第1章机械设计概论..优秀PPT.ppt

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1、机机械械设设计计教材：机械设计教材：机械设计主编主编:李良军李良军出版社：高等教化出版社，出版社：高等教化出版社，2010 2010 主讲：任亨斌主讲：任亨斌 1龙振宇主编，机械设计，机械工业出版社，龙振宇主编，机械设计，机械工业出版社，2002 2濮良贵濮良贵 纪名刚主编，机械设计（第七版），纪名刚主编，机械设计（第七版），高等教化出版社，高等教化出版社，2001年年3邱宣怀主编，机械设计（第四版），邱宣怀主编，机械设计（第四版），高等教化出版社，高等教化出版社，1998年年 4 余俊等主编，机械设计（其次版），余俊等主编，机械设计（其次版），高等教化出版社，高等教化出版社，1986年年 主

2、要参考书目：主要参考书目：第第1 1章章 机械设计概论机械设计概论1.11.1机械的类型与组成机械的类型与组成 一、机械的类型一、机械的类型 机械机械是机器与机构的统称是机器与机构的统称 。1.1.机器机器 实例一实例一内燃机内燃机 实例二实例二机器人机器人 实例三实例三 工件自动载送装置工件自动载送装置机器的特征：机器的特征：人造的实物组合体（不是自然形成的）人造的实物组合体（不是自然形成的）；-结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实代替或减轻人类劳动完成有用的机械功或实现能量的转换、供应或转换信息现能量的转换

3、、供应或转换信息 。-能量观点能量观点机器的类型：机器的类型：依据机器所能实现的功能不同，机器可分为：依据机器所能实现的功能不同，机器可分为：动力机器动力机器工作机器工作机器信息机器信息机器2.2.机构机构 机构的特征：机构的特征：人造的实物组合体（不是自然形成的）人造的实物组合体（不是自然形成的）；-结构观点结构观点各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；-运动观点运动观点3.3.机器和机构的区分机器和机构的区分机器能作有用功，而机构不能，机构仅机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预能实现预期的机械运动期的机械运动。两者之间也有联系，机器是由若干个机构组成两者之间也有联系，机器是

4、由若干个机构组成的系统，最简洁的机器只有一个机构。的系统，最简洁的机器只有一个机构。二、机器的功能组成二、机器的功能组成 1）驱动系统驱动系统：机械动力的来源机械动力的来源2）执行系统执行系统：能完成机械预期的动作能完成机械预期的动作3）传动系统传动系统：把驱动系统的运动和功率传递给工作机的中间环节把驱动系统的运动和功率传递给工作机的中间环节4）操作系统和限制系统）操作系统和限制系统就其功能而言，一台完整的机器通常由五部分组成：就其功能而言，一台完整的机器通常由五部分组成：驱动系统传动系统执行系统框架支撑系统、润滑、照明等辅助系统操作系统和控制系统传感器传感器传感器三、机器、机构的结构组成三、

5、机器、机构的结构组成 1.零件零件 组成机械的组成机械的基本制造单元基本制造单元称为零件称为零件。零件分为零件分为通用零件通用零件和和专用零件专用零件。通用零件通用零件包括：包括：齿轮齿轮、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；、螺栓、键、花键、销、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承等。滚动轴承、滑动轴承等。专用零件专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。例如：叶片、犁铧、枪栓等。注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的注：通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。设计方法应在有关专业课中学习。标准标准件：件：经过优选、简化、统一、并给以标准代号的零经过优选、简

6、化、统一、并给以标准代号的零件和部件称为件和部件称为标准零、部件标准零、部件。如螺栓、螺母、键、。如螺栓、螺母、键、滚动轴承、联轴器等。滚动轴承、联轴器等。2.构构件件 组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即组成机械的各相对运动实体称为构件。构件即为机械中的为机械中的运动单元运动单元。零件零件构件构件机构机构机器机器构件的组成：零件构件的组成：零件小结小结:实例：实例：内燃机连杆内燃机连杆1.1.本课程探讨的对象及主要内容本课程探讨的对象及主要内容四、本课程探讨的对象、内容、性质和任务四、本课程探讨的对象、内容、性质和任务 （1 1）探探讨讨对对象象 ：通用的机械传动装置及一般条件下工作的一

7、通用的机械传动装置及一般条件下工作的一般参数的通用机械零、部件。般参数的通用机械零、部件。（2 2）主要内容）主要内容 ：常用联接常用联接（如螺纹联接、键联接、焊胶联接（如螺纹联接、键联接、焊胶联接等）、等）、常用的机械传动常用的机械传动（带传动、链传动、齿轮（带传动、链传动、齿轮和蜗杆传动等）、和蜗杆传动等）、轴系零部件轴系零部件（轴、轴承、联轴（轴、轴承、联轴器）和器）和弹簧弹簧等的等的工作原理、结构特点、基本的设工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法计理论和计算方法，以及某些，以及某些标准件的选择方法标准件的选择方法。1.1.本课程的性质和任务本课程的性质和任务 （1 1）课程的性

