机械设计基础

机械设计基础()绪论引言本课程研究的对象和内容本课程的目的和特点机械设计的基本要求和一般过程实物图片引言机器是人类为了减轻体力劳动和提高劳动生产率而创造出来的主要工具，使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志之一。在人类历史上，机器的进步从来就是促进生产力发展的主要因素。以蒸汽机的发明和广泛使用为标志的第一次技术革命，为近代机械化大生产奠定了基础，使人类从手工生产进入到机械化生产。从世纪年代起，以原子能、空间技术和电子计算机为主要标志的一场新技术革命，促进了科学技术的重大变革和飞速发展，大量的新机器也已从传统的纯机械系统，演变成机电一体化的机械设备。机器的设计、制造的手段得到根本的改变，新材料、新工艺的出现，改变了机器原来单一钢铁之躯面貌，机器中电子控制技术的应用，使机械进入了智能化的新阶段。机器的设计制造周期越来越短，对机器的性能、质量的要求也越来越高，个性化要求越来越多，机械产品向着高速、精密、重载、智能等方面发展。进入信息时代，全世界都在重视高新技术的研究和发展，信息时代，需要大量的电子产品，而这些电子产品无一不要高、精、尖的机械设备。由此可见，机械是为高新技术提供必要基础设备的，所以其重要性不可忽略。本课程研究的对象和内容机械的特征机器、机构、构件和零件机械设计基础研究的对象和内容机械的特征.气缸体.活塞.进气阀.排气阀.连杆.曲轴.凸轮.顶杆.齿轮.齿轮如图所示是一单缸四冲程内燃机，活塞的往复移动通过连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。三个齿轮保证进、排气和活塞之间形成有一定节奏的运用动作。在日常生活和生产中，存在着大量的不同类型、用途不一的机器，如：电动机、起重机、机床、洗衣机、机械式钟表等。机械的特征•它们是一种人为的实物的组合；•它们各部分之间形成各个运动单元，且各单元之间具有确定的相对运动；•在生产过程中能完成有用的机械功（如：机床的切削加工）或转换机械能（如：内燃机、电动机）。通过对各种机器的分析研究，我们发现机器具有如下的共同的特征：机器、机构、构件和零件机构也是人为的实物组合，它是一些具有各自特点的、且具有确定的相对运动的基本组合的统称。因此，机器是由机构组成的。最简单的机器只包含一个机构，如电动机等。多数机器包含若干个机构，内燃机就包含曲柄滑动机构、凸轮机构和齿轮机构等三个机构。若略去机器在作功和转换机械能方面的作用，仅从结构和运动的观点来看，则机器和机构之间并无区别。因此，习惯上用“机械”一词作为机器和机构的总称。组成机构的各个相对运动部分称为构件。构件作为运动单元，它可以是单一的整体，也可以是由几个最基本的实物（通常称为零件）组成的刚性结构。构件与零件的区别是：构件是运动的单元零件是制造的单元机构有多种型式，其中常用机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇机构等。零件可分为通用零件和专用零件两类：通用零件它在各种机械中普遍采用的零件，如：螺钉、齿轮、轴承等专用零件它只出现在特殊机械中，如：汽轮机叶片、内燃机活塞等连杆机械设计基础研究的对象和内容机械设计基础（机械原理和机械设计）是研究机械的组成原理、运动学和动力学以及组成机械的零件（通用零件）设计等一般方法的学科。其主要内容是针对机械和机械零件在研究、分析、设计、改造、选用、正确使用以及维护等各有关方面存在的问题进行讨论和研究。就本课程而言，主要含盖机械原理和机械设计两部分内容，即：主要研究机械中的常用机构的组成、对机构进行运动学和动力学分析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等本课程的目的和特点重要的技术基础课本课程要求的先修课程本课程的目的和特点重要的技术基础课对于各专业的工程技术人员，他们在日常工作中，将会经常接触到各种通用和专用机械，这了能正确使用、维护和保养这些机械，工程技术人员应当对机械具备一定的基础知识，因此，机械设计基础是各工程专业学生的一门重要的技术基础课。机械设计基础将成为学习专业机械设备装置、从事机械制造工艺和管理、了解各种机械的工作原理、掌握机械的正确使用、进行机械的故障分析等必要的理论基础和基本知识。