机械设计基础

第一章 绪论

§1-1 机械的组成 一台机器包括三个基本部份： 将其它能量变换为机械能，是驱动整部机器的动力源。 原动机部分： §1-1 机械的组成 一台机器包括三个基本部份： 将其它能量变换为机械能，是驱动整部机器的动力源。 原动机部分： 把原动机的运动和动力转变为工作部分运动和动力。 传动部分： 其功能是利用机械能去变换或传递能量、物料、信号。 工作机部分：

机器、零件与构件 机器——由许多机械零件组合。 零件——是加工基本单元 构件——运动的基本单元 机械设计课程：通用零件（齿轮、链轮、蜗轮、螺栓、螺母）和专用零件（曲轴、叶片）。 图1-1连杆体1、连杆盖4、螺栓2和螺母3四个零件组成构件，形成运动单元。

连杆体 连杆盖 螺栓 螺母 图1-1内燃机的连杆

机构与机器 机构——由若干构件组成，各构件之间具有确定的相对运动；通常指传递运动的机械。 机器——由机构组成。一部机器可以包含一个机构，也可以包含几个机构。 图1-2单缸四冲程内燃机包含由齿轮9、齿轮10组成的齿轮机构；由曲轴6、连杆5、活塞2组成的曲柄滑块机构；由凸轮7、从动3组成的凸轮机构等。

由曲轴6、连杆5、活塞2组成的曲柄滑块机构； 由凸轮7、从动3组成的凸轮机构等 齿轮9、齿轮10组成的齿轮机构； 图1-2 内燃机

§1-2本课程研究的对象和任务 1、掌握常用机构和通用零件的工作原理和结构特点。 2、具有运用标准、手册、规范、图册和查阅有关技术资料的能力。 3、了解典型机械的实验方法，受到实验技术的基本训练。

§1-3 机械零件的失效形式及设计准则 机械零件失效——机械零件在预定时间内和规定的条件下，不能完成正常功能。 §1-3 机械零件的失效形式及设计准则 机械零件失效——机械零件在预定时间内和规定的条件下，不能完成正常功能。 主要失效形式——断裂、过大的残余应变、表面磨损、腐蚀、零件表面的接触疲劳和共振等。 失效影响因素——工作条件、材质、受载状态及其所产生的应力性质。

机械零件设计基本要求 为了使设计零件能在预定时间内和规定工作条件下正常工作，设计机械零件时应满足下面的基本要求： 1．强度条件 或

提高机械零件强度的措施 （1）采用强度高的材料； （2）使零件具有足够的截面尺寸； （3）合理设计机械零件的截面形状，以增大截面的惯性矩； （4）采用各种热处理和化学处理方法来提高材料的机械强度特性； （5）合理进行结构设计，降低作用载荷。

2．刚度条件 对零件挠度、偏转角和扭转角等要求：

3．寿命条件 要求机械零件应有足够的寿命。影响零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳。但至今还没有提出实用且有效的腐蚀寿命计算方法。因此也无法列出腐蚀寿命的计算准则。而磨损的计算目前也无简单、可靠的定量计算方法。因此，只能采用条件性的计算。关于疲劳寿命通常是算出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。

4．可靠性条件 满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有的零件都能完成规定的功能，零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率称为该零件的可靠度。可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量，不同零件的可靠度要求是不同的。设计时应根据具体零件的重要程度选择适当的可靠度。

§1-4 机械零件常用材料及其选用原则 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用 。 一、金属材料 金属材料主要指铸铁和钢，它们都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铁。

1．铸铁 常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 2．钢 钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接和铸造方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛。

材料 机械性能 名称 牌号 合金结构钢 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 抗拉强度 b(N/mm2) 屈服强度 s(N/mm2) 硬度 (HBS) 普通碳素结构钢 Q215 Q235 Q255 Q275 335~410 375~460 410~510 490~610 215 235 255 275   优质碳素结构钢 20 35 45 410 530 600 245 315 355 156 197 220 合金结构钢 18Cr2Ni4W 35SiMn 40Cr 40CrNiMo 20CrMnTi 65Mn 118 785 981 980 1079 735 835 510 834 430 260 229 247 269 217 285

铸钢 ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 450 550 570 230 270 310 130 143 153 灰铸铁 HT150 HT200 HT250 145 195 240 — 150~200 170~220 190~240 球墨 铸铁 QT450-10 QT500-7 QT600-3 QT700-2 500 600 700 320 370 420 160~210 170~230 190~270 225~305

3．有色金属合金 有色金属合金具有良好的减磨性、跑合性、抗腐蚀性、抗磁性、导电性等特殊的性能，在工业中应用最广的是铜合金、轴承合金和轻合金，但有色金属合金比黑色金属价贵。 铜合金有青铜与黄铜。

黄铜——铜与锡的合金，它具有很好的塑性和流动性，能辗压和铸造各种机械零件。 青铜——锡青铜和无锡青铜两类，它们的减摩性和抗腐蚀性均较好。轴承合金（即简称巴氏合金）为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗胶合性，但强度低且较贵，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。

二、非金属材料 非金属材料有橡胶、塑料、陶瓷、木料、毛毡、皮革、棉丝等。 1．橡胶 橡胶富有弹性，有较好的缓冲、减振、耐热、绝缘等性能，常用做联轴器和减振器的弹性与装置、像胶带及绝缘材料等。