8、质：）课程的性质：是一门培育学生具有机械设计实力的技术基础课是一门培育学生具有机械设计实力的技术基础课 。（2 2）课课程程的的任任务务 ：1 1）树立正确的设计思想。）树立正确的设计思想。2 2）驾驭通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。）驾驭通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。3 3）驾驭确定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）驾驭确定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）4 4）驾驭典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技能。）驾驭典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技能。5 5）了解机械设计的最新动态。）了解机械设计的最新动态。五、本课程的特点和学习方法五、本课程的特

9、点和学习方法 本课程的几个特点：本课程的几个特点：涉及面广涉及面广 关系多关系多因与诸多先修课关系亲密。因与诸多先修课关系亲密。要求多要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、平安、经济性。强度、刚度、寿命、工艺、重量、平安、经济性。公式多公式多计算多，有解析式、半解析式、阅历的、半阅历的及定义式。计算多，有解析式、半解析式、阅历的、半阅历的及定义式。图表多图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、阅历数结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、阅历数表。表。门类多门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。各类零件，各有特点，设计方法各异。实践性强实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要

10、留意实践性环节。不仅读懂书就行，要多联系实际，要留意实践性环节。无重点无重点又都是重点，设计工作必需详尽，细小的疏忽也会导致严峻事故。又都是重点，设计工作必需详尽，细小的疏忽也会导致严峻事故。设计问题无统一答案设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要留意发展求异思维。更多地谈论谁设计得更好，要留意发展求异思维。留意处理好几个关系：留意处理好几个关系：零件的设计与选用零件的设计与选用 零件设计的两个主要途径。零件设计的两个主要途径。设计计算与结构设计设计计算与结构设计 设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。性能要求与经济性性能要求与经济性

11、 恒久是一对冲突，应学会合理地解决这一对冲突。恒久是一对冲突，应学会合理地解决这一对冲突。阅历设计与现代设计阅历设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。二者均重要，前者是后者的基础。具体的设计方法与一般的设计实力具体的设计方法与一般的设计实力 前者是学习的形式，后者是学习的目的。前者是学习的形式，后者是学习的目的。1.21.2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求1.1.实现预期功能要求实现预期功能要求2.2.经济性要求经济性要求3.3.操作便利与平安要求操作便利与平安要求4.4.美学与环保要求美学与环保要求5.5.其他特殊

12、要求其他特殊要求1.21.2机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 二、二、机械设计的机械设计的主要内容主要内容1.1.选择机器的工作原理；选择机器的工作原理；2.2.运动和动力计算；运动和动力计算；3.3.零、部件的工作实力计算；零、部件的工作实力计算；4.4.绘制零、部件及整机的工作图和装配图等绘制零、部件及整机的工作图和装配图等 。三、机械设计的一般程序三、机械设计的一般程序 机器设计的一般程序机器设计的一般程序 市场调市场调研研可行性可行性探讨探讨原原理理方方案案设计设计技技 术术设设 计计试试制制试验试验小批生小批生产试销产试销投投产产设设计计任任务务书书定定出出最

13、最佳佳方方案案装配图、装配图、零件图、零件图、技术文件技术文件样样机机评评价价改改进进考核考核工艺工艺性收性收集用集用户看户看法法产产品品销销售售1.31.3机械零件应满足设计的基本要求和设计的机械零件应满足设计的基本要求和设计的一般步骤一般步骤 一、机械零件应满足的基本要求一、机械零件应满足的基本要求 q 避开在预定寿命期内失效的要求避开在预定寿命期内失效的要求q 结构工艺性要求结构工艺性要求q 经济性要求经济性要求q 质量小的要求质量小的要求q 牢靠性要求牢靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。设计的结构应便于加工和装配

14、。零件应有合理的生产加工和运用维护的成本。零件应有合理的生产加工和运用维护的成本。质量小则可节约材料，质量小则敏捷、灵活。质量小则可节约材料，质量小则敏捷、灵活。应降低零件发生故障的可能性（概率）。应降低零件发生故障的可能性（概率）。1 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷；）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷；二、机械零件设计的一般步骤二、机械零件设计的一般步骤2 2）按可能的失效形式确定零件的计算准则；）按可能的失效形式确定零件的计算准则；3 3）选择零件的材料；）选择零件的材料；4 4）依据工作实力计算准则建立或选定相应的计算式，）依据工作实力计算准则建立或选定相应的计算式，确

