Ch01机械设计总论

机械设计(零件)学时：64（理论学时：58，实验学时：6）学分：4面向专业：农业机械化及其自动化机械设计制造及其自动化先修课程：工程力学、机械原理、机械制图、工程材料等课程性质：必修主讲：李显昌E-mail：[e-mail]:13562594623/15154505580一、参考书目[1]吴宗泽、高志主编.《机械设计》（第2版），北京：高等教育出版社2009年1月。[2]黄靖远等.《机械设计学》，北京：机械工业出版社，2006。[3]潘凤章.《机械设计（考研与学习辅导丛书）》，北京：机械工业出版社，2004。二、网络资源[1]机械设计精品课.河北省精品课程.[2]机械设计精品课程.九江学院.[3]机械设计.华北水利水电学院精品课程▲，新的期待……有所成就……增长知识发展能力建立自信……请相信教育的力量！教学思路：核心知识原理技术技巧技能展望个人取舍实践理论知识-技能图+期末闭卷60%。考核方式、方法：考勤+课堂表现10%+课后作业及设计20%+实验10%第一章机械设计总论本章内容：机械零件的标准化、系列化和通用化机械零件的常用材料和选择原则机械零件的失效形式和计算准则机械设计课程简介机械设计概述本章重点：6）了解机械零件常用材料及选用原则。基本要求：1）了解零件的概念、种类；2）了解机械设计的方法和基本程序，机械设计应满足的基本要求；3）了解本课程的研究对象、内容、课程的性质、任务、特点及学习方法；4）掌握与机械零件失效形式对应的设计准则；5）了解机械零件的标准化、系列化、通用化；机械设计概述什么是设计？你做过设计吗？你现在能设计吗？钢质缸套铸铁缸套活塞我也能设计！什么是机械设计？机械设计有什么作用？机械设计的方法和程序如何？机械设计（machinedesign），根据用户的使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量（功率）的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的“灵魂”。柴油发动机薄壁缸套整机设计零件设计●机械设计总体过程：设计任务调查研究开发计划书试验研究技术设计正式投产样机试制、实验技术经济评价生产设计小批试制销售服务调查决策阶段研究设计阶段试制阶段投产销售阶段●机械设计基本程序：明确设计任务方案设计技术设计试制、评价、定型、投产◆计算说明书（对关键零部件进行必要的计算）技术设计阶段的输出：◆总体规划（机器总体布置方案，产生总装配图）◆零、部件设计（主要部件装配图和非标准零件工作图）●机械零件设计的一般步骤：选择零件类型、结构计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计校核计算画出零件工作图写出计算说明书润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构/工作机构控制系统●机器的组成任何机械设备都是由许多机械零部件组成的，也都是以各个零件为基本单元加工制造的。机械零件——机械制造过程中不可分拆的最小单元。机器是由机械零件组成的整体，各个零件之间有紧密联系。学习时应有整体的设计观念。机械零件机械零件通用零件——机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器。机械部件机器传动件联接件支承件其它—齿轮、蜗杆、带、链—螺栓、键、花键—轴、轴承—联轴器、弹簧、机架专用零件各种机器中常用的。(本课程主要学习对象）只在某些特定的机器中才用到。（在有关专业课中学习）—水轮机叶片、活塞、曲轴注：本课程中，机械零件泛指零件和部件。●机械设计的方法★内插式设计在现有的两个具有大小不等设计参数的设计方案之间所作的设计。这是最常用的设计方法。★外推式设计全部或部分设计参数超出现有设计范围时所作的设计。此种设计必须对外推部分的设计进行必要的技术研究、理论探索和科学实验。★开发性设计为了开发具有新功能的新机器，应用新原理、新技术所作的设计。●机械设计的基本要求★功能要求机械产品必须具有设计任务书中规定的功能。工作原理正确，原动机选用适当，执行机构、传动装置设计、制造和选用合理。★可靠性要求机械产品在预期的使用期限内，能够安全可靠地工作。设计时需要进行强度、刚度、寿命等方面的计算。★经济性要求机械产品的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中。设计制造低成本，使用生产效率高，能源、材料消耗少以及管理、维护费用低。★社会性要求机械产品不应对人、环境和社会造成不良影响。★其他专用要求不同类型的机器，有一些特殊要求。机床长期保持精度的要求；流动使用的机械便于安装和拆卸；大型机械便于运输；飞行器质量小，运载能力高。●机械设计对设计者的基本素质要求★应掌握并会应用的基础知识：★创新意识和能力★工作作风★团结协作精神和集思广益能力机构的运动、动力分析；机构、零件的选型与设计；图样的绘制；机械的加工制造工艺；工程材料的选择与热处理所有的设计都有有待改进的地方！培养和锻炼自己认真细致、一丝不苟的工作作风。Twoheadsarebetterthanone！●机械设计课程的性质：本课程是一门技术基础课，研究机械零件和机械系统的设计问题，培养学生机械设计能力，为机械设计专业课程的进一步学习和综合运用打下基础。机械设计课程简介●机械设计课的主要任务：1）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单机械的能力。2）树立正确的设计思想和创新意识，具有一定的机械设计创新能力。3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅相关技术资料的能力。4）掌握典型零件的实验方法，训练基本实验技能。●机械设计课的主要内容：机械设计常用的一些基础理论和通用机械零件的基本设计方法。本课程介绍通用零件的传统的基本设计方法，是从事机械设计工作的基础，也是进一步学习各种新设计方法的基础。◆基础理论部分：螺纹联接、键联接、销联接、形面联接、过盈联接以及铆、焊、粘接等。螺纹传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动以及链传动。轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器等。机械设计总论、机械零件的疲劳强度计算和摩擦学的基础知识等。◆联接部分：◆传动部分：◆轴系部分：◆弹簧●本课程的特点和学习方法要注意发展求异思维本课程的特点涉及面广公式多——除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调公式的推导与记忆。