1、第一章 緒論機械：機器和機構的總稱第一節 機器的組成及其特征一、機器1、機器在社會生活中的作用洗衣機、汽車、摩托車、計算機等2、機器的共同特征：1）人為之物2）機器具有確定運動機器對其它參照物的相對運動，如汽車（飛機）相對于地面；機器內部各部分間相對運動，破碎機，榨汁機；二者兼有，如叉車工作時，汽車行駛時；3）機器可以實現能量、物料和信息的變換和傳遞3、機器定義：是一種根據特定使用要求而設計的執行機械運動的裝置，它可用來變換或傳遞能量、物料和信息等。雖然機器種類很多，結構、用途及外觀又各不相同，但從基本組成來看，又具有共同點。4、機器的組成1）原動部分（動力機）：提供動力2）執行部分（工作機）

2、：直接實現規定的功能，完成生產任務3）傳動部分：將原動機的動力和運動傳遞到執行部分去的中間環節4）控制和操縱部分：協調原動部分、執行部分、傳動部分更好工作原動機傳動部分執行部分輔助系統如潤滑、照明等控制系統以汽車為例原動部分：發動機執行部分：車輪、懸掛系統的底盤（包括車身）等傳動部分：離合器、變速器、傳動軸、差速器等控制和操縱部分：方向盤、剎車及其踏板、油門等并不是所有機器組成結構一樣，如電風扇（電動機、控制部分、執行部分），砂輪機（電機、控制部分、執行部分）。二、機構理論力學中已經對一些機構（連桿機構，齒輪機構等）的運動學和動力學問題進行過研究，在工程實踐中，還有帶傳動、鏈傳動、凸輪機構等。

3、1、機構的特征：1）人為之物2）各構件間具有確定運動2、機構定義：是一種用來傳遞運動和動力的可動的裝置。3、機器和機構的關系：機器由一系列的機構組成。三、機器與零件的關系1、機器的基本組成要素 零件2、零件分類 通用零件 螺栓、齒輪等專用零件 渦輪機的葉片、飛機的螺旋槳等3、構件：運動單元體4、機器的裝配單元體 部件 5、部件分類 通用部件 減速器、離合器等專用部件 汽車轉向器6、機器與零件的關系 由于機器是由零件組成的，所以任何機器的性能，都是建立在它的主要零件的性能或關鍵零件的綜合性能的基礎之上。由此可見，要設計出一部很好的機器，必須很好地設計或選擇它的零件；而每個零件的設計或選擇又是和整

4、部機器的要求分不開的。第二節 本課程的內容、性質和任務一、內容機械原理和機械零件二、性質：技術基礎課綜合各門學科、實踐性很強、創新性很強三、任務 培養學生具有設計一般機械的相關能力。具體為（1）樹立正確的設計思想，運用創造性思維掌握機械設計的一般方法；（2）掌握機構的結構、運動特性，初步具有分析和設計常用機構的能力，對機械動力學的一些基本知識有所了解；（3）掌握通用零件的工作原理、結構特點、設計計算等知識，初步具有設計通用機械傳動裝置的能力； （4）熟悉和熟練應用機械設計手冊、圖冊、標準等有關技術資料的能力，并獲得實驗技能的基本訓練；（5）對機械設計的新發展及現代設計方法有所了解，并在條件許可

5、時盡可能在設計中加以應用。四、學習方法1、熟悉基本概念，理解基本原理，掌握機構分析和設計的基本方法。2、理論聯系實際雨傘 到 曲柄滑塊機構，雷達天線俯仰裝置 到 連桿機構 3、養成科學的學習作風： 實事求是，綜合分析，全面考慮 第二章 機械設計基礎概論第一節 概述 一、機械設計應滿足的基本要求1、使用要求 要求機器在壽命期內正常工作2、經濟性要求 耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、標準件3、社會要求 環保、安全、人機工程學等4、結構工藝性 在既定的生產條件下，能夠方便而經濟地生產出來，并便于裝配成機器5、可靠性要求 在規定的條件下和規定的使用期限內，完成規定功能的能力（可靠性）。6、其他

6、專用要求 質量小（飛機）、精度高（機床）、便于運輸（大型機器）、衛生（食品機械）二、機械設計的主要內容及一般程序（一）、設計對機器質量的影響 機器的質量基本上決定于設計質量。制造過程對機器質量所起的作用，本質上就決定于實現設計時所規定的質量。因此，機器的設計階段是決定機器質量好壞的關鍵。（二）、機械設計方法分類1、 常規設計 （理論設計、經驗設計、模型設計）2、 現代設計 （有限元、優化設計、計算機輔助設計等）3、 創新設計 （獨創性、實用性、多方案選優等）（三）、常規機器設計的內容和程序1、計劃階段 調研、明確機器應具有的功能，并為以后的決策提出環境、經濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條

