机械设计基础结论

绪论四川信息职业技术学院机电工程系周玉丰绪论第一篇静力学基础第二篇材料力学第三篇常用平面机构第四篇常用机械传动第五篇常用机械零部件课程主要内容绪论机械工程是一个历史悠久、发展较为成熟的学科。未来机械工程科学发展的总趋势是：交叉化、综合化；数字化、智能化；微型化、精密化；高效率、清洁化；柔性、集成化等。显然，机械学科的前沿研究、发展会涉及到许多学科的内容。然而可以肯定地说，所有发展都一定离不开“机械设计基础”——它研究机器、机械的组成原理；常用机构及其特点；机械中常用的零件以及机械设计的一般理论。因此，“机械设计基础”是机械工程的基石之一。这一章对《机械设计基础》课程以及学习这门课程应注意的问题作一大致的介绍。绪论内容1.定义几个基本的名词术语；2.设计机器应满足的基本要求；3.机械设计的几种方法和机械设计的大致步骤；4.课程研究的内容与教学目标。5.本课程的特点和学习方法重点机械设计的基本要求；课程研究内容与目标；课程特点和学习方法。难点机械设计应满足的基本要求。绪论机器人类制造出来的、各组成部分具有确定相对运动的、可完成人们期望的预定职能（变换或传递能量、物料、信息）的实物组合。内燃机、牛头刨床、自行车等就是常见的机器。构件组成机器的运动单元（包括运动速度为零的单元），亦称为“杆”。内燃机中，活塞、连杆、曲轴、凸轮、挺杆、气缸体等都是构件。机构实现某种特定运动的构件组合。例如内燃机中的活塞、连杆、曲轴和气缸体组成曲柄滑块机构；凸轮、顶杆和气缸体组成凸轮机构。机械从研究运动和受力来看，机器与机构并无区别。因此，习惯上用“机械”一词作为机器和机构的总称。即：机械=机器+机构零件机器中不可分拆的基本制造单元。分为：专用零件（仅出现在某些类机器中的零件，如曲轴、连杆、汽轮机叶片等）；通用零件（各类机器中广泛应用的零件，如齿轮、螺栓、轴承等）。设计为满足某一特定要求而进行研究、分析、构思、计算、绘图、实验、决策的创造过程。机械设计是指规划和设计预期功能的新机械或改进原有机械的性能。0.1机器的组成及其特征绪论机器的功能组成1.动力系统2.执行系统3.传动系统4.操纵系统和控制系统5.框架支撑系统及其他的辅助系统机器的组成及其特征绪论机器的组成及其特征绪论机器例１右图所示为单缸四冲程内燃机。它是人们根据物理学的燃烧膨胀过程发明的机器，其作用是将汽油、柴油的化学能转换为回转机械能。其工作原理如下：活塞上下往复移动，曲轴及相应的齿轮、飞轮连续转动，与大齿轮相连的凸轮推动挺杆有规律地上下运动。齿轮传动的齿数比为１∶２，以保证曲轴每转两周进、排气门各启闭一次。四个冲程依次为：进气(曲轴及与之固连的飞轮靠惯性转动，通过曲轴、连杆带动活塞向下运动，此时排气门关闭，进气门打开以输入新鲜的油雾和空气)；压缩(进、排气门关闭，在飞轮的惯性转动作用下，活塞向上运动缩小空间使油、气混合物压缩升温)；膨胀(进、排气门关闭，燃气燃烧膨胀推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴及相应的齿轮、飞轮、凸轮转动)；排气(进气门关闭，排气门打开，活塞在飞轮带动下向上运动缩小空间以排除废气)。机器的组成及其特征绪论机器例2右图所示为机械厂常用的加工平面的牛头刨床。其工作原理如下：电动机通过带传动、齿轮变速箱、曲柄导杆机构带动滑枕以合适的速度(与不同硬度的被切材料相适应)往复移动，从而使与滑枕相连的刨刀单向切削金属。为了降低输入功率同时节省非加工时间，滑枕往复运动的速度不等(切削金属的工作行程速度较低以降低输入功率；刨刀返回的非工作行程速度较大以减小非切削时间)。因刨刀宽度有限，当滑枕往复运动一次时，与进给手轮相连的棘轮-螺旋机构(图中未画出)带动工作台及其固定在上面的被加工工件沿垂直于纸面的方向移动一段距离，将新的待切除材料置于刨刀之前，滑枕多次往复运动后就加工出了较大的平面。在切削之前，调整曲柄导杆机构中曲柄的长度，可改变滑枕移动的行程大小，旋转升降螺杆可调整工作台的高低，这样就能适应加工不同尺寸的工件。机器的组成及其特征绪论机器例3右图为人们用来代步的自行车及其传动机构。为使自行车适合在平道和一定的坡道上行使，使人在骑行的过程中得到间歇的休息，要求自行车的传动机构具有如下功能，即：在人踩脚踏板时，通过链盘、链条、后飞轮驱动后轮转动，使自行车前进；当在平道上自行车的速度较大或下坡时，后轮应与后链盘脱离联接，这样，自行车向前滑行时脚踏板就可不动，从而使人得到短时的休息。请想想：飞轮机构应该什么样的呢？揭开后链轮的盖，观察动画可以发现，自行车后飞轮的棘轮机构（称为超越离合器）就能满足上述要求。机器的组成及其特征绪论补充说明1.机器可由单个机构组成(如鼓风机、电动机等)，也可由多个机构组成(内燃机和工业上使用的大多数机器都是)；构件可以是一个零件，也可由多个零件构成。2.通常，可将机器的构成分为动力、传动、控制与反馈、执行四个基本组成部分。其中：动力部分提供能量(以电动机和内燃机使用最广)；传动和执行部分(由各种机构组成)转换、传递能量或利用能量作有用的机械功以实现物料、信息的变换；控制反馈部分(包括各种控制机构、电气装置、计算机和液、气压系统等)实现人机交流。由此可看出机构与机器的区别在于：机构只是一个构件组合，而机器除构件组合之外还包含其他装置；机构只用于传递运动和力，机器除传递运动和力之外，还应当具有人机对话、变换或传递能量、物料、信息的功能。3.根据机器的作用不同，习惯上也将机器分为：原动机——转换其他形式能量为机械能的机器，如内燃机、电动机(分别将热能和电能变换为机械能)等。