《机械设计基础》教案——第一章 机械设计概论.docx

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1、授课题目：第一章机械设计概论授课方式（请打J）理论课J讨论课口实验课口习题课口其他课时安排2教学大纲要求：机械设计的基本要求内容和设计步骤设计计算准则等教学目的、要求:械设计的基本要求设计步骤教学重点及难点：械设计的基本要求设计步骤作业、讨论题、思考题：思考题：1、2习题：综合习题课后总结分析:机器、机构和机械的概念机械设计中设计机器、设计机械零件的一些基本要求机械设计的步骤机械零件的失效形式和设计计算准则机械零件设计的“三化”：标准化、系列化、通用化备注教学内容第一节概述一、机器、机构和机械1 .机器人们在日常生活以及工业、农业和国防等各项生产活动中，都会接触到各种各样的机器，如汽车、缝纫机

2、内燃机、机床、拖拉机、收割机等。所谓机器，就是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来代替或减轻人类的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。图1-1所示为一工业机器人，它由钱接臂机械手1、计算机控制器2、液压装置3和电力装置4组成、当机械手的大臂、小臂和手按指令由规律地运动时，首端夹持器便将物料搬运到预定的位置。在这部机器中，机械手是传递运动和执行任务的装置，是机器的主体部分，电力装置和液压装置提供动力，计算机实施控制。机器的种类由很多，它们的结构、性能及用途也各不相同。但是，总的来说，机器具有3个共同的特征：首先，都是人为的实物组合体；其次，各实物之间具有确定的相对运动：第三

3、能够完成有用的机械功或实现能量的转换。从机器的组成来看，机器是由各种机构组合而成的。图1-1工业机器人上钱接臂机械手2-计算机控制器3-液压装置4-电力装置2 .机构机构也是人为的实物组合，其各个部分之间具有确定的相对运动。因此，机构具有机器的前两个特征。机构也有很多类型，常用的有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构以及各种间歇运功机构等。从运动的角度来看，机构也是一种执行机械运动的装置。在机器中普遍使用的机构称为常用机构。图1-2所示为牛头刨床的外观图。滑枕3沿机身5上的水平导轨作往复直线运动，滑枕的前端装有刀架2,横梁7可沿床身的垂直导轨移动，6为工作台横向进给机构，通过丝杠8实现进给运动。滑枕

4、的往复运动和工作台1的进给运动是通过电动机4来驱动的。牛头刨床可视为由下列机构组合而成：摆动导杆机构与摆动滑块结构完成刀架往复直线切削运动；曲柄摇杆机构、双向棘轮机构和螺旋机构完成工作台的等量、间歇、直线进给运动；传动系统由带传动机构和齿轮机构组成。图1-2牛头刨床1-工作台2-刀架3-滑枕4-电动机5-机身6-工作台横向进给机构7-横梁8-丝杠3 .机械从机构和运动的观点来看，机器和机构二者几间没有区别，因此，习惯上用机械一词作为它们的总称。二、机械设计机械设计包括以下两种设计：应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机械的性能。设计质量

5、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，在讨论机械设计的基本要求之前，首先应初步了解设计机器、设计机械零件的一些基本要求。第二节机械设计的基本要求一、设计机器的基本要求机械产品设计应满足以下几方面的基本要求。L实现预定功能设计的机器能实现预定的功能，并在规定的工作条件下、规定的时间期限内正常运行。2 .满足可靠性要求机器由许多零件及部件组成，其可靠取决于零、部件的可靠度。机械系统的零、部件越多，其可靠性也就越低，因此在设计机器时应尽量减少零件数目。但就目前而言，对机械产品的可靠性难以提出统一的考核指标。3 .满足经济性要求经济性指标是一项综合性指标，要求设

6、计及制造成本低、机器生产效率高、能源和材料耗费少、维护及管理费用低等。4 .操作方便、工作安全操作系统要简便可靠，有利于减轻操作人员的劳动强度。要有各种保险装置以消除由于误操作而引起的危险，避免发生事故。5 .造型美观、减少污染运用工业艺术造型设计方法对机械产品进行工业造型设计，使所设计的机器不仅使用性能好、尺寸小、价格低廉，而且外形美观，富有时代特点。机械产品的造型直接影响到产品的销售和竞争力，当前在机械设计中是一个不容忽视的环节。尽可能地降低噪声，减轻对环境的污染。从某种意义上来说，噪声也是反映机械质量的一种综合指标。二、设计机械零件的基本要求零件工作可靠并且成本低廉是设计机械零件应满足的

