机械设计基础总论

1第一章总论2第一节机械设计基础研究的对象和内容1．1本课程的研究对象研究的内容是有关机械的一些基本理论和设计方法问题。从总体上来看，内容上包含有机械原理和机械设计两个部分，对这两个部分进行整合就成为我们的这一门课程《机械设计基础》。然而什么是“机械”呢？本课程研究的有关机械的基本理论又包括哪些具体内容呢？在这里我们首先要熟悉本课程的几个基本名词和概念。3a.机械：机械是机器与机构的总称；也就是不讨论是否能完成能量的转换，我们用机械作为一个总称。b.机器：机器是具有确定运动的构件的组合体，它用来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和减轻人的体力和脑力劳动。c.机构：机构是实现传递机械运动和动力或改变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。4一部机器可能包含多种类型的机构，也可能只包含一种机构。凸轮机构齿轮机构连杆机构5机器的种类很多，根据其用途不同，可以分为：动力机器（如电动机、内燃机、发电机等）、加工机器（如机床、纺织机、包装机等）、运输机器（如汽车、拖拉机、输送机等）和信息处理机器（如计算机、机械积分仪、记帐机等）。6一部机器都是由若干个机构组合而成，共同联合工作而实现预定的工作要求的，如图1-1所示的牛头刨床。牛头刨床的工作过程是：电动机通电后开始工作，带动齿轮机构、导杆机构、刀具运动以及工作台运动，最终实现工件的刨削工作。图1-17牛头刨床8又如图所示1－2所示的内燃机，它由气缸体（机架）、曲轴、连杆、活塞、进气阀、排气阀、推杆、凸轮及齿轮等所组成。当燃气推动活塞作往复运动时，通过连杆使曲轴作连续转动，从而将燃气的热能转换成曲轴的机械能。为了保证曲轴的连续转动，通过齿轮、凸轮、推杆和弹簧等的作用，按一定的运动规律启闭阀门，以输入燃气和排除废气。图1－2内燃机910通过对该机构分析，我们可以发现它主要有三种机构组成：1）由机架、曲轴、连杆和活塞组成的曲柄滑块机构，它将活塞的往复运动转化为曲轴的连续运动；2）由机架、凸轮和推杆构成的凸轮机构，它将凸轮的连续转动转变为推杆的往复运动；凸轮机构11齿轮机构3）由机架、齿轮构成的齿轮机构，其作用是改变转速的大小和方向。12从大的方面看，机器由三个部分所组成，即原动部分、传动部分和执行部分。伴随着科技的发展，一个重要的趋势就是各个学科领域之间的相互渗透和融合。如今在机械工程领域，自动控制、电子技术和计算机技术等的应用日益广泛和深入，因此从某种意义上来说：现代的机械系统应该是机电一体化的系统。一个现代化的机械系统包括四个方面，即：原动机、传动装置、执行机构和控制系统。13洗洗衣衣机机组组成成部部分分14原动机的功能是用来接受外部能源，通过转换而自由运行（转），为机械系统提供动力输入（多数情况下是旋转运动），例如电动机将电能转换为机械能、发电机将机械能转换为电能、内燃机将化学能转换为机械能等等。传动部分由原动机驱动，用于将运动机的运动形式、运动及动力参数（如速度、转矩等）进行变换，改变为执行部分所需的运转形式，从而使执行部分实现预期的生产职能。15虽然机器的种类很多，在我们的生活中普遍存在、发挥着各不相同的作用，这些机器的具体构造也各不相同，但从机械的组成分析，又有共同点，它们都是由一些典型的零件和机构所组成。所有这些机器都具有三个共同的基本特征：1．机器都是由一系列构件（也称运动单元体）组成；2．组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；3．机器均能转换机械能或完成有用的机械功；16机器的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同,但从机器的组成分析，它们都是由一些典型的机构和零件所组成.机构是实现传递机械运动和动力或改变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。机构虽然有许多种类，用途各有不同，但它们都有与机器前两个特征相同的特征。由上述分析可知，机构是机器的重要组成部分，用以实现机器的动作要求。一部机器可能只包含有一个机构，也可由若干个机构所组成。