本课程要求的先修课程机械设计基础的先修课程主要是：画法几何和机械制图；工程材料及热处理；理论力学和材料力学（或工程力学）；机械制造基础和金工实习等。还应具备其他相关的专业知识，如：液压与气动、电工及电子学等知识。本课程的目的和特点本课程的目的是通过本课程的学习和课程设计教学环节的实践，使学生初步具备运用机械设计手册资料，设计机械传动装置和简单机械的能力。同时为正确使用、维护和保养机械设备提供必要的基础知识。本课程是一门实践性较强的课程，主要教学环节分为：讲课实验课课程设计本课程是一门设计课程。一般来说，影响设计的因素很多，这些因素可能是经济的、社会的、环境的或人为的等等。针对同一个设计要求，可能出现多个设计方案或产品。在对设计、产品进行评价时，判断优劣的依据也不唯一。另一方面，作为设计必然会遇到继承和创新这两方面问题，完全的继承和一味地创新在机械设计中都是不可取的，所以在设计中还必须正确处理好继承和创新这一对矛盾。机械设计的基本要求和一般过程机械设计一般可分为新机器的设计和为老机器性能改进的设计。新机器设计涉及到机械产品生命期全过程，而老机器的改造只是涉及到其中的一部分。机械设计应满足的基本要求机械设计的一般过程机械设计应满足的基本要求不论是新机器的设计还是老机器的改进，机械设计都应满足如下的基本要求：在满足预期功能的前题下，性能好、效率高、成本低；在预定的使用期限内，安全可靠、操作方便、维修简单等。机械设计的一般过程为了进行机械设计，有必要了解机器生命期全过程。一部机器从诞生到死亡大致可分为如下各个阶段：（）提出需求需求可能是对新机器的需求，也可能是对现有机器某个性能提出改进的需求。需求可能来源于单个用户，也可能来源于多个用户。（）市场调研市场调研主要分两方面，一是对产品需求的市场调研，二是对相关产品的现有状况进行调研，对相关的信息、数据、资料进行归纳整理后，提出市场调研及需求预测报告（）提出设计任务（编写设计任务书）在商品经济社会中，对具有市场前景的产品，首先应确定产品的市场定位，再以设计任务书的形式提出对机械产品的预期功能、有关的技术指标以及限制的条件等。（）总体方案设计根据设计任务书提出的机械的功能要求，参考相关的技术资料，进行调查研究，分析解剖现有产品，确定机械的工作原理，并拟定总体方案；（）初步设计根据拟定的总体方案，绘制机构运动简图和机械传动系统简图，进行运动分析、动力分析和强度分析，通过设计、计算、分析确定各机构、构件、零件、部件等的主要参数。（）详细设计根据初步设计的结果，确定机械各部分的结构和尺寸和绘制总装配图，再根据总装配图绘制部件装配图和零件图。最后编写各种技术文件和设计说明书。（）编制制造加工工艺主要确定从毛坯获取到零件制造完成全过程中采用的方式方法，以及实现的步骤。主要制订各项加工工艺，如：铸造工艺、焊接工艺、金属加工工艺等，以及进行工装、夹具等的设计。机械设计的一般过程（）零部件制造加工根据制订的加工工艺，选用各种加工设备，制造出满足设计要求的机械零件。近年来，加工设备水平有较大的进步，数据设备的大量使用，使原来加工困难、或无法加工的一些复杂零件可以较易制造加工出来，从而大大拓宽了设计范围。（）装配、安装调试根据设计要求，制订装配工艺；进行机械的安装、装配；再进行调试使其性能指标达到设计要求。（）产品定型及批量产生对批量生产的产品，一般采用样机、试验、定型、批量生产的开发模式。（）维护、维修在机械使用过程中，日常维护是必不可少的，如定时的加油、清理等。维护做得好坏对机器的寿命有很大的影响，所以机械产品出厂时应附有详细的使用说明，用户在机械使用前应仔细阅读使用说明书。机械的维修也是不可少的，所以要求机械维修方便，同时，根据维修信息改进设计，提高易损件的寿命，提高机器的整体寿命。（）报废、回收、再用每一部机器都有一个设计寿命，机器使用时还有一个使用寿命。机器的使用寿命可能大于设计寿命，也可能少于设计寿命。当机器不能再修、再用时就要报废。从环保的角度来说，对于报废的产品应尽可能的回收。对于可再用的零部件，应尽可能提供再用的机会。一般意义下的机械设计主要为：总体方案设计、初步设计和详细设计三个阶段。但在机械设计时，各步骤间不可能划分得清，往往需要交叉进行、多次反复、不断完善。