机械设计基础总论课件

PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT机械设计基础总论机械设计基础总论2024/6/28机械设计基础总论机械设计基础总论2023/7/30机械设计基础总论1PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第一节第一节 机械设计基础机械设计基础研究的对象和内容研究的对象和内容 1 1 1 11 1 1 1本课程的研究对象本课程的研究对象本课程的研究对象本课程的研究对象 研究的内容是有关机械的一些研究的内容是有关机械的一些研究的内容是有关机械的一些研究的内容是有关机械的一些基本理论基本理论基本理论基本理论和和和和设计方法设计方法设计方法设计方法问问问问题。从总体上来看，内容上包含有机械原理和机械设题。从总体上来看，内容上包含有机械原理和机械设题。从总体上来看，内容上包含有机械原理和机械设题。从总体上来看，内容上包含有机械原理和机械设计两个部分，对这两个部分进行整合就成为我们的这计两个部分，对这两个部分进行整合就成为我们的这计两个部分，对这两个部分进行整合就成为我们的这计两个部分，对这两个部分进行整合就成为我们的这一门课程机械设计基础。然而什么是一门课程机械设计基础。然而什么是一门课程机械设计基础。然而什么是一门课程机械设计基础。然而什么是“机械机械机械机械”呢呢呢呢？本课程研究的有关机械的基本理论又包括哪些具体？本课程研究的有关机械的基本理论又包括哪些具体？本课程研究的有关机械的基本理论又包括哪些具体？本课程研究的有关机械的基本理论又包括哪些具体内容呢？在这里我们首先要熟悉本课程的几个基本名内容呢？在这里我们首先要熟悉本课程的几个基本名内容呢？在这里我们首先要熟悉本课程的几个基本名内容呢？在这里我们首先要熟悉本课程的几个基本名词和概念。词和概念。词和概念。词和概念。机械设计基础总论2第一节 机械设计基础研究的对象和内容11本课程的研究对象PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTa.a.机械机械：机械是机器与机构的总称；机械是机器与机构的总称；机械是机器与机构的总称；机械是机器与机构的总称；也就是不讨论是也就是不讨论是也就是不讨论是也就是不讨论是否能完成能量的转换，我们用机械作为一个总称。否能完成能量的转换，我们用机械作为一个总称。否能完成能量的转换，我们用机械作为一个总称。否能完成能量的转换，我们用机械作为一个总称。b.b.机器：机器：机器是具有确定运动的构件的组合体，它用机器是具有确定运动的构件的组合体，它用机器是具有确定运动的构件的组合体，它用机器是具有确定运动的构件的组合体，它用来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和减轻人的体力和脑力劳动。减轻人的体力和脑力劳动。减轻人的体力和脑力劳动。减轻人的体力和脑力劳动。c.c.机构：机构：机构是实现传递机械运动和动力或改机构是实现传递机械运动和动力或改变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。机械设计基础总论3a.机械：机械是机器与机构的总称；也就是不讨论是否能完成能量PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一部机器可能包含多种类型的机一部机器可能包含多种类型的机构，也可能只包含一种机构。构，也可能只包含一种机构。凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构连杆机构连杆机构机械设计基础总论4一部机器可能包含多种类型的机构，也可能只包含一种机构。凸轮机PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT机器的种类很多，机器的种类很多，根据其用途不同，根据其用途不同，可以分为可以分为：动力机器（如电动机、内：动力机器（如电动机、内燃机、发电机等）、加工机器（如机燃机、发电机等）、加工机器（如机床、纺织机、包装机等）、运输机器床、纺织机、包装机等）、运输机器（如汽车、拖拉机、输送机等）和信（如汽车、拖拉机、输送机等）和信息处理机器（如计算机、机械积分仪、息处理机器（如计算机、机械积分仪、记帐机等）。记帐机等）。机械设计基础总论5机器的种类很多，根据其用途不同，可以分为：动力机器（如电动机PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一部机器都是由若干个机构组合而成，一部机器都是由若干个机构组合而成，共同联合工作而实现预定的工作要求共同联合工作而实现预定的工作要求的，如图的，如图1-1所示的牛头刨床。所示的牛头刨床。牛头刨床的牛头刨床的工作过程是：电工作过程是：电动机通电后开始动机通电后开始工作，带动齿轮工作，带动齿轮机构、导杆机构、机构、导杆机构、刀具运动以及工刀具运动以及工作台运动，最终作台运动，最终实现工件的刨削实现工件的刨削工作。工作。图图1-1机械设计基础总论6一部机器都是由若干个机构组合而成，共同联合工作而实现预定的工PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT牛头刨床牛头刨床牛头刨床牛头刨床机械设计基础总论7牛头刨床机械设计基础总论7PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT又如图所示又如图所示又如图所示又如图所示1 1 1 12 2 2 2所示的内所示的内所示的内所示的内燃机，燃机，燃机，燃机，它由气缸体（机架）它由气缸体（机架）它由气缸体（机架）它由气缸体（机架）、曲轴、连杆、活塞、进、曲轴、连杆、活塞、进、曲轴、连杆、活塞、进、曲轴、连杆、活塞、进气阀、排气阀、推杆、凸气阀、排气阀、推杆、凸气阀、排气阀、推杆、凸气阀、排气阀、推杆、凸轮及齿轮等所组成。当燃轮及齿轮等所组成。当燃轮及齿轮等所组成。当燃轮及齿轮等所组成。