机械设计基础第1章-绪论

1、机械设计基础,第1章 绪 论,1.1 课程概述 1.2 机械设计的基本要求和一般过程 1.3 机械零件的材料选择 1.4 机械零件的结构工艺性 1.5 机械零件设计中的标准化 习 题,1.1 课 程 概 述,1.1.1 机械的组成 随着工业的发展，机械产品的种类愈来愈多，常见的有工业上的内燃机、机床、起重机、发电机以及生活中的洗衣机、 缝纫机等。 图1-1所示为单缸内燃机，它由缸体、活塞、连杆、 曲轴、齿轮和凸轮、弹簧、进/排气阀推杆等组成。当燃气推动活塞时，通过连杆将运动传至曲轴，使曲轴连续转动从而将燃气的热能转换为曲轴转动的机械能。为了保证曲轴连续转动， 要求通过进气阀和排气阀将燃气吸入和排出气缸，而进气阀和排气阀的启闭又是通过凸轮、推杆、弹簧等来实现的。,图1-1 内燃机,机械是机器和机构的总称。 机器是由各种机构组成的机械系统。 机器的主要特征是： 它是人为的实物组合； 各实物间具有确定的相对运动； 能代替或减轻人类的劳动去完成有效的机械功（如机床）或转换机械能以及实现信息传递和变换的功能。 如果只有确定的相对运动，而不能代替人做有用的机械功的构件组合，则称为机构。 例如摩托车

2、是机器，而自行车是机构。,1.1.2 机械中的构件、零件和部件 1. 构件 机构是由构件组成的，构件在机构中具有独立的运动特性，在机械中形成一个运动整体。如图1-2（a）所示的内燃机是由活塞、连杆、曲轴和汽缸等构件构成的一个典型的曲柄滑块机构，其中，原动件活塞作直线往复运动，通过连杆带动曲轴作连续转动。,2. 机械零件 机械都是由机械零件组成的。机械零件是指机械中每一个单独加工的单元体，例如图1-1所示的曲轴。构件可以是单一的机械零件，也可以是若干机械零件的刚性组合。例如图1-2(b)所示的连杆，它是由连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等零件组合而成的。这些零件之间没有相对运动，是一个运动整体，故属一个构件。因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。 随着机械的功能和类型的日益增多，作为组成机械的最基本单元的零件更是多种多样。通常将机械零件分为通用机械零件和专用机械零件两大类。,图1-2 内燃机中的曲柄滑块机构和连杆,通用机械零件是指在各类机械中经常使用的零件。 按照用途，可将通用零件分为以下几种： （1） 联接件。 （2） 传动件。 （3） 支承件。 （4） 缓冲(或控制)件。,3、部件,由一

3、组协同工作的零件组成的独立制造装配的组合件称之为部件。如减速器、离合器、制动器等。,通过学习本课程和课程设计、 实验等实践性环节， 应达到如下要求： （1） 掌握常用机械传动、常用机构和通用零部件的工作原理， 结构特点， 选择计算和设计计算方法。 （2） 学会运用机械设计标准、规范、手册、图册，提高查阅有关技术资料的能力。 （3） 具有设计一般机械传动装置和拟定传动方案的能力。 （4） 具有正确使用和维护一般机械设备的基本知识。 （5） 为专业设备的学习打下必要的理论和实践基础。,1.2 机械设计的基本要求和一般过程,1.2.1 机械设计的基本要求 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要因素。机械设计的基本要求是： 在实现机械运动和动力功能的前提下，做到性能好、效率高、 低成本，并具有可靠性高和操作维护方便等要求。设计者应努力实现在各种限定的条件下(如材料、加工能力、理论分析和计算等)设计出较好的机械， 即做出优化设计， 使设计的机械具有最优的综合技术经济效果。 机械设计是根据使用要求确定机械的工作原理，对机械结构进行运动和动力分析计算并将其转化为

