机械设计基础（全套课件404P） ppt课件.pptx

机械设计基础机械设计基础第第1章章 绪绪 论论1.1 机械、机器、机构及其组成机械、机器、机构及其组成1.2 本课程研究的内客、性质和任务本课程研究的内客、性质和任务本章概要：本章概要：人类为了满足生产和生活的需要，设计和人类为了满足生产和生活的需要，设计和 制造了各种各样的机械设备，如机床、汽车、起重机、制造了各种各样的机械设备，如机床、汽车、起重机、 电动机、洗衣机、机器人和航天器等。在现代生产和电动机、洗衣机、机器人和航天器等。在现代生产和 日常生活中，机械已成为代替或减轻人类劳动、提高日常生活中，机械已成为代替或减轻人类劳动、提高 劳动生产率和产品质量的主要手段。机械的发展程度劳动生产率和产品质量的主要手段。机械的发展程度 是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。本章主要是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。本章主要 介绍机械、机器、机构和零件等基本概念，以及机械、介绍机械、机器、机构和零件等基本概念，以及机械、 机器和机构的组成，说明本课程的研究内容、性质与机器和机构的组成，说明本课程的研究内容、性质与 任务。任务。1.1 机械、机器、机构及其组成机械、机器、机构及其组成1.1.1 现代机械及其组成现代机械及其组成现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关新现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关新 技术的集成，是以计算机技术协调控制的，用于技术的集成，是以计算机技术协调控制的，用于 完成包括机械力、运动和能量流传递任务的，由完成包括机械力、运动和能量流传递任务的，由 光、机、电、液压等部件组成的装置与系统。光、机、电、液压等部件组成的装置与系统。现代机械主要由以下系统或部分组成：现代机械主要由以下系统或部分组成：（1）驱动系统）驱动系统（2）传动系统）传动系统（3）执行系统）执行系统（4）控制和信息处理系统）控制和信息处理系统1.1.21.1.2机器与机构机器与机构机器机器能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功 或实现能量、物料、信息的传递与变换的装置。它是根或实现能量、物料、信息的传递与变换的装置。它是根 据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。体。如如: : 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用 机器、起重机机器、起重机等。等。机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同， 但具有但具有相同的基本特征。相同的基本特征。典型机器的分析：典型机器的分析：1.内燃机内燃机内燃机内燃机56432187910组组 成成 ：汽缸体汽缸体 1 、 活活 塞塞 2 、 进气阀进气阀 3 、排气阀排气阀 4 、 连连 杆杆 5 、 曲曲 轴轴 6 、 凸凸 轮轮 7 、 顶顶 杆杆 8 、 齿轮齿轮9、10 工作原理：工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸；进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点在顶部点 火燃烧；火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴 输出连续的旋转运动进气进气压缩压缩爆炸爆炸排气排气内燃机的工作过程：内燃机的工作过程：内燃机各部分的作用：内燃机各部分的作用：活塞的往复运动通过连杆转变为曲活塞的往复运动通过连杆转变为曲 轴的连续转动，轴的连续转动，该组合体称为：该组合体称为：曲柄滑块机构曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：称为： 凸轮机构凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动 作，称为：作，称为：齿轮机构齿轮机构各部分各部分协调动作协调动作的结果：的结果： 化学能化学能机械能机械能机器的共有特征：机器的共有特征：人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有各部分有确定的相对运动确定的相对运动；代替或减轻人类劳代替或减轻人类劳动动完成有用完成有用功功或或实现能量实现能量 的的转换转换 机器的作用机器的分类：机器的分类： 动力机动力机器器实现能量转换（如内燃机、实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动蒸汽机、电动机机）种类有限工作机器工作机器完成有用功（如机床等）完成有用功（如机床等） 种类繁多信息机器信息机器完成信息的传递与变换（如复印机、传真机等完成信息的传递与变换（如复印机、传真机等机器的组成：机器的组成： 原动部分原动部分是工作机动力的来源，最是工作机动力的来源，最常见的是电动机常见的是电动机和内燃机。和内燃机。工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。 控控制部分制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。其关系如下原动机原动机传动传动工作工作控制控制从结构上来看，机器的传动部分和执行部分都是由各种从结构上来看，机器的传动部分和执行部分都是由各种 机构组成机构组成的的。一部机器可以包含一个或若干个机构。任意。一部机器可以包含一个或若干个机构。任意 复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。机机构构只能实现运动和力的传递与变换的装只能实现运动和力的传递与变换的装置置。如如： 连杆机构连杆机构、凸轮机构凸轮机构、 齿轮机构齿轮机构等。等。种类有限机构的共有特征：机构的共有特征：人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动； 机构的分类机构的分类：通用机通用机构构和和专用机专用机构构。通用机构通用机构-用途广泛，如用途广泛，如齿轮机构齿轮机构、连杆机构连杆机构等。