当燃气推动活塞作往复运动时，气推动活塞作往复运动时，气推动活塞作往复运动时，气推动活塞作往复运动时，通过连杆使曲轴作连续转通过连杆使曲轴作连续转通过连杆使曲轴作连续转通过连杆使曲轴作连续转动，从而将燃气的热能转动，从而将燃气的热能转动，从而将燃气的热能转动，从而将燃气的热能转换成曲轴的机械能。为了换成曲轴的机械能。为了换成曲轴的机械能。为了换成曲轴的机械能。为了保证曲轴的连续转动，通保证曲轴的连续转动，通保证曲轴的连续转动，通保证曲轴的连续转动，通过齿轮、凸轮、推杆和弹过齿轮、凸轮、推杆和弹过齿轮、凸轮、推杆和弹过齿轮、凸轮、推杆和弹簧等的作用，按一定的运簧等的作用，按一定的运簧等的作用，按一定的运簧等的作用，按一定的运动规律启闭阀门，以输入动规律启闭阀门，以输入动规律启闭阀门，以输入动规律启闭阀门，以输入燃气和排除废气。燃气和排除废气。燃气和排除废气。燃气和排除废气。图图12内燃机内燃机机械设计基础总论8又如图所示12所示的内燃机，它由气缸体（机架）、曲轴、连杆PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT机械设计基础总论9机械设计基础总论9PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 通过对该机构分析，我通过对该机构分析，我们可以发现它主要们可以发现它主要有三种机有三种机构组成：构组成：1）由机架、曲轴、）由机架、曲轴、连杆和活塞组成的曲柄滑块连杆和活塞组成的曲柄滑块机构，它将活塞的往复运动机构，它将活塞的往复运动转化为曲轴的连续运动；转化为曲轴的连续运动；2）由机架、凸轮和推杆构）由机架、凸轮和推杆构成的凸轮机构，它将凸轮的成的凸轮机构，它将凸轮的连续转动转变为推杆的往复连续转动转变为推杆的往复运动；运动；凸轮机构凸轮机构 机械设计基础总论10 通过对该机构分析，我们可以发现它主要有三种机PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT3）由机架、齿轮构成的齿轮机构，其作用）由机架、齿轮构成的齿轮机构，其作用是改变转速的大小和方向。是改变转速的大小和方向。机械设计基础总论113）由机架、齿轮构成的齿轮机构，其作用是改变转速的大小和方向PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 从大的方面看，机器由三个部分所从大的方面看，机器由三个部分所组成，即组成，即原动部分、传动部分和执行部分原动部分、传动部分和执行部分。伴随着科技的发展，一个重要的趋势就是伴随着科技的发展，一个重要的趋势就是各个学科领域之间的相互渗透和融合。如各个学科领域之间的相互渗透和融合。如今在机械工程领域，自动控制、电子技术今在机械工程领域，自动控制、电子技术和计算机技术等的应用日益广泛和深入，和计算机技术等的应用日益广泛和深入，因此从某种意义上来说：现代的机械系统因此从某种意义上来说：现代的机械系统应该是机电一体化的系统。一个现代化的应该是机电一体化的系统。一个现代化的机械系统包括四个方面，即：机械系统包括四个方面，即：原动机、传原动机、传动装置、执行机构和控制系统动装置、执行机构和控制系统。机械设计基础总论12 从大的方面看，机器由三个部分所组成，即原动部分PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT洗洗衣衣机机组组成成部部分分 机械设计基础总论13洗洗衣衣机机组组成成部部分分 机械设计基础总论13PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 原动机的功能原动机的功能是用来接受外部能源，通是用来接受外部能源，通过转换而自由运行（转），为机械系统提过转换而自由运行（转），为机械系统提供动力输入（多数情况下是旋转运动），供动力输入（多数情况下是旋转运动），例如电动机将电能转换为机械能、发电机例如电动机将电能转换为机械能、发电机将机械能转换为电能、内燃机将化学能转将机械能转换为电能、内燃机将化学能转换为机械能等等。换为机械能等等。传动部分传动部分由原动机驱动，由原动机驱动，用于将运动机的运动形式、运动及动力参用于将运动机的运动形式、运动及动力参数（如速度、转矩等）进行变换，改变为数（如速度、转矩等）进行变换，改变为执行部分所需的运转形式，从而使执行部执行部分所需的运转形式，从而使执行部分实现预期的生产职能。分实现预期的生产职能。机械设计基础总论14 原动机的功能是用来接受外部能源，通过转换而自由运PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 虽虽然然机机器器的的种种类类很很多多，在在我我们们的的生生活活中中普普遍遍存存在在、发发挥挥着着各各不不相相同同的的作作用用，这这些些机机器器的的具具体体构构造造也也各各不不相相同同，但但从从机机械械的的组组成成分分析析，又又有有共共同同点点，它它们们都都是是由由一一些些典典型型的的零零件件和和机机构构所所组组成成。所有这些机器都具有所有这些机器都具有三个共同的基本特征三个共同的基本特征：1 1 1 1机机机机器器器器都都都都是是是是由由由由一一一一系系系系列列列列构构构构件件件件（也也也也称称称称运运运运动动动动单单单单元元元元体体体体）组组组组成；成；成；成；2 2 2 2组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；组成机器的各构件之间都具有确定的相对运动；3 3 3 3机器均能转换机械能或完成有用的机械功；机器均能转换机械能或完成有用的机械功；机器均能转换机械能或完成有用的机械功；机器均能转换机械能或完成有用的机械功；机械设计基础总论15 虽然机器的种类很多，在我们的生活中普遍存在、发挥着各不PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 机机器器的的种种类类繁繁多多，其其构构造造、性性能能和和用用途途各各不不相相同同,但但从从机机器器的的组组成成分分析析，它它们们都都是是由由一一些些典典型型的的机机构构和和零零件件所所组组成成.机机构构是是实实现现传传递递机机械械运运动动和和动动力力或或改改变变机机械械运运动动形形式式的的构构件件组组合合体体。