15、定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；5 5）零件的结构设计；）零件的结构设计；6 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。三、机械零件的常规设计方法三、机械零件的常规设计方法1.1.理论设计理论设计 设计计算设计计算 2.2.阅历设计阅历设计 校核计算校核计算 3.3.模型试验设计模型试验设计 四、现代设计方法简介四、现代设计方法简介1.1.计算机协助设计计算机协助设计 2.2.优化设计优化设计 3.3.牢靠性设计牢靠性设计 4.4.模块化设计模块化设计 5.5.并行设计并行设计 1.4 1.4 机械零件的工作实力

16、机械零件的工作实力机械零件由于某些缘由不能正常工作时，称为机械零件由于某些缘由不能正常工作时，称为失效。失效。常见的失效形式常见的失效形式断裂断裂过量变形过量变形表面损伤表面损伤一、机械零件的主要失效形式一、机械零件的主要失效形式 1.1.断裂断裂断裂是指零件在载荷作用下，其危急截面的应力断裂是指零件在载荷作用下，其危急截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危急截面发生的疲惫断裂。下，危急截面发生的疲惫断裂。齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂2.2.过量变形过量变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，当作

17、用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形3.3.零件的表面损伤零件的表面损伤 零件的表面损伤主要是腐蚀、磨损和接触疲惫（点蚀）。零件的表面损伤主要是腐蚀、磨损和接触疲惫（点蚀）。齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损二、二、机械零件的工作实力设计计算准则机械零件的工作实力设计计算准则 强度准则：强度准则：刚度准则：刚度准则：设计零件时，首先应依据零件的失效形式确定其设计准则以及设计零件时，首先应依据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：相应的设计计算方

18、法。一般来讲，有以下几种准则：寿命准则：寿命准则：振动稳定性准则：振动稳定性准则：散热性准则：散热性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。本的设计准则。确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。y yy y 通常与零件的疲惫、磨损、腐蚀相关。通常与零件的疲惫、磨损、腐蚀相关。高速运转机械的设计应留意此项准则。高速运转机械的设计应留意此项准则。进行热平衡计算。进行热平衡计算。1.5 1.5 机械零件的常用材料及选用原则机械零件的常用材料及选用原则 一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料1.1.钢钢

19、含碳量小于含碳量小于2的铁碳合金称为钢。的铁碳合金称为钢。按用途分：按用途分：按化学成份分：按化学成份分：钢的分类：钢的分类：结构钢结构钢工具钢工具钢特种钢特种钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢在机械中常用钢种：在机械中常用钢种：（2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：4545，用于制造较重要的机械，用于制造较重要的机械零件，是机械制造中广泛应用的钢种。零件，是机械制造中广泛应用的钢种。（3 3）合金结构钢：）合金结构钢：40Cr40Cr，应用制造重要的或有特，应用制造重要的或有特殊要求的机械零件。殊要求的机械零件。（4）铸钢：）铸钢：ZG230-450ZG230-

20、450（1）碳素结构钢：）碳素结构钢：用于制造一般要求的零件。用于制造一般要求的零件。钢的力学性能：钢的力学性能：2.铸铁铸铁 含碳量大于含碳量大于2的铁碳合金称为铸铁。的铁碳合金称为铸铁。铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和耐磨性和减振性，而且价格便宜。常用的是灰铸铁和球墨铸铁。球墨铸铁。（1）灰铸铁）灰铸铁 灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。灰色而得名。灰铸铁常用来制造箱体件。（2）球墨铸铁）球墨铸铁 球墨铸

21、铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。球墨铸铁经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制铁经球化处理后有的机械性能比钢还好，所以常用来制造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。造齿轮、曲柄、连杆、阀体等。3.有色金属合金有色金属合金 在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金在金属中，除了铸铁、钢、黑色金属外，其它的金属则为有色金属。这类金属具有很多特殊的性能，即良属则为有色金属。这类金属具有很多特殊的性能，即良好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有好的导电性、导热性、耐蚀性和减磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是机械制造中不行缺少的材料。很多特殊的用

22、途，是机械制造中不行缺少的材料。常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。常用的有色金属有黄铜、青铜和轴承合金。4.非金属材料非金属材料 在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，在非金属材料中，最常用的是橡胶，它的弹性好，常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和常用来制造缓冲吸振和密封的零件，如胶带、密封圈和弹簧等。弹簧等。二、金属材料的热处理二、金属材料的热处理 钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温顺钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温顺不同的冷却方式，以变更其内部组织结构，从而获得不同的冷却方式，以变更其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。所需性能的一种工艺方法。

23、常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、常用的热处理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面热处理等。表面热处理等。名名 称称说说 明明应应 用用退退 火火退退火火是是将将钢钢件件（或或毛毛坯坯）加加热热到到临临界界温温度度（一一般般为为723）以以上上3050，保保温温一一段段时间，然后随炉一起缓慢冷却时间，然后随炉一起缓慢冷却消消除除锻锻、铸铸、焊焊的的零零、构构件件的的内内应应力力；降降低低硬硬度度使使其其易易于于切切削削加加工工；细细化化晶晶粒粒，调调整组织改善机械性能整组织改善机械性能正正 火火正正火火是是将将钢钢件件加加热热到到临临界界温温度度以以上上，保保温温一一段段时时间间，然