17机器与机构的根本区别在于，机构的主要职能是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械功。组成机器的相对运动的单元体称为构件，可以是一个零件，也可以是由几个零件组成的刚性结构。构件与零件的根本区别在于：构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。这些自由分散的零件，一旦按照一定的方式和规则组合到一部机器中，它们就成为机器上不可或缺的一部分，发挥着各自的作用。特别是一些关键零部件，决定着整个机器的性能。18构件通用零件专用零件在各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如螺钉、轴、轴承、齿轮等。只在某种机器中使用的零件称为专用零件，如活塞、曲轴、叶片等。191.2本课程的研究内容本课程主要阐述机械设中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，同时扼要地介绍与本课程有关的国家标准和规范。虽然我们的学习是分散进行，而且只能选择极少数典型例子来学习，但不能把它们看作是分散孤立的，要牢记它们都是为机器整体的要求服务的，要能够透过典型看到一般，透过分散想到整体的要求，牢固树立工程的观点。201.3本课程的研究任务机械设计基础是一门机械类及近或非机械类专业（例如我们的食品专业）进入专业课学习前必修的一门重要的技术基础课，研究各类机械共同特性的基础知识，目的是培养学生具有一定设计能力的技术基础课程。它主要是在我们学习过高等数学、普通物理、工程力学、工程制图和机械工程材料等理论基础课之后，将理论和实际机械相结合来探讨机械内部基本规律的基础性理论课程。21随着科学技术的进步和生产过程的机械化、自动化水平的提高，任何一个行业领域都在广泛的使用机械。对于工程技术人员来说，必将遇到机械设备的使用、维护、管理等问题，需要创造出大量结构新颖、性能优良的新型机械设备充实和装备各行业；需要更新改造现有机械设备，以期合理地使用，发挥其潜力。这就要求我们必须了解和具备一定的机械方面的知识。22本课程所学内容是研究现有机械运动、工作性能和设计、发明新机械的知识基础。它对机械类及近或非机械类各专业的专业课学习、毕业设计乃至将来参加实际工作都有直接的和长远的意义，起着非常重要的作用。23通过本课程的学习，应达到的基本要求是：1）掌握机构的结构原理、运动特性和机械动力学的知识，初步具备确定机械运动方案、分析和设计基本机构的能力；2）掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，具备设计一般简单机械的能力；3）具备运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。24本课程涉及的知识面较广同时又偏重于应用，所以需要我们能够综合应用许多先修课程的知识，学习时重视理论联系实际，重视基本技能的训练，注意分析问题和解决问题的方法。一方面要着重搞清基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和设计的基本方法；另一方面也要要注意这些原理和方法在机械工程上实际应用的范围和条件。25具体而言就是：1）强化搞清基本概念：本课程的特点之一就是名词概念多，我们要牢记这些基本概念不仅仅是简单的名词定义，它对课程的学习、认识、理解有着非常重要的作用，有时就是直接利用基本概念来分析、解决问题，以及进行机构的分析和设计。因此，对所涉及到的基本概念不能死记硬背，要结合图形进行理解记忆，必须重点搞清其含义和指导意义。262）深化理解基本原理：对课程中涉及到的机构结构理论、机构分析的运动学和动力学理论、齿轮啮合、加工及其传动理论、机械速度波动及调节原理、机械平衡理论等，要充分理解搞懂，要能够正确应用这些理论。并要善于用理论及其公式证明问题和解决问题，使之更有说服力。3）牢牢掌握基本研究方法：课程中各种基本设计方法，以及机构组合、变异、演化方法等是本门课程使用的基本研究方法，应牢牢掌握并善于用其解决工程实际问题。