例例如如我我们们在在工工程程上上或或生生活活中中常常见见的的齿齿轮轮机机构构、连连杆杆机机构构、凸凸轮轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等等。机构虽然有许多种类，用途各有不同，但机构虽然有许多种类，用途各有不同，但它们它们都有与机器前两个特征相同的特征都有与机器前两个特征相同的特征。由上述分析可。由上述分析可知，机构是机器的重要组成部分，用以实现机器的知，机构是机器的重要组成部分，用以实现机器的动作要求。一部机器可能只包含有一个机构，也可动作要求。一部机器可能只包含有一个机构，也可由若干个机构所组成。由若干个机构所组成。机械设计基础总论16 机器的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同,但从机器PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 机器与机构的根本区别在于机器与机构的根本区别在于，机构的主要职能，机构的主要职能是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械功。组成机器的相对运动的单元体称为构件，可功。组成机器的相对运动的单元体称为构件，可以是一个零件，也可以是由几个零件组成的刚性以是一个零件，也可以是由几个零件组成的刚性结构。结构。构件与零件的根本区别在于：构件与零件的根本区别在于：构件是运动构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。的单元体，而零件是制造的单元体。这些自由分散的零件，一旦按照一定的方式这些自由分散的零件，一旦按照一定的方式和规则组合到一部机器中，它们就成为机器上不和规则组合到一部机器中，它们就成为机器上不可或缺的一部分，发挥着各自的作用。特别是一可或缺的一部分，发挥着各自的作用。特别是一些关键零部件，决定着整个机器的性能。些关键零部件，决定着整个机器的性能。机械设计基础总论17 机器与机构的根本区别在于，机构的主要职能是传递运动和动力，PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 在各种机械中普遍使用的零件称为在各种机械中普遍使用的零件称为通用通用零件零件，如螺钉、轴、轴承、齿轮等。只在某，如螺钉、轴、轴承、齿轮等。只在某种机器中使用的零件称为种机器中使用的零件称为专用零件专用零件，如活塞、，如活塞、曲轴、叶片等。曲轴、叶片等。机械设计基础总论18 在各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如螺钉PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1.2本课程的研究内容本课程的研究内容 本课程主要阐述机械设中的常用机构和通用本课程主要阐述机械设中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，同时扼要地介绍与本课程有关的和计算方法，同时扼要地介绍与本课程有关的国家标准和规范。国家标准和规范。虽然我们的学习是分散进行，而且只能选虽然我们的学习是分散进行，而且只能选择极少数典型例子来学习，但不能把它们看作择极少数典型例子来学习，但不能把它们看作是分散孤立的，要牢记它们都是为机器整体的是分散孤立的，要牢记它们都是为机器整体的要求服务的，要能够透过典型看到一般，透过要求服务的，要能够透过典型看到一般，透过分散想到整体的要求，牢固树立工程的观点。分散想到整体的要求，牢固树立工程的观点。机械设计基础总论191.2本课程的研究内容 本课程主要阐述机械设中的常用机构PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1.3本课程的研究任务本课程的研究任务 机械设计基础是一门机械类及近或非机械机械设计基础是一门机械类及近或非机械类专业（例如我们的食品专业）进入专业课学类专业（例如我们的食品专业）进入专业课学习前必修的一门重要的技术基础课，研究各类习前必修的一门重要的技术基础课，研究各类机械共同特性的基础知识，目的是培养学生具机械共同特性的基础知识，目的是培养学生具有一定设计能力的技术基础课程。它主要是在有一定设计能力的技术基础课程。它主要是在我们学习过高等数学、普通物理、工程力学、我们学习过高等数学、普通物理、工程力学、工程制图和机械工程材料等理论基础课之后，工程制图和机械工程材料等理论基础课之后，将理论和实际机械相结合来探讨将理论和实际机械相结合来探讨机械内部基本机械内部基本规律规律的基础性理论课程。的基础性理论课程。机械设计基础总论201.3本课程的研究任务 机械设计基础是一门机械类PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 随着科学技术的进步和生产过程的机随着科学技术的进步和生产过程的机械化、自动化水平的提高，任何一个行业械化、自动化水平的提高，任何一个行业领域都在广泛的使用机械。对于工程技术领域都在广泛的使用机械。对于工程技术人员来说，必将人员来说，必将遇到机械设备的使用、维遇到机械设备的使用、维护、管理等护、管理等问题，需要创造出大量结构新问题，需要创造出大量结构新颖、性能优良的颖、性能优良的新型机械设备新型机械设备充实和装备充实和装备各行业；需要各行业；需要更新改造更新改造现有机械设备，以现有机械设备，以期合理地使用，发挥其潜力。这就要求我期合理地使用，发挥其潜力。这就要求我们必须了解和具备一定的机械方面的知识。们必须了解和具备一定的机械方面的知识。机械设计基础总论21 随着科学技术的进步和生产过程的机械化、自动化PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 本课程所学内容是本课程所学内容是研究现有研究现有机械运动、工作性能和设计、发机械运动、工作性能和设计、发明新机械的知识基础明新机械的知识基础。它对机械。它对机械类及近或非机械类各专业的专业类及近或非机械类各专业的专业课学习、毕业设计乃至将来参加课学习、毕业设计乃至将来参加实际工作都有直接的和长远的意实际工作都有直接的和长远的意义，起着非常重要的作用。