等。专用机构专用机构-只能用于特定场合，如钟表的只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构擒纵机构。1.1.3 机构的组成机构的组成机械、机器、机构、构件、零件机械、机器、机构、构件、零件 机构机构是由一些相对独立运是由一些相对独立运动的单元体组成的，这些单动的单元体组成的，这些单 元体称为元体称为构件构件。从制造观点来看，机构由从制造观点来看，机构由 许多独立许多独立加工的单元体组成加工的单元体组成，这些单元体称为，这些单元体称为零件零件 。一个构件是由一个零件或一个构件是由一个零件或 由几个零由几个零件组成的刚性结构件组成的刚性结构机器与机构在结构和运动方面机器与机构在结构和运动方面 并无区并无区别（仅作用不同）别（仅作用不同） ，故统，故统称为称为机械机械。人造的组合体、有确定的相对运动零件构件机构机器1.2.1 本课程研究的内容本课程研究的内容作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。研究的内容主要有以下几个方面：研究的内容主要有以下几个方面：(1)(1)机械设计基础知识机械设计基础知识 (2) (2)常用机构及传动常用机构及传动设计设计 (3) (3)通用零件设计通用零件设计 (4) (4)有关机械总体有关机械总体设计中的一些问题设计中的一些问题 (5) (5)机械现代设计方法与机械现代设计方法与手段的概念和特点手段的概念和特点1.2 本课程研究的内客、性质和任务本课程研究的内客、性质和任务作用作用： 承前启后承前启后1.2.2 本课程的性质和任务本课程的性质和任务 课程性质：课程性质： 技术基础课技术基础课 本课程的主要任务是：本课程的主要任务是：通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床夹具通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基 础，础，通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养 同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能 力，力，为今后操作、维护、管理、革新装备创造条件。为今后操作、维护、管理、革新装备创造条件。数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为 你 们 未组组来 的装装工 作 打各各下 一种种个 良机机好 的 基构构础 。最 后 希 望 我 们 共 同 努 力 ， 把 这 门 课 程 教 好 学 好 。课程安排：课程安排：讲授讲授82学时学时本课程的特点：本课程的特点：是是工程制图、工程材料及机械制造基工程制图、工程材料及机械制造基 础、理论力学，材料力学、金工实础、理论力学，材料力学、金工实习习等理论知识和实等理论知识和实 践技能的综合运用。践技能的综合运用。要求：要求：1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业量未达到规定者不能参加考试。量未达到规定者不能参加考试。2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课 外时间。外时间。为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多第第2章章机械及机械零件设计基础知识机械及机械零件设计基础知识2.1 机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的基本要求和一般设计程序2.2 机械零件的主要失效形式和工作能力机械零件的主要失效形式和工作能力2.3 机械零件的设计准则和一般设计步骤机械零件的设计准则和一般设计步骤2.4 机械零件的材料及选择机械零件的材料及选择2.5 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑2.6 机械零件的结构工艺性及标准化机械零件的结构工艺性及标准化本章概要：机械设计是指规划和设计实现预期功能的本章概要：机械设计是指规划和设计实现预期功能的 新机械或改进原有机械的性能。本章扼要阐明机械设新机械或改进原有机械的性能。本章扼要阐明机械设 计中的共同性问题，如机械设计的基本要求和一般设计中的共同性问题，如机械设计的基本要求和一般设 计程序；机械零件的主要失效形式和设计准则；机械计程序；机械零件的主要失效形式和设计准则；机械 零件的材料等。介绍摩擦、磨损与润滑，零件的结构零件的材料等。介绍摩擦、磨损与润滑，零件的结构 工艺性及标准化等机械零件设计所需的基础知识。工艺性及标准化等机械零件设计所需的基础知识。2.1 机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的基本要求和一般设计程序2.1.1 机械设计的基本要求机械设计的基本要求机械设计应满足的基本要求：机械设计应满足的基本要求：功能要求功能要求可可靠靠 性与安全性要求性与安全性要求经济性要求经济性要求社会性要求社会性要求其它特其它特 殊要求殊要求 。在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、性能好、效率高、成本低成本低，在预定使用期限，在预定使用期限内内安全可靠，操作方便、安全可靠，操作方便、 维修简单维修简单和和造型美观造型美观等。等。2.2.2机械设计的一般设计程序机械设计的一般设计程序产品规划产品规划概念设概念设计计构形设计构形设计编制技术文件编制技术文件技术审定和产品鉴定技术审定和产品鉴定2.2 机械零件的主要失效形式和工作能力机械零件的主要失效形式和工作能力2.2.1机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 机械零件的失效：机械零件的失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为为失效。失效。零件的失效形式零件的失效形式:断裂断裂;过大的弹性变形或塑性变形过大的弹性变形或塑性变形; 工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）；工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）；发生强烈的振动；联接的松弛发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。