机械设计基础(近机、非机类)ch01

（时间：1次课，2学时）教学目标：机械设计基础课程是研究常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点及基本的设计理论和设计分析的方法，这些知识将通过一些机构和零件进行讲授。对于一般的机器，我们在日常生活中已有了不同程度的认识。但是，一部机器是怎样组成的？如何完成既定的功能？其中哪些问题与本课程有关？等等。对于这些问题，我们可以通过对典型机械的分析来认识。通过本章的学习，要求读者了解本课程研究的内容、性质和任务。教学重点和难点：机器的组成及其分析方法。本课程的性质、内容以及学习方法。机械设计的一般程序。机械零件设计的一般程序。机械、机器、机构、构件以及零件的概念。案例导入：如图1-1所示的是一台自动组装机，由工业编程控制器进行控制、安全监测、质量检测、计数的六工位组装机；它可以根据需要设计相应的夹具及工装，代替人完成装配动作。在我们的生产、生活中有许许多多的机器，有哪些内容和机械设计基础课程有关？如何认识机器、分析机器？这些将要在本书的内容中逐步得到解答。图1-1自动组装机1—载物工作台；2—PLC控制箱；3—电源；4—气动控制箱；5—信号采集发生器1.1机器的组成1.2机械设计的基本要素1.3机械零件材料选用原则1.4机械零件的制造工艺性及标准化1.5本课程的内容、性质和任务1.6实验与实训1.7习题1.1.1机器的组成和分析1.1.2机器的组成要素机械制造业为人类提供了日常生活、各行各业生产所需要的机械。机械能代替、减轻人们的体力劳动和脑力劳动，提高劳动生产率和保证产品的质量；也只有机械化的生产才能进行严格的分工和科学的管理。因此，机械的发展水平也代表了国家工业、科学技术的发展水平。在装备制造业中，机械设计是第一步，是产品成败的关键。在如图1-1所示的自动组装机中，各个工位根据设定的程序与动作，通过气动元件和机械运动完成其相应的组装功能。载物工作台与各个工位相配合完成严格的协调动作，只有在各工位全部完成装配动作后，由控制发出指令，工作台将转动一个工位后停止，再进行下一个动作的循环。图1-2所示为自动组装机的传动系统图，电机1通过皮带2和变速箱4可以将电机的转速改变；电磁离合器3则可以通过控制自动离合；槽轮机构5把连续的转动运动改变为工作台的间歇运动；链传动6与主运动同步转动带动PLC信号采集器7，使信息的采集、反馈与机械的转动同步；各工位可根据需要设计结构，其中一个位置的工作装置是通过凸轮机构8、齿轮10与齿条9组成，完成一个工位的组装动作；夹具11与工装位置相对应，根据需要可以夹持或固定零件。这一系列运动的配合是通过信号的接收、信息的反馈和控制器的处理来完成。信息采集发生器通过链传动与工作台的主轴同步转动，这样使整机的运动循环可以随机械传动速度的快慢同步进行。转动速度通过对电机进行变频调速来完成无级变速。如图1-3所示的内燃机由气缸1、活塞2、连杆3、曲轴4、小齿轮5与大齿轮6、凸轮7与顶杆8等组成。当内燃机工作时，燃气推动活塞做往复移动，经连杆变为曲轴的连续转动。凸轮与顶杆用来控制进气和排气。曲轴经过齿数比为1∶2的齿轮5与6，带动凸轮轴转动，使得曲轴每转两周，进、排气门各启闭一次。这样的协调运动的配合，就把燃气热能转变为曲轴连续旋转的机械能。从以上两个示意图可以看出，比较复杂的现代化机器中，包含着机械、电气、气(液)动、控制监测等系统的部分或全部组成，但是不管多么现代化的机械，在工作过程中都要执行机械运动，进行机械运动的传递和变换。因此，机械的主体是机械系统。从功能组成分析，机器的基本组成部分有：原动部分是整机的驱动部分，如组装机中的电机、压力气源；执行部分是完成机器的预定功能的组成部分，如组装机中的夹具、工装；传动部分完成运动形式、运动及动力参数的转变，如带传动、链传动、减速器、间歇机构等；控制部分及其他辅助系统对机器的自动化控制与管理是必不可少的重要组成部分，如信号采集发生器、编程控制器。图1-2自动组装机传动系统图1—电机；2—皮带；3—电磁离合器；4—变速箱；5—槽轮机构；6—链传动；7—信号采集器；8—凸轮机构；9—齿条；10—齿轮；11—夹具图1-3内燃机结构图1—气缸；2—活塞；3—连杆；4—曲轴；5—小齿轮；6—大齿轮；7—凸轮；8—顶杆只能实现机械运动和力的传递与变换的装置称为机构，例如。