福船院机械设计基础课件01机械设计简介

§1.0导言§1.1机械的组成及特征§1.2本课程的内容、性质和任务§1.3学习方法单元一机械设计简介1.绪论导言早年的杠杆、滑轮，近代的汽车、轮船，到现代的机器人、航天器，机械不断更新换代，发展日新月异，在生产力发展中一直扮演着重要角色。不论传统产业还是新兴产业，其进步与发展都离不开机械技术的支持。机械是国民经济发展的基础技术，是衡量国家经济实力和科技水平的重要标志。

机械设计是一种创造性思维活动。按照设计目标，进行分析、计算、决策，并通过文字、数据、图形等信息形成机械产品的设计方案。

素质教育是现代教育的目标，创新能力是素质教育的核心。机械科学博大精深，应扎实掌握基本原理、技能和方法，要努力培养机械设计创新能力。

1.1机械的组成及特征两个机器实例：1.内燃机功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器

组成：见右图气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮91.1机械的组成及特征

活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动

活塞上行，排气阀打开，排出废气工作过程：点击上图观看动画1.1机械的组成及特征2.颚式破碎机功用：压碎物料组成：见右图大带轮4电动机1V带3小带轮2轴板7定颚板8动颚板6偏心轴51.1机械的组成及特征电动机带传动偏心轴转动

动颚板摆动，与定颚板一起压碎物料工作过程：点击上图观看动画1.1机械的组成及特征

机器：既能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如半自动钻床——实现确定的机械运动，又作有用的机械功内燃机——转换能量

机械手——传递物料照相机——传递信息

机构：仅能传递或转换运动。如齿轮机构——传递运动凸轮机构——转换运动

机械：是机器和机构的总称。

1.1机械的组成及特征

构件：组成机械的各个相对运动的实物。

零件：机械中不可拆的制造单元体。

单一零件——曲轴多个零件的刚性组合——连杆构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。1.1机械的组成及特征通用零件：专用零件：

例如：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器、滚动轴承、滑动轴承、螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。

例如：叶片、犁铧、枪栓等。零件可分为两类：部件：若干个零件的装配体1.2课程的内容、性质和任务一、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。二、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。

三、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。1.2课程的内容、性质和任务1.3

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，应注意几个特点：

1.本课程将多门先修课程的基本理论应用到实际中去。

2.本课程的各部分内都是按照工作原理、结构、强度计算、使用维护的顺序介绍的。

3.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.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。内燃机机械手半自动多轴钻床凸轮机构齿轮机构照相机零件装配§2.1摩擦与磨损§2.2润滑§2.3密封装置2摩擦、磨损及润滑概述单元一机械设计简介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的能源消耗在摩擦上，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

两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。2.1摩擦与磨损1.干摩擦两物体的滑动表面为无任何润滑剂或保护膜的纯金属。2.

液体摩擦两摩擦表面不直接接触，被油膜隔开。根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种：2.1摩擦与磨损2.1.2

磨损及其过程

运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。3.边界摩擦两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开。4.混合摩擦处于摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。2.1摩擦与磨损磨损过程大致可分为以下三个阶段：1.跑合（磨合）磨损阶段2.稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶段此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油。2.1摩擦与磨损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：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。2.1.3

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：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，都可减轻粘着磨损。2.1摩擦与磨损2.1摩擦与磨损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。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。

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，可以提抗疲劳磨损的能力。4.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。

实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。2.2润滑润滑的主要作用是: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。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。

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。2.2润滑2.2润滑

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来标定。（1）动力粘度（2）运动粘度η为动力粘度，单位为Pa•s；为密度，单位为。ν

为运动粘度，单位为。2.2润滑

一般润滑油的牌号就是该润滑油在40C（或100C）时运动粘度（以为单位）的平均值。（3）条件粘度以表示恩氏粘度（即为条件粘度）。运动粘度和恩氏粘度之间可通过下式进行换算：当1.35≤E≤3.2时当

E>3.2时2.2润滑

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表2.1。2.2润滑2.2润滑续表2.润滑脂

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。2.2润滑(1)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。(2)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。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；而在高速、轻载、低温、间隙小的情况下应选粘度较小的润滑油。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润滑2.2.2

润滑方法和润滑装置机械设备的润滑，主要集中在传动件和支承件上。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。2.2润滑2.2润滑常见的润滑装置有：

黄油杯

压配式注油杯2.2润滑

滴油式油杯油芯式油杯2.2润滑常见的润滑装置有：

带油环

油链润滑密封装置从总体上可分为两大类：固定密封动密封

固定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。

在一般常用的机械中，用得较多的密封装置是密封圈和填料。2.3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：