7、基本要求。零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，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。设计机械零件还必须坚持以济观点，力求综合经济效益高。为此要注意以下几点：（1）合理选择材料，降低材料费用；（2）保证良好的工艺性,减少制造费用；（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。第三节机械设计的内容和步骤机械设计是一项复杂、细致和科学性很强的工作。随着科学技术的发展，对设计的理解在不断深化，设计方法也在此不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设计”、“模

8、块设计”、“计算机辅助设计”等现代设计方法已在机械设计中得到了推广与应用。即使如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要基础，必须很好地掌握。常规设计方法又可分为理论设计、经验设计和模型设计等。机械设计的过程通常可分为以下几个步骤：（1）产品规划产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求,这是机械设计产品设计首先需要解决的问题。通常是人们根据市场需求提出设计任务，通过可行性分析后才能进行产品规划。（2）方案设计在满足设计任务书具体要求的前提下，由设计人员构思出多种可行方案并进行分析比较，选出一种功能满足要求、工作性能可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。（3）技术设计在既定设计方

9、案基础上，完成机械设计产品的总体设计、部件设计、零件设计等，设计结果以工程图和计算书的形式表达出来。（4）制造及试验经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用，将试验过程中发现的问题反馈给设计人员，经过修改完善，最后通过鉴定。与设计机器时一样，设计机械零件也常需拟定出几种不同方案，经过认真比较选用其中最好的一种。设计机械零件的一般步骤如下：（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。（2）分析零件工作情况，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。（3）选择主要参数，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺要求等。（4）进行结构设计。（

10、5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。对于不同的零件和工作条件，以上这些设计步骤可以有所不同。此外，在设计过程中，这些步骤又是相互交错、反复进行的。第四节机械零件的失效形式及设计计算准则机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能，称为机械零件的失效。由于强度不够引起的破坏是最常见的失效形式，但并不是零件失效的唯一形式。机械设计时必须根据零件的失效形式分析失效原因，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设计计算准则。一、失效形式机械零件最常见的失效形式大致有以下几种：1 .断裂机械零件的断裂通常有以下两种情况：（I）零件在外载荷的作用下，某一危险截面上的

11、应力超过零件的强度极限时将发生断裂（如螺栓的折断）；（2）零件在循环变应力的作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度而发生的疲劳断裂。2 .过量变形当零件上的应力超过材料的屈服极限时，零件将发生塑性变形。当零件的弹性变形量过大时也会使机器不正常工作，如机床主轴的过量弹性变性会降低机床的加工精度。3 .表面失效表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。表面失效后通常会增加零件的摩擦，使零件尺寸发生变化，最终造成零件的报废。4 .破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，否则就会引起失效，如带传动因过载发生打滑而不能正常工作。二、设计计算准则同一零件对于不同失效

12、形式承载能力也各不相同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件,称为设计计算准则，主要包括以下几种。1 .强度准则强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效（磨料磨损、腐蚀除外）的能力。强度可分为整体强度和表面强度（接触与挤压强度）两种。整体强度的判定准则为：零件在危险截面处的最大应力（,r）不应超过允许的限度（称为许用应力，用或旬表示），即”同或r=r另一种表达形式为：危险截面处的实际安全系数S应大于或等于许用安全系数国,即Ss表面接触强度的判定准则为：在反复的接触应力作用下，零件在接触处的接触应力Oh应小于或等于许用挤压应力值（%，即H对于受挤压的表面，挤压应力不能过大，否