图表多、参数多——学会查找和选用。联系多——尽量联系制造、装配、维修等的工艺性进行设计，避免制造、装配和维修困难，减少受力和变形。应用性强多接触一些工程实际，积极运用所学知识解决工程问题，注意多总结规律，研究分析方法。注重设计原则，而不要强调答案统一。机械设计比任何其他专业课程学习，综合和运用了更多的工具和专业知识，也是其他专业课程和设计课程的基础。学习机械设计是大学生开始机械工程实践的最有效的方法。◆设计决非只是计算。应重视零件的材料选择、类型选择、参数选择以及结构设计、工艺性等内容。◆着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。性能要求与经济性的协调。两害相权取其轻；两利相权取其重。补充内容工艺性零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件便于加工且费用低。工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理毛坯选择与生产批量、材料性能和可加工性有关。制备方法单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。应用于大批量生产。用型材焊接锻造铸造冲压工艺（technology）：使各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程（process）。2)结构简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；▲尽量减少加工面数和加工面积；▲尽量采用标准件。▲尽量使用相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。0.0120.0250.050.10.20.40.81.63.26.312.52550100用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精粗刨削钻孔铰孔精粗镗孔精粗车精粗磨精粗研磨滚、铣精粗一般情况下Ra愈小，零件的加工成本愈高。4)尽量减小零件的加工量▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使用少或无切削加工，节约材料、降低成本。▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。金属材料的工艺性能粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预备热处理零件切削加工最终热处理金属零件的加工工艺路线预备热处理退火正火将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却到某一温度的热处理工艺。根据钢的成分、退火的工艺与目的不同，常将退火分为完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火。将钢加热到相变点（Ac3、Accm）以上完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到以较细珠光体为主的组织的热处理工艺。正火实质上是退火的一个特例。但正火过冷度较大，正火后的强度、硬度、韧性都比退火后的高，且塑性也并不降低。补充内容退火或正火的主要目的1）调整钢件硬度，以利于随后的切削加工。2）消除残余应力，以稳定钢件尺寸，并防止其变形和开裂。3）使化学成分均匀，细化晶粒，改善组织，提高钢的力学和工艺性能。4）为最终热处理（淬火，回火）作好组织上的准备。建议：回顾金属材料学热处理部分或参见九江职业技术学院《机械制造基础》网页版块淬火最终热处理回火将钢加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保温一定时间使奥氏体化后，以适当方式进行快速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。它是强化钢材最重要的热处理方法。淬火马氏体在不同回火温度下可获得不同组织，从而使钢具有不同的力学性能，以满足各类工具或零件的使用要求。所以，淬火后一般必须进行回火。淬火为回火作好组织准备，而回火则决定了工件热处理后的最终组织与性能。指淬火钢重新加热到A1以下某一温度，适当保温后冷却的一种热处理工艺。高分子材料的工艺性能高分子材料的加工工艺路线有机物原料或型材成形加工切削加工零件热处理、焊接等热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等陶瓷材料的工艺性能粉末成形加工配料压制烧结磨削加工零件热处理陶瓷材料的加工工艺路线机械零件的失效形式和计算准则1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。一、几个名词：2）工作能力——机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。3）承载能力——用载荷表示的工作能力。4）工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据。为了防止机械零件在工作中产生失效，以零件的工作能力计算准则为依据进行的计算过程，常用的两种方法：◆设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。◆校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。◆载荷和应力1、载荷F由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。静载荷变载荷●按是否随时间变化，载荷分为：名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）计算载荷＝载荷系数K×名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）●按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。注：变载荷可能是动载荷，也可能是随时间而变化的其它载荷。载荷和应力22、应力σ应力静应力循环应力2minmaxm2minmaxamax─最大应力；min─最小应力m─平均应力；a─应力幅值r─应力比（循环特性）maxminr