内燃机中由曲轴、连杆、活塞和气缸组成曲柄滑块机构，齿轮机构，凸轮机构等。运动的基本单元称为构件，构件可以是单一的零件，如曲轴(如图1-3所示)，也可以是由一些零件通过连接组成的刚性体，如内燃机连杆(如图1-4所示)。零件是制造的基本单元，在各种机器中都可以用到的零件，叫通用零件，如螺栓、键、带轮、齿轮等；在特定类型的机器使用的零件叫专用零件，如内燃机中的活塞、曲轴、洗衣机中的波轮、风扇中的叶轮等。部件是一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体，如减速器等。这些零、部件从机器的全局出发，相互关联、互相影响组成一部完整的机器。一部完整的机器都是由一个或一些机构组成，能够实现机械运动，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。对能量进行转换，实现其他种类的能量转换为机械能的机器是动力机械，如内燃机、水轮机、电动机、气动马达、液压马达等。对物料进行转换，完成某种工作或工艺过程的机器是工作机器，如各种切削加工设备、运输机械、食品加工机械等；还包括球磨机、摇号机等随机运动的机器。对信息进行转换，实现电、热、压力、变形等形式的信息与机械运动信息之间的传递与转换的机器，称为信息机器，如检测装置、计量装置等。机械是机器与机构的总称。(a)连杆(b)连杆拆分件图1-4内燃机连杆1.2.1机械设计的基本要求1.2.2机械设计的一般程序1.2.3机械零件设计的一般步骤1.2.4机械零件的设计方法机械设计的目的是创造性地实现具有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。机械设计应满足的基本要求主要有：在实现预期使用功能的前提下，尽可能性能好、效率高、成本低，具有一定的可靠性；应考虑到操作方便、维护简单、便于运输等。设计机械的程序视具体情况而定，一般分为产品规划、方案设计、技术设计和加工设计四个阶段。1.产品规划阶段在根据市场预测、用户需求调查和可行性分析后，制定出机器的设计任务书，明确设计要求。2.方案设计阶段方案设计包括了机械产品的功能原理设计，确定机器的工作原理和技术要求，初步拟定机器的总体布置、传动方案和机构运动简图等，对机构进行运动分析与设计。从多种方案中，经优化筛选与评价，选取较理想的方案。3.技术设计阶段主要工作包括：总体设计、结构设计、施工设计、商品化设计、模型试验等。要在方案设计的基础上，进行结构和主要零部件工作能力的设计，完成装配图、零件图及编写设计计算说明书、使用说明书等技术文件。4.样机试制和鉴定根据图纸、技术文件进行样机的试制；对样机进行性能检测、修改和改进；组织鉴定并进行经济技术评价。通过后，才可批量投产或交付用户使用，还需要收集反馈的信息，作为将来进一步改进的依据。(1)根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的结构。(2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。(3)根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件的失效形式，确定零件的设计准则。(4)根据零件的工作条件，选择材料。(5)根据设计准则进行计算，确定零件的基本尺寸。(6)绘制出零件工作图并编写设计说明书。机械零件的设计方法，通常把过去长期采用的设计方法称为常规设计方法，近几十年发展起来的设计方法称为现代设计方法。此处仅介绍本书使用的常规设计方法。1.理论设计按照机械零件的结构及其工作情况，将其简化成一定的物理模型，运用力学、弹性力学、热力学、摩擦学等理论推导出来的设计公式和用实验数据进行设计的方法称为理论设计。这些设计公式有两种不同的使用方法。(1)设计计算。按设计公式直接求得零件的有关尺寸。(2)校核计算。已知零件的各部分尺寸，校核它是否能满足有关的设计准则。2.经验设计根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。对于某些典型零件，这是很有效的设计方法。