4、具体的技术资料，作为生产制造依据的工作过程。,1.2.2 机械设计的一般过程 （1） 明确设计要求(确定设计机械的预期功能、 有关指标和限制条件)。 （2） 调查研究，制定设计方案，绘制机器运动简图(确定机械的工作原理，拟定几种总体布置方案， 进行粗略计算， 分析比较， 选取最佳方案)。 （3） 进行运动和动力分析，确定主要零部件的运动和动力参数。 （4） 进行传动零件的设计计算， 确定其主要参数。 （5） 进行零部件结构草图设计， 绘制零件工作图， 绘制部件装配图和总装图， 编制技术文件。,1.3 机械零件的材料选择,1.3.1 使用要求 按强度条件设计的零件，当其尺寸和重量都受限制时，应选用强度较高的材料； 按刚度条件设计的零件，应选用弹性模量较大的材料；若零件表面接触应力较高(如齿轮)，应选用可以进行表面强化处理的材料(如调质钢、渗碳钢)。此外，对容易磨损的零件(如蜗轮)，应选用耐磨性好的材料；对滑动摩擦下工作的零件(如滑动轴承)，应选用减摩性好的材料；对高温下工作的零件，应选用耐热材料；对腐蚀性介质中工作的零件，应选用耐腐蚀材料。,1.3.2 工艺要求 所谓工艺要求，是指选择冷

5、、热加工性能好的材料。零件加工应考虑到零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯类别。 对于外形复杂、尺寸较大的零件，若采用铸造毛坯，则应采用铸造性能好的材料；若采用焊接毛坯，则应选用焊接性能好的低碳钢，因为含碳量超过0.3的钢难以焊接；对于尺寸较小、 外形简单、大量生产的零件，适合冲压或模锻，应选用延展性较好的材料；需要热处理的零件，所选材料应有良好的热处理性能。此外，还要考虑材料的易加工性，包括零件热处理后的易加工性能。 ,1.3.3 经济性要求 在机械的成本中，材料费用约占30以上，有的甚至达到50，可见选用廉价材料有重大的意义。 选用廉价材料，节约原材料，特别是节约贵重材料，是机械设计的一个基本原则。 为了使零件最经济地制造出来，不仅要考虑原材料的价格，还要考虑零件制造费用。 为此，可采取如下具体措施： （1） 尽量采用高强度铸铁(如球墨铸铁)来代替钢材， 用工程塑料或粉末冶金材料代替有色金属材料。 （2） 采用热处理(包括化学热处理)或表面强化(如喷丸、滚压)等工艺，充分发挥和利用材料潜在的力学性能。,（3）合理采用表面镀层等方法(如镀铬、镀铜、喷涂减摩层、 发黑等)，以减少和延缓腐

6、蚀或磨损的速度，延长零件的使用寿命。 （4）采用组合式零件结构，在零件的工作部分使用贵重材料， 其他非直接工作部分则可采用廉价的材料。例如大直径的蜗轮， 常采用青铜齿圈和铸铁轮芯的组合式结构，以节约大量的有色金属。 （5） 改善工艺方法，提高材料利用率，降低成本。例如采用冷镦锥齿轮代替齿形刨削加工，实现无切削加工。 （6） 用我国富有元素(锰、 硅、 硼、钼、钒、钛等)合金钢代替稀有元素(铬、镍等)合金钢。在选用材料时，还应注意本国、本地区、本企业的材料供应情况，尽可能就地取材，减少采购和管理费用。,1.4 机械零件的结构工艺性,1.4.1 机械零件的结构工艺性,1. 零件的结构应与生产条件和批量相适应 零件的结构工艺性与生产条件和批量有着密切的联系。 单件和小批生产的零件，应利用现有生产条件制造， 例如大尺寸的齿轮毛坯，在一般设备条件下锻造较困难，就应采用铸件或焊接件；当缺少磨齿设备时，就不能用变形大的热处理工艺等。 成批和大量生产的零件，可采用专门设备、数控加工中心和自动线生产，这种条件应考虑用无切削或少切削成形工艺；采用组装结构等。,2. 零件的结构应与毛坯种类相适应 设计铸件时