义，起着非常重要的作用。机械设计基础总论22 本课程所学内容是研究现有机械运动、工作性能和设PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT通过本课程的学习，应达到的基本要求是：通过本课程的学习，应达到的基本要求是：1）掌握）掌握机构的结构原理机构的结构原理、运动特性和机械、运动特性和机械动力学的知识，初步具备确定机械运动方动力学的知识，初步具备确定机械运动方案、分析和设计基本机构的能力；案、分析和设计基本机构的能力；2）掌握）掌握通用机械零件的工作原理通用机械零件的工作原理、特点、特点、选用和设计计算的基本知识，具备设计一选用和设计计算的基本知识，具备设计一般简单机械的能力；般简单机械的能力；3）具备）具备运用标准、规范、手册、图册运用标准、规范、手册、图册等有等有关技术资料的能力。关技术资料的能力。机械设计基础总论23通过本课程的学习，应达到的基本要求是：机械设计基础总论23PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 本课程涉及的知识面较广同时又偏本课程涉及的知识面较广同时又偏重于应用，所以需要我们能够综合应用重于应用，所以需要我们能够综合应用许多先修课程的知识，学习时重视理论许多先修课程的知识，学习时重视理论联系实际，重视基本技能的训练，注意联系实际，重视基本技能的训练，注意分析问题和解决问题的方法。分析问题和解决问题的方法。一方面要一方面要着重搞清基本概念，理解基本原理，掌着重搞清基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和设计的基本方法；另一方握机构分析和设计的基本方法；另一方面也要要注意这些原理和方法在机械工面也要要注意这些原理和方法在机械工程上实际应用的范围和条件。程上实际应用的范围和条件。机械设计基础总论24 本课程涉及的知识面较广同时又偏重于应用，所以需PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT具体而言就是：具体而言就是：1）强化搞清基本概念：本课程的特点之一就是名词概念多，我们要牢记这些基本概念不仅仅是简单的名词定义，它对课程的学习、认识、理解有着非常重要的作用，有时就是直接利用基本概念来分析、解决问题，以及进行机构的分析和设计。因此，对所涉及到的基本概念不能死记硬背，要结合图形进行理解记忆，必须重点搞清其含义和指导意义。机械设计基础总论25具体而言就是：机械设计基础总论25PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 2）深化理解基本原理：对课程中涉及到的机构结构理论、机构分析的运动学和动力学理论、齿轮啮合、加工及其传动理论、机械速度波动及调节原理、机械平衡理论等，要充分理解搞懂，要能够正确应用这些理论。并要善于用理论及其公式证明问题和解决问题，使之更有说服力。3）牢牢掌握基本研究方法：课程中各种基本设计方法，以及机构组合、变异、演化方法等是本门课程使用的基本研究方法，应牢牢掌握并善于用其解决工程实际问题。机械设计基础总论26 2）深化理解基本原理：对课程中涉及到的机构结构理论PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 4）逐步树立工程观点：机械设计基础是一门理论性和实践性都比较强的技术基础课，研究对象和内容就是工程实际上常用的机械及其相关知识，学习过程中应把基本原理和方法与研究的实际机构和机器密切联系起来。善于用所学的知识观察和分析所遇到的各种机构和机器。在附加一定条件下，可将一些比较复杂的问题转化为比较简单的问题，注意各种理论和方法的应用条件和范围，正确而灵活的运用。机械设计基础总论27 4）逐步树立工程观点：机械设计基础是一门理论性和PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 同时要注意，在实际工作中，有些需要严格的理论分析，有些则采用实验、试凑、近似等简化方法，解决工程实际问题可以有几种方法，其所得结果也往往不唯一，有时也不要求十分精确。因此，树立工程观点，培养综合分析、判断、决策能力，和严肃认真的科学态度是十分重要的，对所有这些方法都要给予足够的重视。机械设计基础总论28 同时要注意，在实际工作中，有些需要严格的理论分PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1.4 机械设计发展简介机械设计发展简介 机械设计的历史可以追溯到人类开始制造和机械设计的历史可以追溯到人类开始制造和使用工具的初期；在经历了直觉设计、经验设使用工具的初期；在经历了直觉设计、经验设计、半经验半理论设计的漫长演变历程后，到计、半经验半理论设计的漫长演变历程后，到20世纪世纪70年代随着计算机科学与技术地迅猛发年代随着计算机科学与技术地迅猛发展，利用计算机来完成技术设计的有关分析、展，利用计算机来完成技术设计的有关分析、计算和绘图作业的计算机辅助设计（计算和绘图作业的计算机辅助设计（CAD）逐）逐渐得到开发应用。而本课程的学习正是开发和渐得到开发应用。而本课程的学习正是开发和应用计算机应用计算机CAD软件所必须得重要知识之一。软件所必须得重要知识之一。机械设计基础总论291.4 机械设计发展简介 机械设计的历史可以追溯到PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 此外，有限元分析和机械优化设计则是机械CAD的两大支撑技术。在机械CAD发展的同时，人们不满足仅仅利用计算机来代替人工分析、计算和绘图，而试图在机械设计的全过程中发挥计算机的效能，于是出现了协助技术人员进行工艺设计的CAPP，以及将人工智能应用于方案设计、技术设计以及工艺设计的专家系统，以实现自动化、智能化；机械设计基础总论30 此外，有限元分析和机械优化设计则是机械CAD的PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 进而又提出将设计、制造及生产管理等应用计算机加以集成化的计算机制造系统（CIMS），现已获得初步成效。