7、件，爾后編寫包含機器的功能、經濟性估計等方面的設計任務書。2、方案設計階段（1）功能分析首先對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析，即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否代替等。此時要正確處理需要與可能、理想與現實、發展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。然后確定出功能參數，提出可能的解決辦法，即可能采用的方案。注意： 在方案設計階段，要正確處理借鑒與創新的關系；方案從原動部分、傳動部分、執行部分分別進行討論； 一般從執行部分開始考慮。如 則總體方案 （2）方案評價a、 經濟性費用總費用設計制造費用使用費用復雜程度0A 由圖中可以看出A

8、點總費用最低,最可行b、可靠性 一般情況下，系統越復雜，可靠性越低c、決策 通過對方案的評價，確定一個方案進行下一步技術設計的原理圖或機構運動簡圖。3、技術設計階段 產生總裝配圖、部件裝配草圖、繼而確定出零件的尺寸及相互聯接關系。為了確定出主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：(1)機器的運動學設計（根據確定的結構方案,確定出原動機的運動參數,如功率轉速、線速度等；然后作運動學分析，從而確定各運動構件的運動參數）(2)機器的動力學計算（計算主要零件所受力情況）(3)零件的工作能力設計（根據受力和計算準則，確定出零件基本尺寸）(4)部件裝配草圖及總裝配草圖的設計（根據零、部件基本尺寸，設計出部件裝

9、配草圖及總裝配草圖,在草圖上對所有零件的外形及尺寸進行結構優化）(5)主要零件的校核(根據草圖校核零件,直到滿意為止,再畫出草圖)草圖設計完成后，根據草圖已經確定的零件基本尺寸，設計零件工作圖。再由零件工作圖畫正式裝配圖（目的是為了查出零件工作圖中可能被隱藏的尺寸和結構上的錯誤，該過程為“紙上裝配”）。4、樣機試驗和鑒定 樣機試驗糾正問題，并請專家進行技術鑒定。5、產品定型設計 先做小批量生產的產品定型設計，產品制成后，試驗。最后大批量生產。6、技術文件的編制 含設計計算說明書，使用說明書，標準件明細表等。第二節 機械零件設計的基礎知識一、零件變形的基本形式及其強度條件1、拉伸和壓縮 2、剪切

10、和擠壓 3、圓柱的扭轉 4、彎曲 5、彎扭合成 第三強度理論 由于是對稱循環應力，不是對稱循環應力，特引入折合系數，則二、機械零件設計應滿足的基本要求1、工作能力要求（避免在預定壽命期內失效的要求）（1）強度 熱處理和高強度材料剛度 整體變形剛度 增大零件尺寸或縮短支承跨距表面接觸剛度 增大貼合面 （2） （3）壽命 疲勞、腐蝕、磨損2、結構工藝性 要求在既定的生產條件下，方便、經濟地生產出來，并便于裝配成機器 3、經濟性要求 耗材少、材料便宜、制造方便、加工余量少、標準件4、質量小要求 采用沖壓、焊接件來代替鑄、鍛件，采用強重比高的材料等5、可靠度要求 將工作條件、零件本身的物理和機械性能的

11、隨機變化盡可能地降低三、機械零件的主要失效形式1、失效 機械零件由于某些原因不能正常工作2、分類斷裂、表面失效（磨損、疲勞點蝕、腐蝕）、過量變形、破壞正常工作條件而引起的失效（帶傳動打滑、滑動軸承因油膜的破裂而發生過熱、膠合、磨損等）四、機械零件的計算準則1、計算準則 根據零件的失效分析，以防止出現失效為目的，所制定的計算該零件工作能力所依據的基本原則。2、分類1）強度準則、 零件工作正應力和切應力、材料許用正應力和切應力、材料的極限正應力和極限切應力 伸長或擾度扭轉角或擾角 2）剛度準則或3）耐磨性準則，4）散熱性準則（蝸桿傳動、滑動軸承）5）振動穩定性準則 措施 改變零件及系統的剛性，改變