失效并不简单地等同于零件的破坏。失效并不简单地等同于零件的破坏。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为计算量计算量许用量许用量-工作能力计算准则。工作能力计算准则。失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。 对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：强度条件：计算应力计算应力许用应力；许用应力；刚度条件刚度条件：变形量变形量N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循 环时试件将不会断裂。当当NNNN0 0 时时, , 试件将不会断裂。试件将不会断裂。N N0 0 -循环基数循环基数101NN m N C m当当NNNN0 0时时, , 有近似公式：有近似公式：N N0 0 对应的应力称为：对应的应力称为：疲劳极限疲劳极限用用-1表示材料在对称循环应力下的表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。弯曲疲劳极限。mNN 011N 对应于对应于N N 的弯曲疲劳极限：的弯曲疲劳极限：2 2、许用应力、许用应力 在变应力，应取材料在变应力，应取材料的的疲劳极疲劳极限限作作为为极限应极限应力力。同。同时还应考虑零件的时还应考虑零件的切口和沟槽切口和沟槽等截面突变、等截面突变、绝对尺寸绝对尺寸 和和表面状态表面状态等影晌，为此引人应力集中系数等影晌，为此引人应力集中系数k、尺寸、尺寸系数系数和表面状态系数和表面状态系数等。等。k S 1 1 当应力是当应力是对称循环对称循环变化时，许用应力为：变化时，许用应力为：k S0当应力当应力是是脉动循脉动循环环变化时，许用应力为变化时，许用应力为： 00 0 为材料的为材料的脉动循环疲劳极限，脉动循环疲劳极限，S S为安全系数。以上为安全系数。以上 各系数均可机械设计手册中查得。各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ，k SN1 1 mN0有限寿命时，用有限寿命时，用-1N-1N代入得：代入得：3 3、安全系数、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响S S 零件尺寸大，结构笨重。零件尺寸大，结构笨重。 S S 可能不可能不安全。安全。典型机械的典型机械的 S S 可通过查表求得。可通过查表求得。 无表可查时，按无表可查时，按 以下原则取：以下原则取：1 1）静应力下，塑性材料的零件：静应力下，塑性材料的零件：S S =1.2=1.2.5.5铸钢件：铸钢件：S S =1.=1.5.5）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S S =3=34 43 3）变应力下，变应力下，S S =1.3=1.31.7 1.7 材材料不均匀，或计算不准时取：料不均匀，或计算不准时取： S S =1.7=1.72.52.5初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹接触应力接触应力若两个零件在受载前是若两个零件在受载前是点点接触或接触或线线接触。受载后，接触。受载后， 由于变形其接触处为一由于变形其接触处为一小面积小面积，通常此面积甚小而表，通常此面积甚小而表 层产生的局部应力却很大，这种应力称为层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。接触应力。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象 称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积， 损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。油油裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。失效形式常表现为：失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀金属剥落出现小坑金属剥落出现小坑后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降 低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：11Fn1 2 Hb1 21 212E1E 21 21 2令 : 代入化简得:E1 E2E 2E1E21Fn EH2 (1 2 )b0.418Fn Eb对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比：1=2=0.3 ,则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式“+”用于外接触，用于外接触， “-”用于内接触。用于内接触。H H H H2b b11Fnb b2H HH HFn21HFnb1 2E1E 21 2111 2H1 Fn E2 (1 2 )bFn E b 0.418bFn EH 0.41812 1 2 2 E1 E 2E1 E 2E H H -最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力;b b -接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;-综合曲率半径综合曲率半径;12-综合弹性模综合弹性模量量; E 、 E 分别为两分别为两圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：HHHHS H lim ,而b bFn2.3 机械零件的设计准则和一般设计步骤机械零件的设计准则和一般设计步骤2.3.1零件的设计计算准则零件的设计计算准则强度准则强度准则其中 SSlim lim 刚度准则刚度准则耐磨性准则耐磨性准则y y; ; 抗振稳定性准则抗振稳定性准则0 .85 f f p或或耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则1.15f 2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金1.1.