机械设计基础1-绪论.ppt

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1、绪绪论论一、课程的内容、性质和任务一、课程的内容、性质和任务1.1.课程内容课程内容2.2.课程性质课程性质 3.3.课程任务课程任务 具体研究内容具体研究内容研究机械中常用机构和通用机械零部件（各种机常用机构和通用机械零部件（各种机械中普遍使用的零部件）的工作原理、结构特点、基本设计理论械中普遍使用的零部件）的工作原理、结构特点、基本设计理论和设计方法和设计方法。机器机器若干个机构组合而成的具有确定运动的运动装置，能实现能量的转化或传递能量、物料或信息，实现预期的工作。如内燃内燃机机、电动机、起重汽车、金属切削机床电动机、起重汽车、金属切削机床、电话机和计算机等。机构机构是机器的组成部分，是

2、由两个或两个以上的构件通过可动联接构成的运动确定的系统，用来传递运动和力。构件构件是由若干零件刚性联接而成，是机器运动的最小单元。零零件件是机器加工制造的最小单元。机器的组成机器的组成 由原动机、工作机、传动系统等组成。原动机、工作机、传动系统等组成。1.1.课程内容课程内容曲柄滑块机构曲柄滑块机构，将活塞往复，将活塞往复移动转化为曲柄的连续转动；移动转化为曲柄的连续转动；齿轮机构齿轮机构，改变转速大小和，改变转速大小和转向；转向；凸轮机构凸轮机构，将凸轮的，将凸轮的连续转动转变为推杆往复移动。连续转动转变为推杆往复移动。机器实例：机器实例：内燃机内燃机 1 1、功能：内燃机、功能：内燃机是将

3、燃气燃烧时的热能是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的转化为机械能的机器机器。2 2、组成包含三种机构：、组成包含三种机构：一、机械、机器和机构一、机械、机器和机构气缸体气缸体1 1活塞活塞2 2进气阀进气阀3 3排气阀排气阀4 4连杆连杆5 5曲轴曲轴6 6凸轮凸轮7 7顶杆顶杆8 8齿轮齿轮9 92 2、研究对象、研究对象 活塞下行，进气阀打开，活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动下行，经连杆带动曲轴输出转动 活塞上行，排气阀打开，排出废

4、气活塞上行，排气阀打开，排出废气3 3、工作过程：、工作过程：4 4、运动分析：、运动分析：原动件：活塞原动件：活塞由燃气推动（驱动力所作用的构件）由燃气推动（驱动力所作用的构件）主运动：将活塞的往复直线运动主运动：将活塞的往复直线运动曲轴的回转运动曲轴的回转运动辅助运动：配气辅助运动：配气 启闭进排气阀启闭进排气阀 机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如 车车床床实现确定的机械运动，又作有用的机械功实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机内燃机转换

5、能量转换能量 机械手机械手传递物料传递物料 照相机照相机传递信息传递信息 机构：仅能传递或转换运动。如机构：仅能传递或转换运动。如 齿轮机构齿轮机构传递运动传递运动 凸轮机构凸轮机构转换运动转换运动 机械：是机器和机构的总称。机械：是机器和机构的总称。总结：总结：二、机械的特征二、机械的特征1 1）人为的实物组合）人为的实物组合由人工组合的构件系统由人工组合的构件系统2 2）各实物间具有确定的相对运动）各实物间具有确定的相对运动3 3）实现能量转换或完成有效的机械功）实现能量转换或完成有效的机械功如如内燃机：热能内燃机：热能机械能机械能发电机：机械能发电机：机械能电能电能电动机：电能电动机：电