另一方面，工程设计方法学的研究也得到重视和长足的进展，如系统化设计、优化设计、人机工程以及可靠性设计等；近年来随着对知识经济的认识和对创造性的高度重视，机械创新设计已经称为一个重要研究方向。所以，在学习本课程的同时，应密切关注有关领域的发展动向和最新成果，才可能适应科学技术飞速发展和激烈的国际市场竞争。机械设计基础总论31 进而又提出将设计、制造及生产管理等应用计算机加PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第二节第二节 机械设计基本要求和一般程序机械设计基本要求和一般程序2.1 机械设计的重要性机械设计的重要性 从某种意义上说，机械设计水平的高低从某种意义上说，机械设计水平的高低可以说是衡量一个国家技术发展水平的尺度。可以说是衡量一个国家技术发展水平的尺度。90 90年代末，美国就提出了年代末，美国就提出了“为竞争的优为竞争的优势而设计势而设计”（Designing for Competitive Designing for Competitive Advantage)Advantage)的口号。也有人说的口号。也有人说“2121世纪将是世纪将是设计的世纪设计的世纪”。面向国际市场的竞争必须依。面向国际市场的竞争必须依靠产品创新设计技术，而人们手中最重要的靠产品创新设计技术，而人们手中最重要的武器就是武器就是“设计设计”。机械设计基础总论32第二节 机械设计基本要求和一般程序2.1 机械设计的重要性PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 20世纪后期所形成的全球经济一体化世纪后期所形成的全球经济一体化格局，预示着格局，预示着21世纪在世界范围内的经济世纪在世界范围内的经济和技术竞争将会更加激烈。对于包括机械和技术竞争将会更加激烈。对于包括机械制造在内的制造业来说，这种竞争就具体制造在内的制造业来说，这种竞争就具体体现在产品上，即体现在产品上，即要求：要求：产品上市快产品上市快（T）、质量高（）、质量高（Q）、成本低（）、成本低（C）、服）、服务好（），从而才能占领市场。而这些务好（），从而才能占领市场。而这些要求在很大程度上就取决于产品的设计质要求在很大程度上就取决于产品的设计质量和效率。量和效率。机械设计基础总论33 20世纪后期所形成的全球经PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 对于机械设计来说，就是适应市场的需对于机械设计来说，就是适应市场的需求，以最短的设计周期，拿出功能强、经济性求，以最短的设计周期，拿出功能强、经济性好、便于使用于维护的产品。机械设计在机器好、便于使用于维护的产品。机械设计在机器制造业起着十分重要的作用，往往机械产品的制造业起着十分重要的作用，往往机械产品的技术经济性能和竞争力就在于设计质量的好坏。技术经济性能和竞争力就在于设计质量的好坏。据统计分析据统计分析，虽然机械产品成本中的约，虽然机械产品成本中的约80是是制造费用，设计成本只占制造费用，设计成本只占5左右，而就是这左右，而就是这5的设计活动决定着的设计活动决定着7080的产品成本。而的产品成本。而机械制造业是一个国家自立于世界的标志，是机械制造业是一个国家自立于世界的标志，是国家财政收入的主要创造者，其产值占到国民国家财政收入的主要创造者，其产值占到国民产值得产值得80%左右。左右。机械设计基础总论34 对于机械设计来说，就是适应市场的需求，以最PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2.2 机械设计一般过程机械设计一般过程 机械设计过程一般包括四个机械设计过程一般包括四个阶段，即：阶段，即：1）明确任务阶段；）明确任务阶段；2）方案设计阶段；）方案设计阶段；3）技术设计）技术设计阶段；阶段；4）施工设计阶段。）施工设计阶段。机械设计基础总论352.2 机械设计一般过程 机械设计过程一般包括PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1）明确任务阶段）明确任务阶段 在实际工作中，我们知道有在实际工作中，我们知道有各种各样的、用途各不相同的机各种各样的、用途各不相同的机器。但是，所有这些机器的设计器。但是，所有这些机器的设计过程都有一个共同的特点，即都过程都有一个共同的特点，即都是从提出设计任务开始的。而设是从提出设计任务开始的。而设计任务的提出主要是依据工作和计任务的提出主要是依据工作和生产的需要。生产的需要。机械设计基础总论361）明确任务阶段机械设计基础总论36PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 设计任务一般是以任务书的形式下达设计任务一般是以任务书的形式下达的，的，其中明确规定有：其中明确规定有：机器的用途、主要机器的用途、主要性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、性能参数范围、工作环境条件、特殊要求、生产批量、预期成本、完成期限、承制单生产批量、预期成本、完成期限、承制单位等内容。一般是由主管单位、用户提出。位等内容。一般是由主管单位、用户提出。任务书的要求决定了设计工作的内容、任务书的要求决定了设计工作的内容、质量和水平。例如，批量和用途直接决定质量和水平。例如，批量和用途直接决定加工手段、成本等内容，同时也必须考虑加工手段、成本等内容，同时也必须考虑承制单位的加工能力。承制单位的加工能力。机械设计基础总论37 设计任务一般是以任务书的形式下达的，其中明确规PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2）方案设计阶段）方案设计阶段 设计部门和设计人员首先要设计部门和设计人员首先要认真研究任务书，在全面明确上认真研究任务书，在全面明确上述要求后，在调查研究、分析资述要求后，在调查研究、分析资料的基础上，拟订设计计划，按料的基础上，拟订设计计划，按照下述的步骤进行设计：（照下述的步骤进行设计：（1）机）机器工作原理选择器工作原理选择;（2）机器的运）机器的运动设计动设计;（3）机器的动力设计。）机器的动力设计。