铸铁：铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本 低廉。低廉。 应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。铁次之。2.2.钢：钢：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢( (不锈钢、耐热钢、不锈钢、耐热钢、 耐酸钢等耐酸钢等) )、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。特点特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表2-12-1 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材料料种种 类类 规规 格格相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚铸铸 件件碳素结构钢碳素结构钢Q235 （ 3342）优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950） 合金结构钢（合金结构钢（ 2950） 滚滚动轴承钢（动轴承钢（ 2950） 合金合金工具钢（工具钢（ 2950） 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（ 2950）11.51.81.72.533205灰铸铁铸件灰铸铁铸件 碳素钢碳素钢铸件铸件 铜合金、铝合铜合金、铝合金铸件金铸件0.851.7810价格便宜且供应充分我国资源丰富3.3.铜合金铜合金种类种类青铜青铜 - -含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜黄铜黄铜 - -铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）特点特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具 有良好的减摩性和抗腐蚀性。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。 应用：应用：应用范围广应用范围广泛。泛。二、非金属材料二、非金属材料1.1. 橡胶橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。 常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。2.2. 塑料塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零塑料的比重小，易于制成形状复杂的零 件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、 绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年 来在机械制造中其应用日益广泛。来在机械制造中其应用日益广泛。 3.3.其它非金属材其它非金属材料：料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用选材因素：选材因素： 途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料零件材料 各种材料的化学各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手和机械设计手册中查得。册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料 的品种。的品种。表表2-22-2常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材料料力力 学学 性性 能能试件尺寸试件尺寸类类别别牌牌号号强度极限强度极限B B屈服极限屈服极限S S延伸率延伸率% %mmmm碳素碳素 结构钢结构钢Q 2 1 5 Q 2 3 5 Q275335-410375-460490-610215235275312620d 16优质碳素优质碳素 结构钢结构钢203545410530600245315355252016d 25合金合金 结构钢结构钢35 SiMn 40Cr20CrMnTi60Mn8839811079981735785834785159108d 25d 25d 15d 80铸铸 钢钢ZG270-500ZG310-5705005702703101815d100ZG42SiMn60038012灰铸铁灰铸铁HT150HT200 HT250145195240-壁厚壁厚1020球墨铸铁球墨铸铁QT400-15QT500-7 QT600-34005006002503203701573壁厚壁厚30200载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的工作情况零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量零件的结构及加工性零件的结构及加工性材料的经济性材料的经济性三、机械零件材料的选用原则三、机械零件材料的选用原则 适用于制作机械零件适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的 材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设 计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化 学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。选材的一般原则选材的一般原则1.1. 载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在 充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和脆性材脆性材料料-只适用于制造在静载荷下工作的零件；只适用于制造在静载荷下工作的零件； 塑性材料塑性材料-适用于在有冲击情况下工作的零件适用于在有冲击情况下工作的零件。