6、能机械能机械能1 1、机器的特征、机器的特征活塞活塞缸体：往复运动缸体：往复运动曲轴曲轴缸体：转动缸体：转动连杆连杆曲轴：摆动曲轴：摆动如如具有以上三个特征具有以上三个特征机器机器凸轮机构（配气机构）：把回转运动凸轮机构（配气机构）：把回转运动直线运动直线运动曲柄滑块机构：将活塞的直线运动曲柄滑块机构：将活塞的直线运动曲柄的回转曲柄的回转运动运动如如机器是由一种或多种机构组成的。机器是由一种或多种机构组成的。只具有机器的前两个特征只具有机器的前两个特征机构机构2 2、机构的特征、机构的特征3 3、机器和机构的关系、机器和机构的关系三、构件和零件三、构件和零件1.1.机器由机构组成机器由机构组成

7、:3.3.构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成。元体，由一个或几个零件组成。单一零件曲轴单一零件曲轴多个零件多个零件刚性组合刚性组合连杆连杆2.2.机构是人工组合的构件系统，必须满足两点机构是人工组合的构件系统，必须满足两点:若干构若干构件的组合；这些构件具有确定的相对运动。件的组合；这些构件具有确定的相对运动。4.4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片

8、轴、叶片通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等轴、螺栓等5.5.部件：若干个零件的装配体部件：若干个零件的装配体常用机构设计常用机构设计连杆机构连杆机构、凸轮机构凸轮机构、间歇运动机构（棘轮机构棘轮机构、槽轮机构槽轮机构、不完全不完全齿轮机构齿轮机构）等。常用通用零部件设计常用通用零部件设计传动零件传动零件：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动、螺旋传动、摩擦传动等。联接零件联接零件:螺纹联接、键联接、销联接等。轴系零件轴系零件：轴、轴承（滑动轴承、滚动轴承）、联轴器等。机械系统的调速与回转件的平衡机械系统的调速与回转件的平衡机械系统设

9、计机械系统设计（运动方案设计及结构设计）（运动方案设计及结构设计）现代设计法方法简介现代设计法方法简介具体内容具体内容机构：机构：人为实物的组合体，人为实物的组合体，具有确定的机械运动，具有确定的机械运动，可以用来传递和转换运动。可以用来传递和转换运动。机器机器：人为实物的组合体，人为实物的组合体，具有确定的机械运动，具有确定的机械运动，可以用来转换能量、可以用来转换能量、完成有用功完成有用功 或处理信息，或处理信息，以代替或减轻人的劳动。以代替或减轻人的劳动。机器是由机构组成的。机器是由机构组成的。简单的机器，可能只含有一个机构简单的机器，可能只含有一个机构,但一般都含有但一般都含有多个机构

10、。多个机构。机械机械:机器和机构的总称机器和机构的总称。机器机器 机构机构机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。的功能。我们已经多次使用了我们已经多次使用了“构件构件”这个术语。这个术语。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。构件是组成机构的有确定运动的单元。构件构件是运动的单元，而零件是制造的单元构件是运动的单元，而零件是制造的单元。构件零件各种机械中广泛使用的零件称为各种机械中广泛使用的零件称为通用零件通用零件。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。只在某一类机械中使用的零件称为只在某一类机械

11、中使用的零件称为专用零件专用零件。如内燃机中的活塞、曲轴等。如内燃机中的活塞、曲轴等。通用零件中主要包括三大类零件：通用零件中主要包括三大类零件：传动零件传动零件（齿轮、带、链等）（齿轮、带、链等）联接零件联接零件（螺栓、键等）（螺栓、键等）轴系零件轴系零件（轴、轴承等）（轴、轴承等）此外此外:弹簧弹簧等零件。等零件。通用零件与专用零件返回返回传动零件传动零件齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动带传动带传动传动零件传动零件 圆柱平摩擦轮传动圆柱平摩擦轮传动（a a）滑动螺旋）滑动螺旋;(;(b）滚动螺旋）滚动螺旋;（c）静压螺旋）静压螺旋链传动链传动螺旋传动螺旋传动(a)(b)(c)联接零件联接零