工作机——利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器称为工作机，如发电机(机械能变换为电能)、起重机(传递物料)、金属切削机床(变换物料外形)、录音机(变换和传递信息)等。机器的组成及其特征绪论现实中的机械多种多样，因而相应的具体设计要求可能有所不同，但共同的基本要求都是适用、可靠、经济、美观。适用满足预期的功能要求，技术性能良好，便于操作和维护。例如轿车要求有良好的乘坐、驾驶舒适性，良好的加速性能等；机床要求较高的生产率和精度，适当的加工范围等。机器是需要人操纵控制的，机器使用一段时间总是会出现材料老化、零件磨损等问题的，因此适用还包含有良好的操作性和维护性要求。可靠要有良好的性能稳定性和安全防护装置。前者是指在预期的使用期限内，完成预定功能的概率要高；后者是指在误操作或偶然事件作用下要能避免伤人损机。经济机器的研制费用、使用费用尽可能低，生产效率尽可能高，使用寿命尽可能长。也就是要求有尽可能好的综合经济效果。参见经济效果图美观造型优美、色调宜人。不同的使用者对造型是否优美有不同的评价，因此设计时必须明确产品的使用对象；对工业设备来讲，色调宜人的含义应是：使人的中枢神经既不是太紧张，也不是太松弛，从而使人发挥最高的效能。上述的８字要求说起来容易，做起来困难，它涉及到设计工作的方方面面。因此，要成为一个优秀的设计人员，必须在学好本课程的基础上学习更多的有关课程。机械设计应满足的基本要求绪论0.2课程的性质、研究对象、任务和学习方法本课程的任务：(1)能熟练地运用力系平衡条件求解简单力系的平衡问题；(2)掌握零部件的受力分析和强度计算方法；(3)熟悉常用机构、常用机械传动及通用零部件的工作原理、特点、应用、结构和标准，掌握常用机构、常用机械传动和通用零部件的选用和基本设计方法，具备正确分析、使用和维护机械的能力，初步具有设计简单机械传动装置的能力；(4)具有与本课程有关的解题、运算、绘图能力和应用标准、手册、图册等有关技术资料的能力。本课程的学习方法：(1)抓好基本学习环节；(2)学会综合运用知识；(3)学会知识技能的实际应用；(4)学会总结归纳；(5)学会创新。绪论0.3零件的失效形式及设计准则机械零件在预定的时间内和规定的条件下，不能完成正常的功能，称为失效。机械零件的失效形式主要有断裂、过大的残余应变、表面磨损、腐蚀、零件表面的接触疲劳和共振等。机械零件的失效形式与许多因素有关，具体取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及其所产生的应力性质等多种因素。即使是同一种零件，由于材质及工作情况不同，也可能出现各种不同的失效形式。如轴工作时，由于受载情况不同，可能出现断裂、过大塑性变形、磨损等失效形式。绪论1.强度零件的失效形式及设计准则强度是保证机械零件正常工作的基本要求。为了避免零件在工作中发生断裂，必须使零件工作时满足下面的设计准则：或式中：、分别为零件工作时的正应力和剪应力；[]、[]分别为零件材料的许用正应力和许用剪应力。绪论2.刚度零件的失效形式及设计准则刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。若零件刚度不够，将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例如若车床主轴的弹性变形过大，会影响加工精度，为了使零件具有足够的刚度，设计时必须满足下面的设计准则：式中，y、、分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；[y]、[]、[]分别为零件的许用挠度、许用偏转角和许用扭转角。绪论3.寿命零件的失效形式及设计准则机械零件应有足够的寿命。影响零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳。但至今还没有提出实用且有效的腐蚀寿命计算方法。因此也无法列出腐蚀寿命的计算准则。而磨损的计算目前也没有简单、可靠的定量计算方法。因此，只能采用条件性的计算。至于疲劳寿命，通常是算出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。绪论4.可靠性零件的失效形式及设计准则满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有的零件都能完成规定的功能。零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率称为该零件的可靠度。可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量。不同零件的可靠度要求是不同的，设计时应根据具体零件的重要程度选择适当的可靠度。绪论机械设计的基本要求1.功能要求2.安全可靠性要求3.经济性4.其他要求0.4机械设计的基本要求及程序绪论机械设计的一般程序明确任务调查研究可行性论证总体设计技术设计样机试制修改图纸及工艺批量正式生产机械设计的基本要求及程序绪论机械设计的基本要求及程序绪论设计方法分类内插设计主要应用类比的方法。这种设计有成功的经验和有用的资料可借鉴，只要精心对待，认真作一些技术改进工作，通过少量的试验研究就能设计出成功的产品。外推设计只有部分成功经验和资料可借鉴。因此，外推设计必须慎重。通常对于参数、功能超出一般设计方法所适用范围的外推部分，应作好技术开发的理论研究和相关的试验研究。开发设计应用新原理、新材料、新技术（三新）设计新型机械设备。开发设计是一项复杂且工作量巨大的工作，需全面协调市场调研、研究设计、样机制造与试验等各方面的工作才能顺利完成。机械设计的基本要求及程序