2.3密封装置

(1)接触式：O形密封圈密封

U形密封圈密封2.3密封装置

(1)接触式：

毡圈密封

2.3密封装置

(1)接触式：

J形密封圈密封

2.3密封装置

(2)非接触式：

间隙密封

2.3密封装置

(2)非接触式：

迷宫式密封

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：

2.3密封装置O形密封圈密封

2.3密封装置

V型密封圈密封

2.3密封装置

Y形和U形密封圈密封

密封装置的选择

2.3密封装置

在机械设备中，密封的目的：

防尘、防水、防润滑剂流失。

静密封

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。

回转运动密封

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。

移动运动密封

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。2.3密封装置

综上所述，在设计机械时，选择适当的润滑装置和密封装置是必不可少的，在使用机械时，更应注意机械的润滑和维护。还应注意密封情况，如有漏油现象，应查找原因，及时更换密封件。2.3密封装置§3.1机构的组成§3.2平面机构的运动简图§3.3平面机构的自由度3.平面机构的结构分析单元一机械设计简介3.1机构的组成构件和构件之间既要相互连接（接触）在一起，又要有相对运动。而两构件之间这种可动的连接（接触）就称为运动副。运动副元素：两构件上直接参加接触构成运动副的部分。3.1.1运动副运动副：3.1机构的组成3.1.2自由度和运动副约束自由度：把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度按两构件接触情况，常分为低副、高副两大类。1.低副两构件以面接触而形成的运动副。

(1)转动副：只允许两构件作相对转动，又称作铰链。

a)固定铰链3.1机构的组成一、平面运动副b)活动铰链转动副3.1机构的组成(2)移动副：只允许两构件作相对移动。移动副3.1机构的组成2.高副两构件以点或线接触而构成的运动副。凸轮副3.1机构的组成齿轮副3.1机构的组成二、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。螺旋副球面副3.1机构的组成3.2平面机构的运动简图

3.2.1运动副及构件的表示方法1.构件构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。3.2平面机构的运动简图

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。一个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。3.2平面机构的运动简图

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。3.2平面机构的运动简图

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；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。3.2平面机构的运动简图

3.2.2绘制机构运动简图的步骤1）功能分析。确定机械系统的总功能和进行功能分解。2）绘制机械系统运动循环图。3）执行（工作）机构选型。4）绘制机械系统的运动方案图。5）机构的尺度综合。6）绘制机械系统运动简图。例3.1试绘制内燃机的机构运动简图3.2平面机构的运动简图

气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10解：1）分析运动，确定构件的类型和数量2）确定运动副的类型和数目

3）选择视图平面4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置5）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件3.2平面机构的运动简图

3.2平面机构的运动简图

3.3平面机构的自由度1.实例分析

不能产生运动

给定构件1运动参数=(t)

构件2、3的运动是确定的

3.3.1机构具有确定运动的条件给定构件1运动参数=(t)，构件2、3、4的运动是不确定的

再给定构件4运动参数=(t)，构件2、3的运动是确定的3.3平面机构的自由度2.结论

机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称机构的自由度。

平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构的自由度数目。

◆原动件数＜自由度数，机构无确定运动

原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏

3.3平面机构的自由度3.3.2平面机构自由度的计算1.构件自由度

一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个自由度。

当用运动副连接后，构件间的相对运动受到约束，失去一些自由度。运动副不同，失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同。3.3平面机构的自由度2.计算公式n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；

Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；F=3n-2Pl-Ph

3.计算实例n=3,Pl=4,Ph=0F=3n-2Pl-Ph

=3×3-2Pl-Ph

=3×3-2×4-0设则=13.3平面机构的自由度计算实例

n=5,Pl=7,Ph=0F=3n–2Pl–Ph

=3×5–2×7–0=1解：3.3平面机构的自由度3.3.3自由度计算时应注意的几种情况1.复合铰链2.局部自由度3.虚约束

两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。说明

个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度。说明

重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。说明

4.虚约束常见情况及处理方法说明

5.虚约束对机构的影响说明

3.3平面机构的自由度自由度计算例题解：滚子F为局部自由度C处复合铰链E和E‘虚约束n=7,Pl=9,Ph=1F=3n-2Pl-Ph=3×7–2×9–1＝0

需要2个主动件三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。3.3平面机构的自由度惯性筛机构C处为复合铰链◆计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。n=5,Pl=7,Ph=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl–Ph3.3平面机构的自由度滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。

计入局部自由度时

n=3,Pl=3,Ph=1F=3×3-2×-1=2

与实际不符3.3平面机构的自由度

应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。处理方法

◆实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并非实际拆除。教材图1-13b动画N