12、件螺纹联接螺纹联接键联接键联接销联接销联接轴轴滑动轴承滑动轴承滚动轴承滚动轴承联轴器联轴器轴系零件轴系零件机器图机器图数数控控立立式式升升降降台台铣铣床床电电机机起起重重机机连连杆杆曲曲柄柄内燃机实物图内燃机实物图1-气缸体；气缸体；2-2-活塞；活塞；3-3-连杆；连杆；4-4-曲轴；曲轴；5 5、6-6-齿轮；齿轮；7-7-凸轮；凸轮；8-8-进气阀顶杆进气阀顶杆12341234曲柄滑块机构曲柄滑块机构156 156 齿轮机构齿轮机构178 178 凸轮机构凸轮机构机械的发展历程概述机械的发展历程概述机械的发展历程机械的发展历程机械设计及理论的发展历程机械设计及理论的发展历程古古代代近近代

13、代现现代代简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。公元前公元前3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。滚木来搬运巨石。阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。旋式输送机的始祖。公元前公元前770年，中国开始使用失蜡铸造方法铸造青年，中国开始使用失蜡铸造方法铸造青铜器。铜器。远古时代公元一世纪 东汉“水排水排”用水力鼓风炼铁，其中应用用水力鼓风炼铁，其中应用了齿轮和连杆机构了齿轮和连杆机构古代中国 晋 代 “连连磨磨”用一头牛驱动八台磨

14、盘，用一头牛驱动八台磨盘，其中应用了齿轮系。其中应用了齿轮系。中世纪 欧洲用脚踏板驱动的用脚踏板驱动的加工木棒的车床加工木棒的车床中世纪 欧洲利用曲轴的研磨机利用曲轴的研磨机13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。近代：18世纪中叶20世纪中叶动力的变革动力的变革材料的变革材料的变革加工手段的变革加工手段的变革生产模式的变革生产模式的变革机构与传动的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立机械理论和设计方法的建立近代动力的变革动力的变革1765年，瓦特（年，瓦特（Watt）发明了蒸汽

15、机。）发明了蒸汽机。揭开了第一次工业革命的序幕。揭开了第一次工业革命的序幕。蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械动的产业机械纺织机、车床等，如雨后春笋般纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。出现。古代机械的动力：人力、畜力和水力。古代机械的动力：人力、畜力和水力。动力制约了机械的发展。动力制约了机械的发展。首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。应用。蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱动的方式。蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机皮带天轴皮带生产机械2皮带生产机械

16、1皮带生产机械319世纪，第二次工业革命世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明电动机和内燃机发明为汽车、飞机的为汽车、飞机的出现提供了可能性。出现提供了可能性。电力代替了蒸汽。电力代替了蒸汽。集中驱动被抛弃了，集中驱动被抛弃了，每台机器都安装了独每台机器都安装了独立的电动机。立的电动机。与此同时，戴姆勒也发明与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。出了他的第一辆四轮汽车。1886年，本茨发明的汽油发动机年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。为动力的三轮车被授予专利。莱莱特特兄兄弟弟190319世纪中叶，发明了世纪中叶，发明了炼钢法炼钢法，从那时一直到现在，从那时一直到现在，钢

17、铁始终是制造机械最主要的材料。钢铁始终是制造机械最主要的材料。18世纪末，现代世纪末，现代车床车床的雏形在英国问世的雏形在英国问世;19世纪中叶世纪中叶,通用机床通用机床的各种类型已大体齐备；的各种类型已大体齐备；19世纪末，世纪末，自动机床、大型机床自动机床、大型机床出现。出现。近代材料的变革材料的变革近代加工手段的变革加工手段的变革近代生产模式的变化生产模式的变化社会需求日益增长。社会需求日益增长。20世纪初叶，机械制造进入了世纪初叶，机械制造进入了大大批量生产模式批量生产模式的时代。标志：美国福特汽车的生产的时代。标志：美国福特汽车的生产进行大批量生产的要求。进行大批量生产的要求。近代机