12、支承位置，增加或減少輔助支承，把激振源與零件隔離，采用阻尼等辦法。6）可靠性準則（1）可靠度 零件在規定的使用時間（壽命）內和預定的環境條件下，能正常完成其功能的概率。（2）表達式 總零件數，一段時間后仍能正常工作的零件，一段時間后失效的零件（3）系統 五、機械零件設計的一般步驟1、選擇類型 根據使用要求2、計算載荷 根據工作要求3、選擇材料 根據工作條件及對零件的特殊要求，如飛機、坦克4、基本尺寸 根據失效形式，確定設計準則，計算出零件的基本尺寸5、結構設計 根據工藝性及標準化等原則6、校核計算 7、畫工作圖 標出形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及技術條件8、編說明書 寫設計計算說明書以備查下

13、面以齒輪設計為例，簡要說明1）根據使用要求選直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪2）計算該齒輪的載荷3）選材及相應的熱處理，如40、45、40Cr、調質、滲碳后淬火4）確定齒輪的基本尺寸5）結構設計，如整體式、齒輪軸式、腹板式、輪輻式等6）校核，判斷結構的合理性7）畫齒輪工作圖8）寫說明書六、機械零件的標準化(1)標準件：按規定標準生產的零件稱為標準件。(2)通用化：在系列產品內部或在跨系列產品之間采用同一結構和尺寸的零部件。(3)系列化：對同一類產品，在同一基本結構或基本尺寸條件下，規定出若干種不同尺寸參數的產品，形成系列。 1、標準化的意義1）集中加工，降低成本2）統一零件和材料的性能指標，使其能夠比

14、較，并提高零件的可靠性3）簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量4）互換性好，便于維護5）有利于產品走向國際第三節 機械工程常用材料及選用原則一、材料 鋼：含碳量越高，強度就越高，但塑性越低鑄鐵：脆性、良好的鑄造性、抗拉強度及塑性和韌性較差有色金屬及其合金：軸承合金（銅合金）；質量輕、強度高（鋁合金）非金屬材料：工程塑料、橡膠復合材料：高強度和彈性模量，質量小等優點及耐熱性、導電性差等缺點 （戰斗機、直升機、人造衛星，高爾夫球桿網球拍）二、材料選用原則1、使用要求1）、載荷的大小、性質、應力的大小、性質及其分布狀況a、從強度方面來考慮，應在充分了解材料的機械性能的基礎上進行選擇。脆性材料只能

15、在靜載荷下工作，沖擊載荷下最好用塑性材料b、可通過熱處理改變金屬材料的性能。如熱處理提高塑性，降低強度和硬度。2）、零件的工作情況（環境特點、工作溫度、摩擦磨損）a、濕熱環境下用防銹和耐腐蝕材料，如不銹鋼。b、工作溫度互相配合的兩零件，其材料的線膨脹系數不能相差過大。材料的機械性能隨溫度而改變的情況。c、工作中發生摩擦磨損處，要提高硬度，以增強耐磨性。3）、零件的尺寸及質量鑄件不受尺寸和質量所限，鍛件毛坯時，必須注意鍛壓機械及設備的生產能力，盡可能選用強重比大的材料，以減小零件的尺寸及質量。4）、零件結構的重要程度綜合力學性能好的材料2、制造工藝要求結構簡單用鍛件，結構復雜用鑄件或用板材沖壓出

16、元件后再焊接。（鍛件的工藝性是指材料的延展性、熱脆性、及冷態和熱態下塑性變形的能力等。鑄件的工藝性是指材料的液態流動性、收縮率、偏析程度及產生縮孔的傾向性等。焊件的工藝性是指材料的焊接性及焊縫產生裂紋的傾向性等。材料的熱處理工藝性是指可淬性、淬火變形傾向性及熱處理介質對它的滲透能力。冷加工工藝性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能達到的表面粗糙度。）3、材料的經濟性1）、材料本身的相對價格2）、材料的加工費用3）、材料的利用率4）、采用組合結構5）、節約稀有金屬（用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦）4、材料的供應狀況三、金屬材料的熱處理1、分類：整體熱處理 表面熱處理2、目的：改變其整體

17、或表面的物理、力學性能，發揮其使用潛力。例如，合金鋼如不經熱處理，其力學性能并不明顯優于碳素鋼。為充分發揮合金鋼的作用，合金鋼零件一般都需經過熱處理。常用整體熱處理有：退火：加熱到臨界溫度以上30-50OC，保溫一段時間，然后冷卻。正火：加熱到臨界溫度以上30-50OC，保溫一段時間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火快。淬火：加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后在水、鹽水或者油中快速冷卻。回火：將淬火后的鋼件再加熱到臨界以下的溫度，保溫一定時間，在空氣、油或水中冷卻。調質：淬火后再進行高溫回火。時效：將鋼件加熱到120-130OC以下，長時期保溫，隨爐或在空氣中冷卻。鋼的表面熱處理和化學熱處