7、，应考虑到铸件的最小壁厚需满足液态金属的流动性要求(对砂型铸造，通常灰铸铁件壁厚6 mm，铸钢件壁厚8mm)；铸件各部分的壁厚应均匀，要避免局部材料集聚，产生缩孔；铸件不同壁厚的联接处，应采用过渡结构（如图1-4(a)所示），各个面的交接处不应有锐角；垂直分型面的表面应有铸造斜度，以便于造型和起模（如图1-4(b)所示）；尽量减少加工面等。对于品种繁多的单件、小批量生产，在设计锻件时， 要考虑在自由锻造时使用简单通用锻模进行操作。因此，自由锻件结构的复杂程度受到很大限制，例如锥面、斜面和其他复杂剖面、非直线的交接结构、加强肋和凸台等应尽量避免，而采用简单、平直的形状。模锻对零件结构形状的限制有所减少，但零件的结构形状也应力求简单，避免剖面尺寸变化过大、薄壁、深槽和高肋等形状，应有一定的模锻斜度和圆角， 以便造型和起模。,图1-4 铸件过渡结构和铸造斜度,3. 零件的结构应便于切削加工 零件的切削加工工艺对零件结构设计影响很大， 因此应考虑零件的结构要能够加工，例如车、刨、磨加工应留有退刀槽或砂轮越程槽(如图1-5)等；零件的结构要便于加工， 例如保证采用一般刀具加工时所需的工作空间(如

8、图1-6)和定位支承面（如图1-7）。减少刀具及量具的种类，减少刀具调整次数(如图1-8)等；合理地减少加工量及加工面积，例如留有凸台或鱼眼坑结构（如图1-9）等。同时，要合理选择制造精度和表面粗糙度。,图1-5 退刀槽或砂轮越程槽 (a) 车； (b) 磨； (c) 刨,图1-6 加工所需空间 (a) 不正确； (b) 正确,图1-7 加工定位支承面 (a) 不正确； (b) 允许； (c) 正确,图1-8 减少刀具调整次数 (a) 改进前； (b) 改进后,图1-9 减少加工面积 (a) 改进前； (b) 改进后,4. 零件的结构应便于装拆和调整 零件的结构应便于装配、拆卸，并尽可能减少装配工作量。 主要应考虑： (1) 能装能拆。例如为螺钉留出装入的空间(如图1-10)和合理的扳手工作空间(如图1-11)；对圆柱面过盈配合零件增设拆卸螺钉(如图1-12)；采用便于装配的结构(如图1-13)等。,图1-10 留出装入螺钉空间 (a) 不正确； (b) 正确,图1-11 留出扳手工作空间 (a) 不正确； (b) 正确,图1-12 增设拆卸螺钉 (a) 改进前； (b) 改进后,图1

9、-13 便于装配的结构 (a) 不正确； (b) 正确,(2) 保证正确地安装。例如要有正确的装配定位基准(如图1-14)；要求零件的端面同时贴合(如图1-15)；采用不易导致安装错误的结构等。,图1-14 有定位基准 (a) 改进前； (b) 改进后,图1-15 端面同时贴合 (a) 不正确； (b) 正确,图1-16 避免安装错误 (a) 改进前； (b) 改进后,(3) 力求降低装配精度要求。例如圆柱齿轮传动中的小齿轮应比大齿轮宽一些，即使有装配误差，仍能保证两轮沿全齿宽接触等。,1.5 机械零件设计中的标准化,机械零件的标准化，就是对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的技术准则和依据。 现已发布的与机械零件有关的标准，从运用范围上来说，可分为国家标准(GB)、 部颁标准(机械工业标准JB、纺织工业标准PJ等)和企业标准三个等级。从使用的强制性来说，可分为必须执行的(如螺纹标准、 制图标准等)和推荐使用的(如标准直径等)。我国已制订有很多国标和部标，目前还在不断发展和改进，并且已参加国际标准化组织(ISO)。设计时， 应充分了解有关零件的标准，尽可能遵守标准，只有当标准与设计要求之间有矛盾，并有充分理由时，才允许不采用标准。,标准化的优越性表现为： （1）将同名零件的型号和尺寸限定在合理的数量范围内，可以用最先进的工艺方法进行标准零件的专业化大量生产，可大幅度降低劳动量、材料消耗和总成本，并易于保证质量。 （2）生产零件的技术条件和检验、试验方法的标准化，可以改进零件的质量，提高零件的可靠性。 （3）设计中采用标准件，可以节省设计时间，简化设计工作， 缩短设计周期，使设计者有更多的时间和精力从事创造性设计。 （4）由于标准化带来的互换性，当标准零件失效时，可以很容易进行更换，使机器的维修工作大大简化。,与标准化密切有关的是通用化。通用化是最大限度地减少和合并产品的型号、尺寸和材料品种等，使零件和部件尽量在不同规格的同类产品甚至不同类产品上通用。通用化是广义的标准化。 对于同一产品，为了满足不同的使用要求，在基本结构或基本尺寸不变的条件下，规定出若干个

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