13、则会发生表面塑性变形、表面压溃等。挤压强度的判定准则为：挤压应力bp应小于或等于许用应力bp,即bpWbp2 .刚度准则刚度是指零件受载后抵抗弹性变性的能力，其设计计算准则为：零件在载荷作用下产生的弹性变性量应小于或等于机器工作性能允许的极限值。各种变形量计算公式可参考材料力学课程，本书不再赘述。3 .耐磨性准则设计时应使零件的磨损量在预定期限内不超过允许量。由于磨损机理比较复杂，通常采用条件性的计算准则，即零件的压强,不大于零件的许用压强尸：4 .散热性准则零件工作时如果温度过高将导致润滑剂失去作用，材料的强度极限下降，引起热变形及附加热应力等，从而使零件不能正常工作。散热性准则为：根据热平

14、衡条件，工作温度看不应超过许用工作温度，即yq5 .可靠性准则可靠性度表示，对那些大量生产而又无法逐件试验或检测的产品，更应计算其可靠度。零件的可靠度用零件在规定的使用条件下、在规定的时间内能正常工作的概率来表示，即用在规定的寿命时间内能连续工作的件数占总件数的百分比表示。如有NT个零件，在预期寿命内只有NS个零件能连续正常工作，则其系统的可靠度为R=Nz第五节机械零件设计的“三化”有不少通用零件，例如螺纹联接件、滚动轴承件，由于应用范围广、用量大，已经标准化而成为标准件。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。此外，有很多零件虽使用范围极为广泛，但在具体设计时随

15、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系列化数列，如齿轮的模数等。按规定标准生产的零件称为标准件。标准化给机械制造带来的好处是：（1）由专门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规格；（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。设计中选用标准件时，由于要受到标准的限制而使用不够灵活，若选用系列化产品则从一定程度上解决了这一问题。例如，对于同一类型、同一内径的滚动轴承，按照滚动体直径的不同使其形成各种外径、

16、宽度的滚动轴系列，从而使轴承的选用更为方便、灵活。通用化是指在不同规格的同类产品或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零件、部件，以减少零、部件的种类，简化生产管理过程，降低成本和缩短生产周期。我国现行标准分为国家标准（G3）、行业标准和专业标准等，国际上则推行国际标准化组织（/S。）的标准，我国也正在逐步向（/S。）标准靠近。第六节课程性质和学习任务一、课程性质和研究对象1、课程性质机械设计基础课程是机械类、机电类以及近机类专业一门必修的技术基础课程，在教学计划中起着承前启后的桥梁作用，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。本课程的作用在于培养学生掌握机械设计的基本知识、基本理论和基本方法

17、使学生具备一般机械设备的维护、改进和设计能力。2、研究对象本课程作为机械设计的基础，是一门综合性较强的课程。一方面涉及许多生产实际知识，另一方面又综合运用了许多课程所提供的基础知识。因此，本课程主要介绍机械中常用的基本工作原理、运动特性，通用机械零件的设计和计算方法以及有关标准和规范O本课程研究的内容大体可分为一下几部分：（1）机构运动简图、自由度计算及实际应用；（2）平面连杆机构、凸轮机构的组成原理及实际应用；（3）联接零件（如螺纹联接、键销联接等）的标准选择及实际应用;（4）传动零件（如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动）的工作能力的分析及实际应用;(5)轴系零件(如轴、轴承、联轴器和离

18、合器)的简单计算、参数选择及实际应用；(6)其它零件(如弹簧)的选择及实际应用。二、学习任务和学习方法本课程的特点是具有较强的理论性、综合性和实践性。因此，在学习方法上必须有所转变，应注意以下几点。(1)图形较多。因为涉及到工程中的许多问题，需要用图形来分析、计算物体的机械运动，或者表示机械的原理、结构，所以本课程的图形较多。在学习的时候，要注意结合图形归纳和总结概念，加深对公式的理解和对符号的记忆。(2)系统性不强。不同部分的研究对象所涉及的理论基础不同，且相互之间的联系不大。但是，最终的目的只有一个，即分析和设计机构和机器。因此，要熟悉和掌握机构运动简图的绘制方法，习惯于用它来认识机器和机构；熟悉和掌握各种典型机构的运动特点、分析方法和设计方法。(3)结果多样性。由于工程实际中的问题非常复杂，很难用纯理论的方法来解决，因此常采用一些经验公式、数据以及简化计算的方法，这导致了设计计算结果的多样性，没有