18、理：火焰表面淬火、感應加熱表面淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等四、金屬零件的表面處理1、目的：表面處理是使金屬表面纏產生一層覆蓋層，以達到防腐、改善性能及裝飾的作用。2、分類：電鍍、化學處理和涂漆。（1）電鍍。電鍍是應用電解原理在某些金屬（或非金屬）表面鍍上一層其他金屬或合金的過程。 1)鍍鉻。適用于鋼件、銅或銅合金件。2)鍍鎳。適用于鋼、銅及銅合金、鋁合金件。 （2）化學處理。金屬零件表面的化學處理主要有氧化和磷化。 1)黑色金屬的氧化與磷化2)鋁及鋁合金的陽極氧化3)銅及銅合金的氧化。 （3）涂漆第四節 機械零件的強度一、載荷和應力的分類（一）載荷的分類1、載荷 作用在機器零件上的力、力矩的統

19、稱靜載荷（大小、方向不變） 變載荷（大小、方向變） 隨機變載荷（無規律） 循環變載荷（有規律） 一般循環變載荷 對稱循環變載荷脈動循環變載荷載荷與時間關系應用計算場合 工作載荷 機器正常工作時在某段時間、某種工況下實際載荷 名義載荷 原動機標牌功率或由此計算出的力或轉矩計算載荷 考慮實際條件下產生的附加載荷后的全部載荷2、載荷分類（二）應力的分類靜應力（大小、方向不變）變應力（變）一般循環變應力對稱循環變應力脈動循環變應力1、分類2、變應力的主要參數、二、機械零件的疲勞強度（一）、靜應力下機械零件的強度計算危險截面處的最大應力（）是否小于許用應力（、）強度條件為式中 分別極限正應力和切應力，對

20、塑性材料為屈服極限（ ），對脆性材料為強度極限（ ）（二）、變應力下機械零件的強度計算強度靜應力強度 (應力變化次數小于103)變應力強度 1、疲勞曲線1）、疲勞極限 在循環特性r下的變應力，經過N次循環后，材料不發生破壞的應力最大值。 用或表示A B lg0.25 4 lgNB lgN lg lg 低周循環 高周循環有限壽命區 無限壽命區 2）、疲勞曲線 用來表示循環次數N與疲勞極限間的關系曲線（N或N） 1）無限壽命區（NNB） 特點 疲勞曲線為水平線，對應于NB時材料的極限應力為疲勞極限在對稱循環變應力或脈動循環變應力時，只要工作應力小于或等于或 ，壽命為無限長2）有限壽命區（103&l

21、t;N<NB）特點 工作應力小于等于某一疲勞極限時，N值是確定的。3）低周循環或疲勞（N<104）如一次性使用的火箭發動機的某些零件、導彈殼體等，在整個使用壽命期間應力變化次數只有幾百到幾千次4）高周循環或疲勞（N>104）A NA B NB N 5）疲勞曲線方程對于有限壽命內的AB段，有無限壽命疲勞曲線在B點后為水平線由于NB有時很大（25×107或更大），所以人們在做疲勞試驗時，常規定一個循環次數N0 ，稱為循環基數。若已知N0和疲勞極限，則N次循環時的疲勞極限為壽命系數注意：（1）材料不同，性質不同，N0 值也不同，如鋼的硬度越高，N0 越大（2）N值過大時，

22、取法不同，如NB=5×107、 N=6×107則N=NB=5×107（3）指數m隨材料不同，受力形式不同而不同（4）不同r時的疲勞曲線不同，但相似。r越大越大lgN lg r=0 r=-1 （5）延性（塑性）金屬與脆性金屬疲勞曲線比較N 延性金屬 脆性金屬 N （a）公式一樣，同為雙曲線；（b）延性金屬有轉折點，脆性金屬無；（c）對脆性金屬，當N>NB時，均以N實際值代入。（三）影響零件疲勞強度的因素由于零件尺寸及幾何形狀變化、加工質量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。三、機械零件的表面接觸疲勞強度共形面（處處貼合）異形曲面 點

