机械设计基础第一章

《机械设计基础》电子教案第一章机械设计基础概论

第一节机械及其组成

一、机器和机构

1．机器

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能力、物流和信息。，就其组成而言，一部完整的机械主要有以下四个部分

(1)动力部分。

(2)执行部分。

(3)传动部分。

(4)控制部分。

2．机构

机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用运动副连接起来的构件系统。

二、构件和零件

1．构件

从运动学的角度看，机器是由若干个运动的单元所组成，这些运动单元称为构件。构件可以是单一的整体(如活塞)，也可以是多个零件组成的刚性结构。

2．零件

零件是组成构件的基本单元。零件可以分为两类，一类是通用零件，在各种机器中普遍使用，如螺母、齿轮、键等；另外一类是专用零件，在少数机器中使用，如内燃机的曲轴，汽轮机中的叶片等。

第二节机械设计的基本要求和一般程序

一、机械零件的主要失效形式和设计准则

机械零件的常见失效形式有断裂或过大的塑性变形，过大的弹性变形，工作表面失效（如磨损、疲劳点蚀、表面压馈、胶合等），发生强烈的振动以及破坏正常工作条件引起的失效（如连接松动、摩擦表面打滑等）。

二、机械设计应满足的基本要求

1.功能性要求

2.经济性要求

3.工艺性要求

4.劳动保护和环境保护要求

5.可靠性要求

6.其他方面的要求

三、机械零件设计的一般步骤

（1）根据零件在机械中的地位和作用，选择零件的类型和结构。

（2）分析零件的载荷性质，拟定零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。

（3）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择适当的材料。

（4）分析零件可能出现的失效形式，决定计算准则和许用应

力。

（5）确定零件的主要几何尺寸，综合考虑零件的材料、受载以及加工装配工艺和经济性等因素，参照有关标准、技术规范以及经验公式，确定全部结构尺寸。

（6）绘制零件工作图，确定公差和技术要求，写出计算说明书。

四、机械零件设计的标准化、通用化及系列化

标准化指有不少零件，由于应用范围广、用量大，已经高度标准化形成标准件。

通用化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部件。

系列化指有很多零件适用范围极为广泛，但在具体设计时随着工作条件的不同，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。

五、设计机器的一般过程和主要内容

1．设计任务的研究和制定

2．方案设计

3．总体设计

4．技术文档编制阶段

第三节金属材料的性能

一、金属材料的力学性能

1．强度

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

2．塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

3．硬度

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

4．冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。

二、金属材料的工艺性能

1．铸造性（可铸性）

铸造性是指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性、收缩性和偏析。

2．可锻性

可锻性是指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。

3．焊接性（可焊性）

焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性能。

4．切削加工性（可切削性，机械加工性）

切削加工性是指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。

5．热处理工艺性能

金属材料适应各种热处理工艺的性能称为热处理性能。

第四节机械零件的常用材料

机械零件的常用材料包括金属材料和非金属材料。

第五节机械零件的力学基础

一、力系

1.平面任意力系

力系中各力的作用线都处于同一个平面内，且任意分布，称为平面任意力系。

2.平面任意力系的平衡方程及其应用

（1）平面任意力系的平衡方程

1）基本形式。

2）二力矩式

3）三力矩式

二、轴向拉伸与压缩

1.拉伸与压缩的概念

受拉伸或压缩的构件有很多是等截面直杆（统称为杆件），它们受力的共同特点是作用于杆上的外力（或外力的合力）作用线和杆的轴线重合。杆件的变形是沿轴线方向的伸长或缩短。

2.内力及横截面上的应力

（1）内力和截面法。

（2）横截面上的应力。

3.拉压变形和胡克定律

（1）绝对变形和相对变形。

（2）胡克定律。

4.许用应力和安全因数

（1）拉伸和压缩时材料的力学性能。材料在外力作用下，所表现出来的各种性能，称为材料的力学性能。

1）屈服极限σs。

2）强度极限σb。

3）延伸率δ和断面收缩率ψ。

（2）极限应力和工作应力。

（3）许用应力和安全因数

5.拉伸或压缩的强度计算

（1）强度校核。

（2）选择截面尺寸。

（3）确定许可载荷。

三、剪切与挤压

1.剪切应力

2.挤压的概念和实例

四、扭转

1.扭转的概念和实例

2.扭矩和扭矩图

3.圆轴扭转时横截面上的应力

（1）圆轴扭转变形。

（2）圆轴扭转时的应力。

4.圆轴扭转的强度计算

五、弯曲

1.平面弯曲的概念和实例

（1）弯曲概念。

（2）平面弯曲。

（3）梁的类型。

1）简支梁。

2）悬臂梁。

3）外伸梁。

2.梁的内力——剪力和弯矩

（1）剪力和弯矩的概念。

（2）剪力和弯矩的计算。

（3）弯矩方程和弯矩图。

第六节摩擦、磨损及润滑

一、摩擦

1．摩擦分类

(1)按摩擦副的运动状态分为动摩擦和静摩擦。

(2)按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦和滚动摩擦。

(3)按摩擦表面的润滑状态分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦。

2干摩擦机理

3．边界摩擦机理

（1）物理吸附膜。

（2）化学吸附膜。

（3）化学反应膜。

4．流体摩擦机理

二、磨损

1．磨损过程

2．磨损类型

（1）黏着磨损。

（2）磨粒磨损。

（3）腐蚀磨损。

（4）疲劳磨损。

3．减小磨损的方法

（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。

(2)合理选择摩擦副材料。

（3）进行表面处理。

（4）注意控制摩擦副的工作条件。

三、润滑

润滑是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂，变干摩擦为加入润滑剂分子之间的摩擦。

1．常用润滑剂及选择

(1)润滑油。