2．塑料 塑料是合成高分子材料工业中生产最早、发展最快、应用最广的材料。塑料比重小，易制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、减摩耐磨性、绝热性、抗振性等。常用塑料包括聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料。工程塑料包括聚甲醛、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、尼龙、MC尼龙、氯化聚醚等。

3．复合材料 复合材料是将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相的材料，它即可以保持组成材料各自原有的一些最佳特性，又可具有组合后的新特性，这样就可根据零件对于材料性能的要求进行材料配方的优化组合。应用于光、热、电、阻尼、润滑、生物等方面新的复合材的不断问世，复合材料的应用范围正得到不断的扩大。

4．陶瓷 陶瓷材料具有高的熔点，温度界限为1,200℃～1,600℃，使用于现代机械装设备特别是高温机械部分。此外高硬度的陶瓷材料，具有摩擦系数小、耐磨、耐化学腐蚀、比重小、线膨胀系数小等特性，使之在精密机械中、应用于高温、中温、低温领域，可以作机械零件，也可以做电机零件；以机械装置为代表使用的陶瓷材料叫工程陶瓷。

三、机械材料选用的原则 从各种各样的材料中选择出合用的材料通常应考虑下面的原则： 1．载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况 对于承受拉伸载荷为主的零件宜选用钢材，承受压缩载荷的零件应选铸铁。脆性材料原则上只适用于制造承受静载荷的零件，承受冲击载荷时应选择塑性材料。

2．零件的工作条件 在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料，在高温下工作的零件应选耐热材料，在湿热环境下工作的零件，应选防锈能力好的零件，如不锈钢、铜合金等。零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增强耐磨性，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。金属材料的性能和通过热处理锅表面强化（如喷丸、滚压等）来提高和改善。

3．零件的尺寸及质量 零件的尺寸的大小及质量好坏与材料的品种及毛坯制取方法有关，对外形复杂、尺寸较大的零件，若考虑用铸造毛坯，则应选用适合铸造的材料；若考虑用焊接毛坯，则应选用焊接性能较好的材料；尺寸小、外形简单、批量大的零件，适于冲压和模锻，所选材料就应具有较好的塑性。

4．经济性 选择零件材料时，当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选择价格高的材料，这对于大批量制造的零件尤为重要。此外还应考虑加工成本及维修费用。为了简化供应和储存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能减少同一部设备上使用的材料品种和规格，使综合经济效益最高。

§1-5 机械设计的基本要求及程序 一、机械设计的基本要求 1．功能要求 §1-5 机械设计的基本要求及程序 一、机械设计的基本要求 1．功能要求 满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率，以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。

2．安全可靠性要求 （1）使整个技术系统和零件在规定的外载荷和规定的工作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。 （2）能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健康。 （3）对于周围环境和人不造成危害和污染，同时要保证机器对环境的适应性。

3．经济性 在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制造三方面作为一个系统工程来考虑，用价值工程理论指导产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺，以降低产品的成本。设计机械系统和零部件时，应尽可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量、降低制造成本。

4．其他要求 使机械系统外形美观，便于操作和维修。此外还必须考虑有些机械由于工作环境和要求的不同，而对设计提出某些特殊要求，如食品卫生条件、耐腐蚀、高精度要求等。

二、机械设计的一般程序 机械设计就是建立满足功能要求的技术系统的创造过程。机械设计一般过程如图1-3所示。

明确任务 调查研究 可行性论证 总体设计 技术设计 样机试制 修改图纸及工艺 批量正式生产

1．明确设计任务 产品设计是一项为实现预定目标的有目的的活动，因此正确地决定设计目标（任务）是设计成功的基础。明确设计任务包括定出技术系统的总体目标和各项具体的技术要求，这是设计、优化、评价、决策的依据。

2．总体设计 机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究。总体设计包括确定工作部分的运动和阻力，选择原动机的种类和功率，选择传动系统，机械系统的运动和动力计算，确定各级传动比和各轴的转速、转矩和功率。总体设计时要考虑到机械的操作、维修、安装、外廓尺寸等要求，确定机械系统各主要部件之间的相对位置关系及相对运动关系。人—机—环境之间的合理关系。

3．技术设计 技术设计又称结构设计。其任务是根据总体设计的要求，确定机械性系统各零部件的材料、形状、数量、空间相互位置、尺寸、加工和装配，并进行必要的强度、刚度、可靠性设计，若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案。

技术设计时还要考虑加工条件、现有材料、各种标准零部件、相近机器的通用件。技术设计是保证质量、提高可靠性、降低成本的重要工作和技术设计还需绘制总装配图、部件装配图、编制设计说明书等。技术设计是从定性到定量、从抽象到具体、从粗略到详细地给设计过程。

4．样机试制 样机试制阶段是通过样机制造、样机试验、检查机械系统的功能及整机、零部件的强度、刚度、运转精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好的满足设计要求。

5．批量正式生产 批量正式生产阶段是根据样机试验、使用、测试、鉴定所暴露的问题，进一步修正设计，以保证完成系统功能，同时验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济效益。

产品设计过程是智力活动过程，它体现了设计人员的创新思维活动，设计过程是逐步逼近解答方案的并逐步完善的过程。设计过程中还有注意几点： （1）设计过程要有全局观点。 （2）善于运用创造形思维和方法。 （3）设计的各阶段注意评价和优选。 （4）要注意反馈及必要的工作循环。