18、构与传动的变革机构与传动的变革提高生产率的需要。提高生产率的需要。基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。高速化高速化自动化自动化精密化精密化提高产品质量的需要。提高产品质量的需要。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。近近代代机机械械的的发发展展趋趋向向要求不断完善已有的机构，要求不断完善已有的机构，并发明出新的机构并发明出新的机构例如：例如：18世纪，欧拉（世纪，欧拉（Euler）首次提出采用渐开线作为

19、齿轮的齿廓，首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，从而使高速、大功率的机械传动成为可能。从而使高速、大功率的机械传动成为可能。20世纪世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，各种大传动比、结构紧凑的新型传动，高速的步进机构，高速的步进机构，精密的滚动螺旋传动，精密的滚动螺旋传动，机构的创新一直到今天也没有停止。机构的创新一直到今天也没有停止。机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。近代机械理论和设计方法的建立机械理论和设计方法的建立材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力

20、学动力学动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机器要运动、要传递机器要运动、要传递力，因此，最先发展力，因此，最先发展起来的是：起来的是：材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力学动力学动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机机器器动动力力学学随着机器运转速随着机器运转速度的不断提高，度的不断提高，机器的振动、速机器的振动、速度波动等问题引度波动等问题引起了人们的重视，起了人们的重视，机械动力学发展机械动力学发展起来。起来。材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力学动力学

21、动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机机器器动动力力学学机机械械零零件件设设计计到到20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。但是，这些方法都基于图解和手工计算。但是，这些方法都基于图解和手工计算。现代：20世纪中叶计算机的发明计算机的发明科学技术发展史上划时代的大事。科学技术发展史上划时代的大事。现代机器的出现现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新计算机使机械设计方法面目一新现代：机器人的出现机器人的出现随着随着计算机计算机和和伺服电机伺服电机的出现，的出现，机器人机器人作为作为现代机器的代表走上

22、了历史舞台。现代机器的代表走上了历史舞台。工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人工业机器人工业机器人：在工业生产中越来越广泛地应：在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。作。清洗飞机的机器人隧道凿岩的机器人第一汽车制造厂的汽车装配生产线几几 种种工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人：在潜水、管道修理、外科手：在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承担着许多由人的直接操作无法完成用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。的工作。水下扫雷机器人爬壁机器人几种几

23、种特种机器人特种机器人军用昆虫机器人爬缆索机器人数控车床数控加工中心计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，从这个意义上讲，正如有的学者所说：从这个意义上讲，正如有的学者所说：“今后的机器都将是机器人”。现代：机械理论和设计方法面目一新机械理论和设计方法面目一新20世纪最后世纪最后30年，计算机应用的普及极大地推动了年，计算机应用的普及极大地推动了机械分析与设计方法的革新。机械

24、分析与设计方法的革新。计算机计算代替了手工计算法和图解方法。计算机计算代替了手工计算法和图解方法。计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计等现代设计方法迅速发展。等现代设计方法迅速发展。计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为机械分析与设计的前所未有的强大手段。机械分析与设计的前所未有的强大手段。整个机械设计的理论和方法焕然一新。整个机械设计的理论和方法焕然一新。现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。2.课程性质课程性质综合性、应用性很强的培养学生设

25、计能力的专业技术基础课。课前应具有必要的基础理论和金属加工工艺知识。3.课程任务课程任务 （1 1）获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。（2 2）运用有关设计手册、图册、标准、规范等有关设计）运用有关设计手册、图册、标准、规范等有关设计 资料的能力。资料的能力。（3 3）掌握常用机构和通用零、部件的设计理论和方法。掌握常用机构和通用零、部件的设计理论和方法。（4）通过课程设计的训练，了解机器设计原则和主要内容）通过课程设计的训练，了解机器设计原则和主要内容,用所学的有关知识设计机械传动装置和简单机械的能力。用所学的有关知识设计机械传动装置和简单机械的能力。