274）逐步树立工程观点：机械设计基础是一门理论性和实践性都比较强的技术基础课，研究对象和内容就是工程实际上常用的机械及其相关知识，学习过程中应把基本原理和方法与研究的实际机构和机器密切联系起来。善于用所学的知识观察和分析所遇到的各种机构和机器。在附加一定条件下，可将一些比较复杂的问题转化为比较简单的问题，注意各种理论和方法的应用条件和范围，正确而灵活的运用。28同时要注意，在实际工作中，有些需要严格的理论分析，有些则采用实验、试凑、近似等简化方法，解决工程实际问题可以有几种方法，其所得结果也往往不唯一，有时也不要求十分精确。因此，树立工程观点，培养综合分析、判断、决策能力，和严肃认真的科学态度是十分重要的，对所有这些方法都要给予足够的重视。291.4机械设计发展简介机械设计的历史可以追溯到人类开始制造和使用工具的初期；在经历了直觉设计、经验设计、半经验半理论设计的漫长演变历程后，到20世纪70年代随着计算机科学与技术地迅猛发展，利用计算机来完成技术设计的有关分析、计算和绘图作业的计算机辅助设计（CAD）逐渐得到开发应用。而本课程的学习正是开发和应用计算机CAD软件所必须得重要知识之一。30此外，有限元分析和机械优化设计则是机械CAD的两大支撑技术。在机械CAD发展的同时，人们不满足仅仅利用计算机来代替人工分析、计算和绘图，而试图在机械设计的全过程中发挥计算机的效能，于是出现了协助技术人员进行工艺设计的CAPP，以及将人工智能应用于方案设计、技术设计以及工艺设计的专家系统，以实现自动化、智能化；31进而又提出将设计、制造及生产管理等应用计算机加以集成化的计算机制造系统（CIMS），现已获得初步成效。另一方面，工程设计方法学的研究也得到重视和长足的进展，如系统化设计、优化设计、人机工程以及可靠性设计等；近年来随着对知识经济的认识和对创造性的高度重视，机械创新设计已经称为一个重要研究方向。所以，在学习本课程的同时，应密切关注有关领域的发展动向和最新成果，才可能适应科学技术飞速发展和激烈的国际市场竞争。32第二节机械设计基本要求和一般程序§2.1机械设计的重要性从某种意义上说，机械设计水平的高低可以说是衡量一个国家技术发展水平的尺度。90年代末，美国就提出了“为竞争的优势而设计”（DesigningforCompetitiveAdvantage)的口号。也有人说“21世纪将是设计的世纪”。面向国际市场的竞争必须依靠产品创新设计技术，而人们手中最重要的武器就是“设计”。3320世纪后期所形成的全球经济一体化格局，预示着21世纪在世界范围内的经济和技术竞争将会更加激烈。对于包括机械制造在内的制造业来说，这种竞争就具体体现在产品上，即要求：产品上市快（T）、质量高（Q）、成本低（C）、服务好（Ｓ），从而才能占领市场。而这些要求在很大程度上就取决于产品的设计质量和效率。34对于机械设计来说，就是适应市场的需求，以最短的设计周期，拿出功能强、经济性好、便于使用于维护的产品。机械设计在机器制造业起着十分重要的作用，往往机械产品的技术经济性能和竞争力就在于设计质量的好坏。据统计分析，虽然机械产品成本中的约80％是制造费用，设计成本只占5％左右，而就是这5％的设计活动决定着70～80％的产品成本。而机械制造业是一个国家自立于世界的标志，是国家财政收入的主要创造者，其产值占到国民产值得80%左右。35§2.2机械设计一般过程机械设计过程一般包括四个阶段，即：1）明确任务阶段；2）方案设计阶段；3）技术设计阶段；4）施工设计阶段。361）明确任务阶段在实际工作中，我们知道有各种各样的、用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的设计过程都有一个共同的特点，即都是从提出设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依据工作和生产的需要。37设计任务一般是以任务书的形式下达的，其中明确规定有：机器的用途、主要性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、生产批量、预期成本、完成期限、承制单位等内容。一般是由主管单位、用户提出。任务书的要求决定了设计工作的内容、质量和水平。例如，批量和用途直接决定加工手段、成本等内容，同时