23、接觸線接觸 彈性力學 赫茲應力公式接觸形式 注意1、接觸線連續改變位置時，對于零件上任意點處的接觸應力只能在0到之間改變。接觸應力是一個脈動循環變應力，極限應力也是一個脈動循環的極限接觸應力。2、外接觸產生的接觸面積小，而變形量大，所以接觸應力大（點、線接觸通用）3、內接觸產生的接觸面積大，而變形量小，所以接觸應力小（點、線接觸通用）4、當外接觸改為內接觸時，接觸應力降低，接觸強度提高。第五節 機械零件的結構工藝性1.機械零件的結構工藝性：指所設計的零、部件在保證產品使用性能的前提下，能用生產率高、勞動量小、生產成本低的方法制造出來。 零件的結構工藝性，反映在毛坯制備過程、熱處理過程、切削加工

24、過程和裝配過程中。 2.零件加工工藝對零件的設計要求1）鑄造（1）應使造型方便，砂箱和型芯盡量少，具有必要的起模斜度等； （2）壁厚變化及布置應避免出現縮孔，避免局部金屬堆積； （3）應考慮零件在機床上切削加工時有必要的基準面，注意澆鑄過程中不應造成激冷過硬的被切削加工面。 2）鍛造（1）能使金屬流動并充滿鍛模的壁腔，具有必要的起模斜度等。 3) 熱處理（1）避免銳邊和尖角，采用的過渡圓角應盡可能大；（2）盡量使零件截面均勻;（3）提高零件結構的剛性，必要時可增添加強肋;（4）零件幾何形狀力求簡單、對稱；（5）形狀特別復雜或者不同部位有不同性能要求時，可改成組合結構。 第六節 摩擦、磨損及潤滑

25、摩擦（運動、運動趨勢）導致能量損耗（30%），表面物質的喪失和遷移一、摩擦1摩擦分類內摩擦外摩擦靜摩擦動摩擦 滾動摩擦 滑動摩擦邊界摩擦干摩擦 流體摩擦混合摩擦2、摩擦狀態分類標準（邊界摩擦）=1-3(混合摩擦)>3(流體摩擦) 油膜厚度比兩滑動粗糙表面間的最小公稱油膜厚度（m）表面輪廓算術平均偏差（m）表面輪廓算術平均偏差（m）二、磨損1、磨損的原因：摩擦導致材料逐漸喪失或遷移2、磨損的利用：磨削及拋光、機器的“磨合”過程，地板的打磨3、磨損過程：磨合階段、穩定磨損階段、劇烈磨損階段磨損量時間磨合穩定磨損劇烈磨損O磨合期載荷不應過大，縮短磨合期，延長穩定磨損期，推遲劇烈磨損期4、減輕磨

26、損的方法1）、選用潤滑劑和潤滑方法2）、合理選擇材料3）、合理選擇熱處理4）、降低粗糙度5）、滾動代滑動6）、正確結構設計（受力均勻、密封）7）、正確使用、科學維護和管理三、潤滑潤滑劑半固體（各種脂）氣體（空氣用于氣體軸承中）液體固體（石墨、MoS2） 1、潤滑劑的作用 降低摩擦，減輕磨損，保護零件不遭銹蝕，散熱降溫、緩沖吸振、密封等。2、分類（一）潤滑油1、粘度 潤滑油抵抗變形的能力，標志著液體內部產生相對運動時內摩擦阻力的大小（1）動力粘度 牛頓液體中，任意點處的切應力均與該處流體的速度梯度成正比，該比例系數為此液體的動力粘度。液體單位面積上的剪切阻力，即切應力；液體沿垂直于運動方向的速度

27、梯度；比例常數，即液體的動力粘度；“”號表示隨y的增大而減小。 移動件 x y 0 靜止件P（泊） 絕對單位制 Pa·s（帕·秒）國際單位制1P=0.1Pa·s=100cP單位 （2）運動粘度 動力粘度與同溫度下該液體的密度的比值St（斯） 絕對單位制 m2/s 國際單位制1St=1cm2/s=100 cSt=10-4 m2/s 單位 （3）條件粘度（相對粘度）： 在一定溫度下，200cm3的油樣流過直徑2.8mm小孔所需時間，與同體積200C的蒸餾水流過該孔所需時間的比值。單位 恩氏度0Et（4）運動粘度與條件粘度的換算0Et- （cSt）0Et當1.35< 0Et<3.2時，0Et- （cSt）0Et當3.2< 0Et時，0Et （cSt）當16.2< 0Et時， 注：指平均溫度t時的運動粘度（5）粘度與溫度和壓力的關系a、 粘度指數越大，粘度隨溫度變化越小，即粘溫性能越好；b、 溫度升高，粘度下降；c、 壓力增大，粘度增大。2、油性（潤滑性） 潤滑油在金屬表面上形成吸附油膜的性能