机械设计基础总论382）方案设计阶段机械设计基础总论38PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（1）机器工作原理选择）机器工作原理选择工作原理是实现预期职能的基本依据。我们听说过“条条道路通罗马”的话，实现同样的预期职能，可以采用不同的工作原理、方法和途径。所以，在研制新机器时，应结合具体情况提出多种不同的工作原理，通过全面分析比较，从中选择最满意的一种。例如采煤，可以使用风镐，也可以使用高压水柱冲击煤层开采，也可以采用割煤机进行开采等。机械设计基础总论39（1）机器工作原理选择机械设计基础总论39PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（2）机器的运动设计）机器的运动设计 就是根据上一步确定的机器工作原理，确定机器执行部分的运动规律。例如牛头刨床，要求工作行程要慢、而返回行程要快。这一步主要依据我们前面所述的机械原理知识来完成。这里，必须同时考虑选择适当的原动机，妥善考虑和设计机械的传动部分实现方法，并考虑运动参数调整的必要性于可能性。机械设计基础总论40（2）机器的运动设计机械设计基础总论40PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（3）机器的动力设计）机器的动力设计 根据机器的工作原理和运动设计结果，按照机器的总体性能要求，根据其运动特性、工作阻力、速度、传动效率等，计算机器所需的驱动功率，进行运动机的选择。同时也要考虑调节于控制的必要性于可能性，也可以利用机械原理和电工学知识来完成。机械设计基础总论41（3）机器的动力设计机械设计基础总论41PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT3）技术设计阶段）技术设计阶段 主要是依据原动机的特性和运转特性或根据主要是依据原动机的特性和运转特性或根据零部件的工作载荷进行设计，在工作原理确定之零部件的工作载荷进行设计，在工作原理确定之后的工作，就是将前面选定的设计方案通过必要后的工作，就是将前面选定的设计方案通过必要的分析计算和结构设计，用图面（装配图、零件的分析计算和结构设计，用图面（装配图、零件图等）及技术文件的形式来加以具体表示。包括：图等）及技术文件的形式来加以具体表示。包括：运动设计、动力分析、整体布局、零件结构、材运动设计、动力分析、整体布局、零件结构、材料、尺寸、精度和其它参数的确定以及必要的强料、尺寸、精度和其它参数的确定以及必要的强度和刚度计算等。反映在实际工作的成果度和刚度计算等。反映在实际工作的成果图图纸上，大体可以分为纸上，大体可以分为四个步骤四个步骤：机械设计基础总论423）技术设计阶段机械设计基础总论42PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（一）总体设计阶段（一）总体设计阶段：根据工作原理绘制机器的机构运动简图，这是图纸设计的第一阶段。在这个阶段，要考虑各个机构主要零件的大体位置。同时，为了拟订机器的总体布置，需要分析比较各种可能的传动方案。（二）结构设计阶段：（二）结构设计阶段：考虑和决定各部分的相对位置和联接方法，零件的具体形状、尺寸、安装等一系列问题，把机构运动简图变成具体的装配图（或结构图），这是图纸设计的第二个阶段。机械设计基础总论43（一）总体设计阶段：根据工作原理绘制机器的机构运动简图，这是PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT（三）零件设计阶段：（三）零件设计阶段：装配图只确定了机器的总体尺寸、各个零部件的相对位置及配合关系，而没有反映出各个零件的全部尺寸、结构等。零件设计阶段就是把机器的所有零件（标准件除外）拆分出来，绘制成零件图，为加工提供依据。（四）技术文件制定：（四）技术文件制定：完成图纸之后，必须完成一系列的技术文件，应包括各种明细表、系统图、设计说明书和使用说明书等。机械设计基础总论44（三）零件设计阶段：装配图只确定了机器的总体尺寸、各个零部件PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT4）施工设计阶段（工艺设计）施工设计阶段（工艺设计）本阶段是将设计与制造联接起来本阶段是将设计与制造联接起来的重要环节，即规划零件的制造工艺的重要环节，即规划零件的制造工艺流程，确定工艺参数、检测手段、夹流程，确定工艺参数、检测手段、夹具、模具设计等工作。这些属于机制具、模具设计等工作。这些属于机制工艺学课程的内容。由于在很大程度工艺学课程的内容。由于在很大程度上取决于经验、依赖于实践经验，所上取决于经验、依赖于实践经验，所以计算机辅助工艺设计（以计算机辅助工艺设计（CAPP）未）未能像机械能像机械CAD一样获得突破性进展和一样获得突破性进展和广泛应用。广泛应用。机械设计基础总论454）施工设计阶段（工艺设计）机械设计基础总论45PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包括制造、装配、试车、生产等所有环节，对还包括制造、装配、试车、生产等所有环节，对图纸和技术文件进行完善和修改，直到定型投入图纸和技术文件进行完善和修改，直到定型投入正式生产的全过程。实际工作中，上述的几个阶正式生产的全过程。实际工作中，上述的几个阶段是交叉反复进行的。段是交叉反复进行的。随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三随着计算机辅助设计、计算机仿真技术、三维图形技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，维图形技术以及虚拟装配制造技术的迅速发展，机械设计方法有了极大的变革，借助这些技术我机械设计方法有了极大的变革，借助这些技术我们可以极大地降低设计和试制成本，提高产品的们可以极大地降低设计和试制成本，提高产品的竞争力。竞争力。