另外，从机器生命期全过程来看，机械设计只是一部机器诞生过程中的一个环节，所以作为一个优秀的设计师，必须关注机器生命全过程中的各方面要求，只有这样才可能设计出好的机器。实物图片第一章平面机构及自由度运动副及其分类平面机构运动简图平面机构的自由度及其计算速度瞬心及其在机构速度分析上的应用运动副及其分类自由度运动副自由度构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目（或确定构件位置的独立参变量的数目）。约束：是对独立运动所加的限制。每加上一个约束，构件便失去一个自由度。一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动数。如图所示，在坐标系中，构件可随其上任一点沿轴、轴方向移动和绕点转动。即一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。运动副运动副：在机构中由两构件直接接触形成的一种可动联接。运动副对构件产生约束，约束的多少和特点取决于运动副型式。运动副分类：按照接触的特性，分为低副和高副。面接触的运动副称为低副；点接触或线接触的运动副称为高副；按照组成运动副两构件的相对运动是平面运动还是空间运动，可以把运动副分为平面运动副和空间运动副。低副（转动副、移动副）转动副：是使两个构件的相对移动受到约束，而只有一个独立相对转动自由度的运动副。也称为回转副或铰链。如铰链、轴与轴承等，如左图所示。移动副：是使构件的一个相对移动和相对转动受到约束，而只有一个方向独立相对移动自由度的运动副。也称为棱柱副。如汽缸与活塞、滑块与导轨等，如右图所示。高副（平面高副）平面高副：构件间沿公法线方向的移动受到约束，但可以沿接触点切线的方向独立移动，还可以同时绕点独立转动，是具有一个约束而相对自由度等于２的平面运动副。如齿轮副、凸轮副等，如图所示。空间副如左图所示的球面副和右图所示的螺旋副。这些运动副两构件之间的相对运动是空间运动，所以这些运动副称为空间运动副。平面机构运动简图机构运动简图及作用构件的分类绘制机构运动简图的步骤机构运动简图及作用•机构运动简图:用简单线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例表示各运动副的相对位置。这种能准确表达机构运动特性的简单图形称为机构运动简图。•机构示意图：仅以构件和运动副的符号表示机构而不按精确比例绘制的简图称为机构示意图。•机构运动简图可以对机构进行结构、运动和动力等的分析，是研究机构的重要工具。常用运动副运动简图符号的有转动副符号、移动副符号、平面高副：常用构件运动简图符号：构件的分类机构中的构件可分为三类：固定件（机架）研究机构运动时作为参考坐标系的构件；原动件是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，所以又称为输入件；从动件是机构中随着原动件运动而运动的其余活动构件。其中输出机构预期运动的从动件称为输出件。绘制机构运动简图的步骤•分析清楚所要绘制机械的结构和动作原理。•从原动件开始，按照运动传递的顺序，仔细分析各构件相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。•合理选择视图平面，通常选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面。•选取适当的长度比例尺，按一定的顺序进行绘图，并将比例尺标注图上。•绘制机构示意图的方法与上述类似，但不需要按比例绘制。颚式破碎机及其机构运动简图绘制活塞泵及其机构运动简图绘制平面机构的自由度及其计算平面机构的自由度机构具有确定运动的条件计算机构自由度时应注意的事项平面机构的自由度机构的自由度:机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目称为机构的自由度。一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。因此，平面机构中的每个活动构件，在未用运动副联结之前，都有三个自由度。每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副