，可查阅手册选取适当的形式。2.3.2常用密封装置1．回转运动密封装置是指回转轴与固定件之间的密封，其类型有两类：(1)接触式：O形密封圈（图2.9、2.10）J形密封圈（图2.11）U形密封圈（图2.12）毡圈密封（图2.13）端面（机械）密封（图2.14）

(2)非接触式：迷宫式密封（图2.15）隙缝密封（图2.16）2.移动运动密封装置机器中相对移动的零件间的密封称为移动密封。常用形式有：O形密封圈密封（图2.17、2.18）V形密封圈密封（图2.19、2.20）Y形和U形密封圈密封（图2.21、2.22）L形密封圈密封（图2.23）掌握2.3.3密封装置的选择掌握在机械设备中，密封的目的：防尘、防水、防润滑剂流失。1．静密封较简单，可根据压力、温度选择不同材料的垫片、密封胶。2．回转运动密封装置较多，要根据工作速度、压力大小、温度高低选择适当的密封形式和装置，使用较普遍的是O形、J形密封圈，低速时毡圈应用较多。毡圈和密封圈使用前应浸油或涂脂，以便工作时起润滑作用。3．移动运动密封装置可根据工作压力大小、速度以及压力介质等情况选用适用的密封圈。各种密封装置的性能，可参考教材P23表2.4。第3章平面机构的结构分析学习目的：本章重点讨论机构的组成以及机构在什么条件下才具有确定的运动。另外，在分析旧机械以及设计新机械时，需要将具体的机械抽象成简单的运动学模型，因此，还介绍怎样绘制机构运动简图。要点：熟悉运动副的概念及表达；了解绘制平面机构运动简图；掌握平面机构自由度的计算；掌握计算机构自由度的注意事项。3.1机构的组成3.1.1运动副运动副：两构件通过直接接触并能相对运动的联接。（如图3.1）构成运动副的要素：1、两构件要直接接触；2、失去某些相对运动的自由度，并至少保留一个以上相对运动的自由度。

在平面机构中，按两构件接触情况，常分为低副、高副两大类。

注：构件之间的相对运动有平面运动和空间运动。所有构件都只能在相互平行的平面上运动的机构称为平面机构。大多数的常用机构都是平面机构，本章也仅就平面运动副和平面机构进行讨论。3.1.2自由度和运动副约束

构件可完成的独立运动，称为构件的自由度。

一个空间运动物体有六个自由度（三个方向的移动和绕三根轴的转动），限制一个轴向移动和绕另两根轴的转动就形成平面运动。一个作平面运动的构件有三个自由度。1.低副——两构件以面接触而形成的运动副。A.转动副：两构件只能作相对转动，又称作铰链。自由度数1，只能转动；约束数2，失去了沿X、Y方向的移动。HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.1HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.1

B.移动副：两构件只能作相对移动。HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.1自由度数1，只能沿一个方向X方向移动；

约束数2，失去另一方向Y方向移动和转动。2.高副——两构件以点或线接触而构成的运动副。

自由度数2，保持切线方向的移动和转动（指1相对与2的转动）；

约束数1，失去法线方向的移动。3.空间运动副——若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副，如螺旋副、球副。3.2平面机构的运动简图

用规定的线条和符号表示构件和运动副，绘出能够表达各构件间相对运动关系的简图称为机构运动简图。运动简图的用途：

运动简图可简明表达传动原理；

可用于图解法求机构上某点轨迹、位移、速度、加速度；

可以使不同外形的机械归类用一种方法来研究。3.2.1运动副及构件的表示方法1.构件

构件均用形象、简洁的直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。2.转动副

构件组成转动副时，如下图表示：图垂直于回转轴线时，用图a）表示；图面不垂直于回转轴线时用图b）表示；表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合；一构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线，见图c）。3.移动副

两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。4.平面高副

两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓。对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓（图3.9a）；对于齿轮，常用点划线划出其节圆（图3.9b）。3.2.2绘制机构运动简图的步骤1.找出固定件(机架)、原动件(输入件)和从动件(输出件)，认清机构运动传递路线。(所谓的"找三件")2.弄清构件数目；构件间组成何种运动副(高副还是低副？移动副还是转动副？)；以及运动副的数目。3.测量出各运动副之间的运动特征尺寸。(如：两转动副之间的距离、移动副导路中心线的位置)4.按比例定出各运动副之间在图纸上的相互位置，并以简单线条，将各运动副符号连起来，即可得到机构运动简图。

比例尺注：如不严格地按比例绘制，只是用来表明机构的结构状况，这样的图叫机构示意图。3.3平面机构的自由度3.3.1机构具有确定运动的条件1.分析三角架，不能产生运动。（图3.11）四杆机构，给定构件1运动参数φ1=φ1(t)，构件2、3的运动是确定的。（图3.13）HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.1五杆机构，给定构件1运动参数φ1=φ1(t)，构件2、3、4的运动是不确定的。（图3.12）HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.1若再给定件4运动参数φ4=φ4(t)，则构件2、3的运动是确定的。HTMLCONTROLHTMLInlineVideoCtl.12.结论

由上述实例分析得出平面机构具有确定运动的条件为：机构自由度数要＞0；机构原动件个数应等于机构的自由度数。讨论若

原动件数＜自由度数，机构无确定运动；讨论

原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏。为什么要计算自由度？注：机构自由度也即是机构所具有的独立运动的个数。为什么要计算自由度？3.3.2平面机构自由度的计算知道了机构自由度，我们就可以知道：要想让该机构有确定运动，需要多少原动件。计算思路：用机构所有活动构件的总自由度减去由于构件相互联结形成运动副后失去的自由度数，即得机构的自由度。设：活动构件数为n一个构件作平面运动有三个自由度，则各活动构件自由度总和为：3n两构件联接形成一个低副，有两个约束，失去了两个自由度。机构中所有低副失去的自由度数为：2PL（PL--低副数）两构件联接形成一个高副，有一个约束，失去了一个自由度。机构中所有高副失去的自由度数为：PH（PH--高副数）因此，机构自由度F的计算公式：

F=3n-2PL-PH3.3.3计算机构自由度的注意事项1.复合铰链

两个以上构件，在同一轴线处用转动副连接，就形成复合铰链。构件数3，杆1与杆2、杆1与杆3，共组成两个转动副，PL=2。即：复合铰链处的转动副数目比组成的杆件数少1。

计算自由度时，应注意观察机构是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。2.局部自由度个别构件所具有的，与输出构件运动无关的自由度称为局部自由度。（多余自由度）

说明：计算滚子从动件凸轮机构的自由度。（图3.16