机械设计基础 第01章 概论

第一章概论第一节绪论第二节机械零件材料学基础第三节机械设计中的摩擦学基础第一节绪论一、课程的内容、性质和任务二、机械设计的一般过程简介三、机械零件的设计准则一、课程的内容、性质和任务1.课程内容2.课程性质3.课程任务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。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。如内燃机、电动机、起重汽车、金属切削机床、电话机和计算机等。机构是机器的组成部分，是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。构件是由若干零件刚性联接而成，是机器运动的最小单元。零件是机器加工制造的最小单元。机器的组成由原动机、工作机、传动系统等组成。1.课程内容常用机构设计连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构（棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构）等。常用通用零部件设计传动零件：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:螺纹联接、键联接、销联接等。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设计（运动方案设计及结构设计）现代设计法方法简介具体内容传动零件齿轮传动蜗杆传动带传动传动零件圆柱平摩擦轮传动（a）滑动螺旋;(b）滚动螺旋;（c）静压螺旋链传动螺旋传动(a)(b)(c)联接零件螺纹联接键联接销联接轴滑动轴承滚动轴承联轴器轴系零件机器图数控立式升降台铣床电机起重机连杆曲柄内燃机实物图1-气缸体；2-活塞；3-连杆；4-曲轴；5、6-齿轮；7-凸轮；8-进气阀顶杆1234曲柄滑块机构156齿轮机构178凸轮机构机器的组成原动机：驱动机器完成预定功能的动力源工作机：完成机器预定功能的组成部分传动系统：传递运动和动力。有机械传动、电力传动和液力传动等。原动机传动系统工作机控制系统辅助系统（润滑、显示、照明等（实例）本课程只研究机械传动。原动机：汽油机和柴油机。传动系统：离合器、变速箱、传动轴和差速器。工作机：车轮、悬挂系统和底盘。控制系统：方向盘和转向系统、排档杆、刹车及其踏板、离合器及其油门。辅助系统：油量表、速度表、里程表、润滑油温度表及蓄电平电流表、电压表等为显示系统；后视镜、车门锁、刮油器等为其它辅助系统；前后灯、仪表盘灯为照明系统；转向信号灯和车尾红灯为信号系统。机器组成实例2.课程性质综合性、应用性很强的培养学生设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。必要的先修课程有高等数学几何精度规范学机械制图金属材料学工程力学金工实习3.课程任务（1）获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。（2）运用有关设计手册、图册、标准、规范等有关设计资料的能力。（3）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,用所学的有关知识设计机械传动装置和简单机械的能力。（5）掌握典型零件的实验方法和培养实验技能。（6）了解常用的现代设计方法及机械发展动向。二、机械设计的一般过程简介1.产品规划根据社会的需要和市场的需求，确定所设计机械（机器）的功能范围和性能指标，拟订设计任务书。2.方案设计按设计任务书的要求，尽量构思出多种可行的设计方案，通过对比、筛选，优选出一种功能满足要求、工作原理可靠、结构设计合理、制造成本低廉的最优方案。3.技术和施工图设计对已选定的设计方案进行分析计算，确定机构和零件的工作参数以及机械（机器）的主要结构尺寸，完成每一个零件的结构设计，按照国家标准，绘制出整台机器的设计总图和全部零、部件的施工图，编写有关技术文件。4.试制、调试、鉴定进行样机试制，对样机进行试验、测定，从技术上、经济上作出评定，提出改进意见。1、机械零件的主要失效形式2、机械零件的设计准则三、机械零件的设计准则失效：在规定的工作条件下机械零件失去了正常工作能力。断裂：零件在拉、弯、扭载荷作用下，当或时，就可能发生断裂，属强度不合格。疲劳断裂过载断裂变形过大：时发生,属刚度不合格。振动过大甚至共振：振幅超过了许用值。零件表面失效：过大接触应力作用造成。胶合失效（黏着磨损）、点蚀（疲劳磨损）、磨损失效（磨粒磨损）、塑性变型。在化学腐蚀介质的接触和作用下产生腐蚀失效。1、机械零件的主要失效形式s][][保证机械零件在要求的寿命内不出现各种失效。强度准则，刚度准则挠度偏转角扭转角振动稳定性准则使受激振作用的各个零件的固有频率f与激振源的频率fp错开。通常应保证fp0.85f或fp1.15f磨擦学准则验算压强p≤[p]验算pvpv≤[pv]验算速度v≤[v]2、机械零件的设计准则][][Slim][Slim][yy第二节机械零件材料学基础一、金属材料二、非金属材料三、复合材料四、钢的热处理简介机械零件通常都是由金属材料制成的，有时也用非金属材料和复合材料制造。一、金属材料1．钢2．铸铁3.有色金属（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）1.钢碳素钢碳素结构钢碳素工具钢：T7、T8普通碳素结构钢如Q235、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C＜0.25%如20合金钢合金结构钢合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低金结构钢如12Mn弹簧钢如60Si2MnA中碳钢0.6%＜C＜0.25%如45高碳钢0.6%＜C如60钢2.铸铁（含碳量大于2%的铁、碳合金）（1）灰铸铁如HT100、HT300,良好的铸造性、切削加工性、耐磨性，消振性，但抗拉强度低。（2）球墨铸铁如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁有很大的提高，具有良好的耐磨性，但铸造性较差。（3）可锻铸铁如KTH300-06,强度、塑性、韧性、耐磨性均较高，能承受冲击振动,但生产周期长，成本较高。铸造大尺寸零件较困难。3.有色金属（1）铜合金黄铜铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素，如ZCuZn38等。青铜青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等，如CuAl10Fe3、ZCuSn5PbZn5。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。