机械设计基础总论46 一个完整的设计过程不但包含以上四个阶段，还包括制PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2.3 机械设计的基本要求机械设计的基本要求一）机器应该满足的基本要求一）机器应该满足的基本要求1 1使用性要求（实现预定的功能，满足运动和使用性要求（实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）（功能性要求）动力性能的要求）（功能性要求）机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照机器必须能够保证在预定寿命期间内，按照规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能规定的技术条件顺利而有效地实现全部预期职能的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。的要求，不能失效。它是设计的最基本的出发点。这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、这是依靠正确选择机器的工作原理、机构类型、机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构机械传动系统方案，以及正确设计零部件的机构组合来保证。组合来保证。机械设计基础总论472.3 机械设计的基本要求一）机器应该满足的基本要求机械设计PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2经济性要求经济性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用造和使用两个方面两个方面。提高设计制造的经济。提高设计制造的经济性的途径有三条：性的途径有三条：1）使产品系列化、标）使产品系列化、标准化、通用化；准化、通用化；2）运用现代化设计制造）运用现代化设计制造方法；方法；3）科学管理。）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；提高机械化、自动化水平；2）提高机械）提高机械效率；效率；3）延长使用寿命；）延长使用寿命；4）防止无意义）防止无意义的损耗。的损耗。机械设计基础总论482经济性要求机械设计基础总论48PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 3安全性要求安全性要求 有三个含义：有三个含义：1）设备本身不因过载、失电）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造）不会对环境造成破坏。成破坏。劳动保护性有三个方面：劳动保护性有三个方面：劳动保护性有三个方面：劳动保护性有三个方面：1 1）提高操作安全性，在）提高操作安全性，在）提高操作安全性，在）提高操作安全性，在外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立外露的旋转部件应添加安全罩，某些需要的地方需设立安全报警装置，例如煤气、锅炉等；安全报警装置，例如煤气、锅炉等；安全报警装置，例如煤气、锅炉等；安全报警装置，例如煤气、锅炉等；2 2）降低体力及脑）降低体力及脑）降低体力及脑）降低体力及脑力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面力损耗，从操作力、过程的复杂程度、操纵数目等方面进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如进行考虑；例如在具有集中润滑的大型设备中，采用如图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。图所示的联锁装置，以降低操作者的精神负担。3 3）改）改）改）改善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机善操作环境，增加操作的舒适性，例如乘座的振动、机器外观的色彩搭配等等。器外观的色彩搭配等等。器外观的色彩搭配等等。器外观的色彩搭配等等。机械设计基础总论49 3安全性要求机械设计基础总论49PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT4工艺性要求及标准化工艺性要求及标准化 这包含两个方面这包含两个方面 1）装配工艺性）装配工艺性2）零件加工工艺性。在不影响工作）零件加工工艺性。在不影响工作性能的前提下，应使机构尽可能地简性能的前提下，应使机构尽可能地简化，力求用简单的机构装置取代复杂化，力求用简单的机构装置取代复杂的装置去完成同样的职能，便于拆装，的装置去完成同样的职能，便于拆装，尽量使用标准件。零件的结构合理，尽量使用标准件。零件的结构合理，很好的处理设计与制造的矛盾，满足很好的处理设计与制造的矛盾，满足加工制造的需要。加工制造的需要。机械设计基础总论504工艺性要求及标准化机械设计基础总论50PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT5可靠性要求可靠性要求 随着机械系统日益复杂化、大型化、随着机械系统日益复杂化、大型化、自动化及集成化，要求机械系统在预定的自动化及集成化，要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。工作状态的性能，这就称为可靠性。6其它特殊要求其它特殊要求 针对某一具体的机器，都有一些特殊针对某一具体的机器，都有一些特殊的要求。例如：飞机结构重量要轻、食品的要求。例如：飞机结构重量要轻、食品等机械、纺织机械等不得对产品造成污染等机械、纺织机械等不得对产品造成污染等。等。机械设计基础总论515可靠性要求机械设计基础总论51PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT二）机械零件设计的基本准则及一般步骤二）机械零件设计的基本准则及一般步骤1、设计机械零件的基本要求、设计机械零件的基本要求 机械零件的设计，必须依据其在机械零件的设计，必须依据其在机器中的作用及工作情况，满足强度、机器中的作用及工作情况，满足强度、刚度、寿命、工艺性、可靠性以及某刚度、寿命、工艺性、可靠性以及某些特殊的要求的一部分或全部内容。