机械设计原理

第1章绪论教学提示：初步介绍机械设计基础课程研究的内容和机械零件设计的基本要求。教学要求：掌握构件、零件、机构、机器、机械等名词的含义及机械零件的工作能力计算准则。1.1机器的组成在人们的生产和生活中，广泛使用着各种机器。机器可以减轻或代替人的体力劳动，并大大提高劳动生产率和产品质量。随着科学技术的发展，生产的机械化和自动化已经成为衡量一个国家社会生产力发展水平的重要标志之一。1.1.1几个常用术语1.机器、机构、机械尽管机器的用途和性能千差万别，但它们的组成却有共同之处，总的来说机器有三个共同的特征：①都是一种人为的实物组合；②各部分形成运动单元，各运动单元之间具有确定的相对运动；③能实现能量转换或完成有用的机械功。同时具备这三个特征的称为机器，仅具备前两个特征的称为机构。若抛开其在做功和转换能量方面所起的作用，仅从结构和运动观点来看两者并无差别，因此，工程上把机器和机构统称为“机械”。以单缸内燃机(如图1.1所示)为例，它是由气缸体l、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9和齿轮10等组成。通过燃气在气缸内的进气—压缩—爆燃—排气过程，使其燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能。单缸内燃机作为一台机器，是由连杆机构、凸轮机构和齿轮机构组成的。由气缸体、活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构，把燃气推动的活塞往复运动，经连杆转变为曲轴的连续转动；气缸体、齿轮9和10组成的齿轮机构将曲轴的转动传递给凸轮轴；而由凸轮、顶杆、气缸体组成的凸轮机构又将凸轮轴的转动变换为顶杆的直线往复运动，进而保证进、排气阀有规律的启闭。可见，机器由机构组成，简单的机器也可只有一个机构。2.构件、零件、部件组成机器的运动单元称为构件；组成机器的制造单元称为零件。构件可以是单一的零件，也可以由刚性组合在一起的几个零件组成。如图1.1所示中的齿轮既是零件又是构件；而连杆则是由连杆体、连杆盖、螺栓及螺母几个零件组成，这些零件形成一个整体而进行运动，所以称为一个构件，如图1.2所示。在机械中还把为完成同一使命、彼此协同工作的一系列零件或构件所组成的组合体称为部件，如滚动轴承、联轴器、减速器等。机械设计基础·2··2·图1.1单缸内燃机图1.2连杆1—气缸体2—活塞3—进气阀4—排气阀1—连杆体2—螺栓5—连杆6—曲轴7—凸轮8—顶杆3—螺母4—连杆盖9—齿轮10—齿轮随着近代科学技术的发展，人类应用新知识和新技术不断创造出各种新型的机器，因此“机器”也有了新的含义。更广泛意义上的机器定义是：一种用来转换或传递能量、物料和信息的，能执行机械运动的装置。1.1.2机器的基本组成部分一部完整的机器就其基本组成来讲，一般都有下列三个主要部分：原动机、工作机和传动装置。1)原动机原动机是驱动整个机器完成预定功能的动力源。常用的有电动机(交流和直流)、内燃机等。2)工作机工作机是机器中具体完成工作任务的部分。其运动形式及运动和动力参数依据机器的用途不同而不同，执行构件有的做直线运动，有的做回转运动或间歇运动等。3)传动装置传动装置是机器中介于原动机和工作机之间，用来实现减速、增速、调速、改变运动形式或方位，从而使原动机传递过来的运动和动力满足工作机的各种要求。1.2机械设计基础研究的内容通过对机器的组成分析可知，传动装置是机械中的重要组成部分之一，用以传递运动和动力，以机械传动应用最广。机械传动通常由各种机构和各种零件组成。第1章绪论·3··3·常用机构有连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、齿轮机构等。零件可分为通用零件和专用零件两类。通用零件是在各种机器中都经常使用的零件，如带、带轮、链轮、链条、螺栓、键、轴、齿轮等；专用零件是仅在特定类型机器中使用的零件，如内燃机中的活塞、曲轴等。机械设计基础研究的对象为机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零、部件，研究其工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及一些标准零件、部件的选用和维护。1.3机械设计基础课程在教学中的地位机械设计基础是高等学校培养机械工程及相关专业学生初步掌握设计机器能力的一门技术基础课程。具有很强的理论性和实践性，是机械类及近机械类专业的主干课程之一，其先修课程为机械制图、理论力学、材料力学、工程材料以及金属工艺学等有关课程。机械设计基础在教学中具有承上启下的作用，是机械工程师及机械管理工程师的必修课程。通过本课程的学习，可以使学生获得正确使用和维护机械设备的基本知识，培养学生初步具备运用标准、规范、手册和图册等有关技术资料的能力，具备设计简单机械传动装置的能力，为学习相关专业机械设备课程以及参与技术革新奠定必要的基础。1.4机械零件设计的基本要求机械设计包括以下两种设计：①应用新技术、新方法开发创造新机械；②在原有机械的基础上重新设计或进行局部改革，从而改变或提高原有机械的性能。机械设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。机械零件是组成机器的基本单元，零件工作可靠，并且成本低廉是设计机械零件应满足的基本要求。机械零件必须具有相应的工作能力，才能工作可靠，零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下不失效的最大能力。对载荷而言，称为承载能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每个零件都能可靠地工作，才能保证机器的正常运行。因此，在设计时需要分析零件可能发生的失效形式，找出失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的计算准则。要想降低机械零件的制造成本，必须从设计和制造两方面着手，设计时应正确选择材料，合理规定公差等级，保证零件具有良好的加工工艺性和装配工艺性，以及尽量采用标准化设计。1.5标准化在机械设计中有很多零件使用范围很广泛，但在具体设计时随着工作条件的不同，在材料、尺寸、结构等方面的选择也各不相同，这种情况则可对其某些基本参数规定标准的机械设计基础·4··4·系列化数列，如齿轮的模数等。因此，在设计时一定要将计算结果依据标准，圆整成相应的标准值。此外，还有不少通用零、部件，例如螺纹联接件、滚动轴承等，由于应用范围广、用量大，已经高度标准化而成为标准零、部件，其标准化和系列化使设计者无需重复设计，设计时只需根据设计手册或产品目录，选定型号和尺寸，向专业商店或工厂订购即可。按标准生产的零件称为标准件。标准化、系列化给机械制造带来诸多好处：(1)由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本；(2)选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；(3)选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的数量；(4)具有互换性，从而简化机器的安装和维修。我国现行标准分为国家标准(GB)、行业标准和专业标准等，国际上则推行国际标准化组织(ISO)的标准，我国也正在逐步向ISO标准靠近。