（2）铝及铝合金铝合金具有良好的导热、导电性能，其导电性能大约为铜的60%，但由于重量轻，在远距离输送的电缆中常代替铜线。二、非金属材料1．工程塑料（1）尼龙品种、数量及应用上居工程塑料之首，它强度高，耐磨性好，耐化学腐蚀。但易吸收水分而影响尺寸的稳定性。（2）聚碳酸脂在工程塑料中韧性最好，透光率达90%，连续使用温度达135℃～145℃，它正取代玻璃和有机玻璃，作为飞机上的挡风夹层和天窗。（3）聚甲苯在工程塑料中弹性模量最高，并有高硬度，低摩擦系数和较好的耐疲劳性能，适用于制造小齿轮及轴套等。（4）聚苯醚在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数最小，最耐热。（5）ABS具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织机械中。用ABS制成的泡沫夹层板，可作小轿车的车身。2．橡胶常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等3．夹布胶木常用来制造板材、电工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。4．其他工业上，经常使用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等。三、复合材料通常由两种材料结合而成，可发挥材料各自的长处，克服各自固有的缺点。常见的复合材料有：（1）玻璃钢玻璃和塑料结合而成。玻璃具有较高的弹性模量和强度，但太脆，而塑料具有良好的塑性、易于加工，但弹性模量和强度较低，把两者结合起来，就产生了玻璃钢。（2）硬质合金陶瓷与金属粉末烧结在一起而成。陶瓷材料硬度好，但不易于加工成型，将它与金属粉末烧结在一起，就形成了硬度高，耐磨性好且易于加工成形的硬质合金。（3）硼铝复合材料硼与铝合金结合而成。它的常温和高温强度比高强度的铝合金大得多。美国现在使用的航天飞机的整个桁架支柱，均用硼铝复合材料的管材制造，比原先采用铝合金时，减轻重量44%。四、钢的热处理简介热处理将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能。图2-1钢的热处理退火正火临界温度保温加热淬火回火调质度温时间1.退火2.正火3.淬火4.回火5.调质6.时效7.表面处理123把钢加热到临界温度（在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度）以上30℃～50℃，经过适当的保温后，随炉温一起缓慢冷却下来的热处理工艺称为退火。退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，细化结晶组织结构，改善力学性能和切削加工性能，能消除或减小铸件、锻件及焊接件的内应力。2.正火将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后再空冷，风冷或喷雾冷却。它的冷却速度比退火快，作用与退火相似，但比退火经济，成本低，可作为零件的最终热处理。3.淬火将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后在水中或油中迅速冷却。由于淬火温度变化过快，材料内部形成较大的淬火应力，会导致零件的变形或开裂。淬火不能作为零件的最终热处理。1.退火4.回火将淬火后的零件重新加热到临界温度以下的某一温度，保温一段时间后，然后在空气中冷却。根据对零件要求的不同，可采用不同的回火温度。回火温度越高，材料的硬度和强度下降越多，而塑性和韧性则显著提高。（1）低温回火回火温度在150℃～250℃，主要用来降低材料的脆性和淬火应力，并能保持较高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。（2）中温回火回火温度在350℃～500℃，其特点是即能保持材料一定的韧性，又能保持一定的弹性和屈服点，常用于弹簧和承受冲击的零件。（3）高温回火回火温度在500℃～650℃，使零件获得强度、硬度、塑性和韧性都良好的综合力学性能。4565.调质淬火加高温回火称为调质。一些重要的零件，特别是一些在变应力下工作的零件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。可以减小或消除零件的内应力，使零件在工作之前得以充分的变形，零件尺寸可以稳定下来。时效分低温时效和高温时效。6.时效（1）低温时效将零件加热到100℃～150℃，保温5～20小时后，再空冷。（2）高温时效将零件加热到略低于高温回火的温度，保温后，缓冷到300℃以下，出炉空冷。77.表面处理对于一些要求表面有较高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有较高的韧性以提高其抗冲击能力的零件，可以采用表面处理工艺。表面处理包括表面淬火和化学处理。（1）表面淬火采用快速加热的方法，只将零件表面加热并淬火。它只改变表层组织，心部并不发生变化，心部保持了一定的韧性和强度，而表层得到强化和硬化。表面淬火有高频感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。（2）化学处理化学处理是把零件放入化学介质（碳或氮等）中加热，保温，使介质元素渗入零件表层中，使零件表层的化学组成和组织结构发生变化，来获得对其心部和表层不同性能要求的热处理方法。常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗（氰化）等。第三节机械设计中的摩擦学基础一、摩擦二、磨损三、润滑外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，所产生的阻力叫做摩擦力。1.干摩擦摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩擦系数=0.3～1.5。2.边界摩擦（边界润滑）两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与流体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。边界膜极薄，不能避免金属间的直接接触，这时仍有摩擦力产生，其摩擦系数=0.1～0.5。3.流体摩擦（流体润滑）摩擦表面间的润滑膜足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的流体摩擦。摩擦系数极小，大约=0.001～0.008，无磨损产生，是理想的摩擦状态。4.混合摩擦（混合润滑）摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。大约=0.01～0.08。一、摩擦ffff二、磨损1．黏着磨损由于两摩擦表面间产生黏着现象而使材