改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜 力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可 得到机械性能不同的毛坯。得到机械性能不同的毛坯。2.2. 零件的工作情况零件的工作情况-指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐 蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在 温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方 面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面 硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、 氮化钢。氮化钢。3.3.零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 零件的尺寸及质量的大小与材零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制料的品种及毛坯制取方法有关。取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量 大小的限制；大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设 备的生产能力。备的生产能力。应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺 寸和质量。寸和质量。4. 4. 材料的经济性材料的经济性 材料的经济性主要表现在以下几方材料的经济性主要表现在以下几方面：面： 材料本身的相对价格材料本身的相对价格; ; 材料的加工费用材料的加工费用; ; 材料的利用率材料的利用率; ; 采用组合结构采用组合结构; ; 节约稀有材料。节约稀有材料。5. 5. 材料的供应状况材料的供应状况 选材时还应考虑到当时当地材料选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件， 应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行 标和机械设计手册中查得。标和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一 台机器所用材料的品种。台机器所用材料的品种。2.5 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑摩擦学摩擦学-研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损 和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边 缘学科。缘学科。 摩擦摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 磨损磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 润滑润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学 科构成了摩擦学(Tribology)减少摩减少摩擦擦节省能源；节省能源； 减少磨损减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零降低设备维修次数和费用，节省制造零 件及其所需材料的费用。件及其所需材料的费用。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。消耗于摩擦。 机械机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。报废和更换的。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成 为系统综合研究的领域。v1. 干摩擦干摩擦 固体表面直接接触，因而固体表面直接接触，因而功耗功耗 磨损磨损 温度温度烧毁轴瓦烧毁轴瓦 不用许出现干摩擦！不用许出现干摩擦！2. 边界摩擦边界摩擦 运动副表面有一层厚运动副表面有一层厚度度tt2 2V V2 2 V V1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。用以下比值表示急回程度且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。称称K为为行程速比系数行程速比系数。只要只要 0 ， 就有就有KK1所以可通过分析机构中是否存在 以及的大小来判断机构是否有急 回运动或运动的程度。 180 K 1K 1设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K值，于是值，于是:V 2 C 1C 2t 212 C C /(180 ) 1 80 180 t 2t1t1t 2C 1 C 2 C 1 C 2K V 2V 1F”CFBFAD设计时要求设计时要求: : minmin50 50 minmin出现的位置：出现的位置： 当当BCD90BCD90时，时，法向分力法向分力: : F F”= = FcosFcos F F 对传动有利对传动有利。4.3.3 压力角和传动角压力角和传动角 压力角：压力角：从动件驱动从动件驱动力力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。 切向分力切向分力: : F F= = FcosFcos =Fsin=Fsin称称为为传动角传动角。CDBAF可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏的大小来表示机构传动力性能的好坏, ,F”FBCD BCD 当当BCD90BCD90时，时，180180- - BCDBCD当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现minmin此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。