经验设计也用于某些目前尚不能用理论分析的零件设计中。对于尺寸很大，结构复杂，工况条件特殊，又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或样机，通过实验考核其性能，并取得必要数据后，再根据实验结果修改原有设计。但这种方法费时、成本高，只用于特别重要的设计。机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。在机械设计中选择材料是一个重要环节。随着材料科学的不断发展，机械制造业对零件的要求在提高。因此，设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。1.使用要求为保证机械零件不失效，根据载荷作用情况，对零件尺寸的限制和零件重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性、阻尼性和吸振性等力学性能方面的相应要求。同时，由于零件工作环境等其他需求，对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求等。2.工艺要求选择零件材料时必须考虑到加工制造工艺的影响。铸造毛坯应考虑材料的液态流动性、产生缩孔或偏折的可能性等；锻造毛坯应考虑材料的延展性、热脆性和变形能力等；焊接零件应考虑材料的可焊性和产生裂纹的倾向等；对进行热处理的零件应考虑材料的可淬性、淬透性及淬火变形的倾向等；对于切削加工的零件应考虑材料的易切削性、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等。3.经济性从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能选用价廉的材料，以降低材料费用。另外，还应综合考虑到生产批量等因素的影响，如大量生产宜用铸造毛坯；单件生产采用焊接件，可以降低制造费用。1.4.1机械零件的工艺性1.4.2机械零件设计中的标准化零件的工艺性是指在既定的生产条件和规模下，能用较少的劳动和较低的成本把零件制造和装配出来。为此，设计者必须了解零件的制造工艺，能从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策。在机械设计中零件标准化，在制造上可以实行专业化大批量集中生产，提高产品质量，降低成本，便于维修管理；在设计上可以减少设计量和设计周期。我国现行标准分为国家标准(GB)、部颁标准(如JB、YB等)和企业标准三级。出口产品应采用国际标准(ISO)。通用化是在系列产品内部或在跨系列的产品之间，采用同一结构和尺寸的零部件。它可以最大限度地减少产品的规格、形状、尺寸和材料品种等，实现通用互换。系列化是将产品尺寸和结构按尺寸大小分档，按一定规律优化组合成产品系列，以减少产品型号数目，以较少的品种规格满足用户的广泛需要。按机械系统的功能组成划分为三部分，即机械的执行系统、机械的传动系统以及机械的连接设计。机器执行系统中普遍使用的机构如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇机构等。机械中普遍使用的传动和零件，例如齿轮传动、带传动、链传动和螺栓、轴、轴承、弹簧等。本书主要研究机器中这些常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本设计原理和计算方法。《机械设计基础》是一门技术基础课程，通过对本课程的学习，学生能获得分析、选用和维护简单机械设备的基础知识，为进一步学习专业课和今后从事相关的机械工程方面的工作打下必要的理论基础。通过本课程的学习，应达到以下基本要求。(1)了解机构的组成、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。(2)初步掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等知识，并初步具有分析机械传动装置的能力。(3)初步具有运用标准、规范、手册、图册及查阅有关技术资料的能力。(4)获得实验技能的初步训练。实验目的通过对机器的分析，了解机械的运动过程及实现的方法。通过