些特殊的要求的一部分或全部内容。具体有以下几个方面：具体有以下几个方面：机械设计基础总论52二）机械零件设计的基本准则及一般步骤1、设计机械零件的基本要PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT1）在预定寿命期限内不失效）在预定寿命期限内不失效设计准则设计准则 机械零件应某种原因不能正常工作的现象机械零件应某种原因不能正常工作的现象称为称为失效失效。机械零件的主要失效形式有断裂、。机械零件的主要失效形式有断裂、表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳等）、过量表面破坏（腐蚀、磨损和接触疲劳等）、过量残余变形和正常工作条件的破坏。维避免这些残余变形和正常工作条件的破坏。维避免这些失效，设计中需要考虑以下几个问题。失效，设计中需要考虑以下几个问题。a.强度要求强度要求 零件在工作时，在额定的工作条件零件在工作时，在额定的工作条件下，既不发生任何形式的破坏，也不产生超过下，既不发生任何形式的破坏，也不产生超过容许限度的残余变形，能保证机器的正常运转容许限度的残余变形，能保证机器的正常运转和工作，我们就认为该零件满足了强度要求。和工作，我们就认为该零件满足了强度要求。强度不足是零件在工作中断裂或过量残余变形强度不足是零件在工作中断裂或过量残余变形的直接原因。的直接原因。机械设计基础总论531）在预定寿命期限内不失效设计准则 机械设计基础总论PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 零件的强度分为体积强度和表面接触强度。零件在载荷作用下，如果产生的应力在较大的体积内，则这种应力状态下的零件强度称为体积强度体积强度（简称强度，即平常我们所说的强度）。若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其表面产生很大的局部应力（称为接触应力），这时零件的强度称为表面接触强表面接触强度度（简称接触强度）。机械设计基础总论54 零件的强度分为体积强度和表面接触强度。零件在载PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 在设计中，除了部分受力较小或形状复杂无法计算的零件靠经验、实验确定外，大多数重要零件都是利用强度条件式来校核的（材料（材料力学中的相关强度理论）力学中的相关强度理论）。若零件的强度不够，就会出现整体断裂，表面接触疲劳或塑性变形等失效而丧失工作能力，所以设计零件时必须满足强度要求。其设计准则是：=机械设计基础总论55 在设计中，除了部分受力较小或形状复杂无法计算的零PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT其中其中:称作计算应力；称作计算应力；称作许用抗拉应力称作许用抗拉应力 P拉力载荷；拉力载荷；F面积尺寸；面积尺寸；极限应力；极限应力；S安全系数安全系数其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许其含义是：零件中的应力应当小于或等于其许用应力用应力 才能满足强度要求。该公式由于是才能满足强度要求。该公式由于是用来校核零件的初定剖面用来校核零件的初定剖面F是否满足强度要求是否满足强度要求的，所以称为的，所以称为校核公式校核公式。要注意的是：要注意的是：如果零件剖面上承受的载荷是剪如果零件剖面上承受的载荷是剪载荷，分别可以用剪应力和许用剪应力等代入载荷，分别可以用剪应力和许用剪应力等代入上面的式中进行计算。上面的式中进行计算。机械设计基础总论56其中:称作计算应力；机械设计基础总论56PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用强度准则就是把对零件起损伤作用的一方（例如载荷和应力）与零件对损伤起抵的一方（例如载荷和应力）与零件对损伤起抵抗作用的一方进行比较来判断零件强度的抗作用的一方进行比较来判断零件强度的。通过上面的强度条件式，可以发现，提高提高零件强度的措施有零件强度的措施有：1）增大零件危险剖面的尺寸、合理设计剖面形状，以增大剖面面积的惯性矩；2）采用高强度材料，对材料进行提高强度及降低内应力的热处理，控制加工工艺以减小或消除微观缺陷等；3）力求降低零件上的载荷，例如减小轴的支承跨距以降低作用在其上的弯矩，采用减振结构以降低冲击载荷等；4）妥善设计零件结构以降低应力集中程度等。机械设计基础总论57可以看出：强度准则就是把对零件起损伤作用的一方（例如载荷和应PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTb.刚度要求刚度要求 在机器工作时，有时机器并没有破坏，但是在机器工作时，有时机器并没有破坏，但是由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作或完成预定的工作任务。这就是刚度失效。工作或完成预定的工作任务。这就是刚度失效。对于这类情况，我们不但要求进行强度的计算，对于这类情况，我们不但要求进行强度的计算，同时要进行刚度的计算。同时要进行刚度的计算。零件的刚度要求是指工作时，零件所产生的零件的刚度要求是指工作时，零件所产生的弹性变形不超过规定的限度。刚度的计算是利用弹性变形不超过规定的限度。刚度的计算是利用刚度条件式来判定的。针对弹性变形的二种情况刚度条件式来判定的。针对弹性变形的二种情况（弯曲和扭转），刚度条件式分别为：（弯曲和扭转），刚度条件式分别为：或；机械设计基础总论58b.刚度要求或；机械设计基础总论58PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 有时也可以直接利用刚度要求来进行设计，一般来说满足刚度要求的零件都满足强度要求一般来说满足刚度要求的零件都满足强度要求。刚度分为两类：体积刚度和表面接触刚度。上面所述的刚度都属于体积刚度。两个比较粗糙的接触表面，在大的压力作用下，接触表面的微观凸峰将会被压平，就会引起两零件的相对位置发生超过容许限度的变化，就产生不能满足接触刚度的情况。在设计时也应该给予充分的注意