为了保证机构良好的传力性能C1bcdDA aB1车门车门由余弦定律有：由余弦定律有：BB1 1C C1 1D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d-a)-(d-a)2 2/2bc/2bc机构的传动角一般在运动链机构的传动角一般在运动链v1 1若若BB1 1C C1 1D90D90, ,则则 1 1BB1 1C C1 1D DBB2 2C C2 2D Darccosbarccosb2 2+c+c2 2-(d+a)-(d+a)2 2/2bc /2bc 若若BB2 2C C2 2D90D90, , 则则 2 2180180-B-B2 2C C2 2D DminminBB1 1C C1 1D,D, 180180-B-B2 2C C2 2DDminmin2最终一个从动件上度量。最终一个从动件上度量。B2C 2 2F F此时机构不能运动此时机构不能运动. . 称此位置为：称此位置为： “死点死点” 避免措施：避免措施：4.3.4 机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，且连杆摇杆为主动件，且连杆 与曲柄两次共线时，有：与曲柄两次共线时，有：0 0两组机构错开排列，如两组机构错开排列，如火车轮机构火车轮机构; ; 靠靠飞轮的惯飞轮的惯性性（如内燃机、缝纫机等）。（如内燃机、缝纫机等）。FAEDGBCABEDFCGF0 0F0 0PB 2C工件工件13AD4BCD1A234工件工件P钻孔夹具钻孔夹具=0=0TCDAB飞机起落架飞机起落架ABCD=0=0 F也可以利用死点进行工作也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具起落架、钻夹具等。等。4.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题机构选机构选型型根据给定的运动要求选择机根据给定的运动要求选择机 构的类型；构的类型；尺度综尺度综合合确定各构件的尺度参确定各构件的尺度参数数(长度长度 尺寸尺寸)。同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）运动副结构合理等）; b)动力条件（动力条件（如如minmin）; c)运动连续性条件等。运动连续性条件等。飞机起落架飞机起落架ADCBBC三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。飞机起落架、函数机构。xy=logx函数机构函数机构要求两连架杆的转角要求两连架杆的转角 满足函数满足函数 y=logxABCD三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如如: 飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动 2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构铸造翻箱机构。要求连杆在两个位置要求连杆在两个位置 垂直地面且相差垂直地面且相差180ADCBBC搅拌机构搅拌机构要求连杆要求连杆上上E点的轨点的轨 迹为一条卵形曲线迹为一条卵形曲线鹤式起重机鹤式起重机要求连杆要求连杆上上E点的轨点的轨 迹为一条水平直线迹为一条水平直线QQABCECDDE三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架飞机起落架、函数机构。函数机构。2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。铸造翻箱机构。3)满足预定的轨迹要求，如满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机鹤式起重机、搅拌机等。、搅拌机等。AB给定的设计条件：给定的设计条件：1)几何条件几何条件（给定连架杆或连杆的位置）（给定连架杆或连杆的位置）2)运动条件运动条件（给定（给定K）3)动力条件动力条件（给定（给定minmin） 设计方法设计方法：图图解法、解析法、实验法解法、解析法、实验法E一、按给定的行程速比系数一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 已知已知：CD杆杆长，摆长，摆角角及及K，设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下：计算计算180(K-1)/(K+1);作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此圆上。选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1，连杆为，连杆为l2，则，则: :以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：l1 =EC1/ 2l2= A= A C1EC1/ 2,A,A C2= =l2- - l1= l1 =( A A C1A A C2)/ 2任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为;作作C2PC1C2，作，作C1P使使C2C1P=90, ,交于交于P;P;90-PA A C1= = l1+ +l2C1C2DAmn=D ， 取取 A A 点点 ， 使使 得得 AD=d,AD=d,则则 : :Ad任选任选D D作作 mDmDn n 作角分线作角分线; ;2) 导杆机构导杆机构已知：机架长已知：机架长度度d，K，设计此机构。，设计此机构。 分析：分析：由于由于与导杆摆角与导杆摆角相等，设计此相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);Aa=dsin(a=dsin(/2)/2)。=DE222ae3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H， 偏距偏距e e，设计此机构，设计此机构 。计算计算:180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);