24、然后后在在空空气气中中冷冷却却，冷冷却却速速度度比退火快比退火快处处理理低低、中中碳碳钢钢及及渗渗碳碳零零件件，作作用用与与退退火火类似类似淬淬 火火淬淬火火是是将将钢钢件件加加热热到到临临界界温温度度以以上上，保保温温一一段段时时间间，然然后后在在水水、盐盐水水或或油油中中（个个别别材料在空气中）急冷下来材料在空气中）急冷下来提提高高钢钢件件的的硬硬度度和和强强度度，但但淬淬火火后后钢钢材材性性能能变变脆脆，并并存存在在着着很很大大内内应应力力，所所以以还还需需要进行低温回火要进行低温回火回回 火火回回火火是是将将淬淬硬硬的的钢钢件件再再加加热热到到临临界界点点以以下下的的温温度度，保保温温

25、一一段段时时间间，然然后后在在空空气气中中或或油油中中冷冷却却下下来来。根根据据回回火火温温度度不不同同，又又分分低低温温（150250）回回火火、中中温温（300500）回火、高温（）回火、高温（500650）回火）回火消消除除淬淬火火后后的的脆脆性性和和内内应应力力，提提高高钢钢件件的的塑塑性性和和韧韧性性，低低温温回回火火硬硬度度可可达达HRC5562，中中温温回回火火硬硬度度可可达达HRC3545，高高温温回火硬度可达回火硬度可达HRC2335调调 质质淬火后再进行高温回火，称为调质淬火后再进行高温回火，称为调质使使钢钢件件获获得得较较高高的的韧韧性性和和强强度度。很很多多中中碳碳钢制

26、造的零件（如轴类）常用调质处理钢制造的零件（如轴类）常用调质处理表面淬表面淬火火使使零零件件表表层层有有高高的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性，而而心心部部保保持持原原有有的的强强度度和和韧韧性性。根根据据加加热热方方法法不不同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火同，分为火焰表面淬火和高频表面淬火表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件表面淬火常用来处理齿轮、花键等零件渗渗 碳碳将将低低碳碳钢钢或或合合金金钢钢零零件件置置于于渗渗碳碳剂剂中中，加加热热到到900950保保温温，使使碳碳原原子子渗渗入入钢钢的的表面层，然后再淬火和回火表面层，然后再淬火和回火增增加加钢钢件件的的表表面面硬硬度度和和耐耐磨磨性性，

27、而而心心部部仍仍保保持持较较好好的的韧韧性性和和塑塑性性，多多用用于于重重载载荷荷、受冲击、耐磨的零件受冲击、耐磨的零件三、材料选择的基本原则三、材料选择的基本原则 1.1.运用要求运用要求 （1 1）机械性能方面的要求。）机械性能方面的要求。（2 2）物理性能方面的要求。）物理性能方面的要求。（3 3）化学性能方面的要求。）化学性能方面的要求。2.2.工艺要求工艺要求 3 3经济要求经济要求 1.6 机械设计中的标准化、系列机械设计中的标准化、系列化和通用化化和通用化 一、一、“三化三化”的含义及其优越性的含义及其优越性 标准化标准化系列化系列化通用化通用化“三化三化”的优越性的优越性1.6

28、 机械设计中的标准化、系列化和通用化机械设计中的标准化、系列化和通用化 二、机械零、部件的标准化二、机械零、部件的标准化 国家标准国家标准（GB）企业标准企业标准行业标准（行业标准（JB）地方标准地方标准强制标准（强制标准（GB 5903-1995）强制标准（强制标准（GB/T 5782-2000）中国标准体系：中国标准体系：推杆推杆凸轮凸轮推杆推杆凸轮凸轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮曲轴曲轴连杆连杆活塞活塞动画动画 工业机器人注：左键单击图片可演示视频机器人焊接相识机器3工业机器人注：左键单击图片可演示视频机器人去毛刺工业机器人数控加工中的工业机器人注：左键单击图片可演示视频 售酒机器人注：左键单击图片可演示视频 工业机器人 示教板用于输入限制吩咐或限制程序限制系统用于限制操作机各关节内伺服电机的运动工业机器人的组成操作机在限制系统的限制下，实现各种困难运动。每个关节内有电动机和减速器 相识机器6工业机器人操作机工业机器人电机底座轴壳减速器滚子轴承基座 内燃机内燃机连杆连杆套筒套筒连杆体连杆体垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖螺栓螺栓内燃机连杆