項目一機械設計基礎知識任務一機械的組成任務二機械設計的性質及基本要求

知識目標

(1)掌握機械、機器、機構、構件、零件、部件等基本概念。(2)掌握機器與機構、構件與零件的區別。(3)掌握機械的組成。能力目標

會判斷機器和機構。

任務一機械的組成

任務導入圖1－1所示為單缸內燃機,說明單缸內燃機的組成及其工作原理。

圖1-1單缸內燃機

任務實施

一、機械的概念

機械是機器和機構的總稱。

1.機器

機器是由若干個機構構成的組合體,是根據某種使用要求而設計的一種執行機械運動的裝置,用來代替或減輕人類的勞動強度,改善勞動條件,提高勞動生產率。

機器的主要特征是:

(1)它是人為的實物組合;

(2)各實物間具有確定的相對運動;

(3)能完成有效的機械功(如機床)或轉換機械能以及實現信息傳遞和變換的功能,以代替或減輕人類的勞動。

機器分為原動機和工作機。原動機用于實現能量轉換(如內燃機、蒸汽機、電動機等),種類有限;工作機用于完成有用功(如機床等),種類繁多。

工作機由原動機部分、工作部分、傳動部分和控制部分組成。原動機部分是工作機動力的來源,最常見的是電動機和內燃機。工作部分用于完成預定的動作,位于傳動路線的

終點。傳動部分是連接原動機和工作部分的中間部分。控制部分用于保證機器的啟動、停止和正常協調動作。各部分的關系如圖1-2所示。

圖1-2工作機各組成部分之間的關系

2.機構

機構是由構件組成,用來傳遞運動和動力或改變運動形式的裝置,如圖1-3所示的連桿機構和圖1-4所示的齒輪機構。

只有確定的相對運動,而不能代替人做有用的機械功的構件組合稱為機構。例如,摩托車是機器,而自行車是機構。

機構分為通用機構和專用機構。通用機構的用途廣泛,如齒輪機構、連桿機構等。專用機構只能用于特定場合,如鐘表的擒縱機構。

圖1-3連桿機構圖1-4齒輪機構

任何復雜的機器都是由若干組機構按一定規律組合而成的。實際機器的種類有成千上萬種,但機構的種類有限。機器與機構的關系類似于化合物與化學元素的關系。

由機器與機構的共有特征可知:機器與機構在結構和運動方面并無區別(僅作用不同),故統稱為機械。

二、機械中的構件、零件及部件

1.構件

構件是具有各自特定運動的運動單元。

機構是由構件組成的,構件在機構中具有獨立的運動特性,在機械中形成一個運動整體。圖1-5(a)所示的內燃機是由活塞、連桿、曲軸和汽缸等構件構成的一個典型的曲柄滑

塊機構,其中,原動件活塞作直線往復運動,通過連桿帶動曲軸作連續轉動。

圖1-5內燃機中的曲柄滑塊機構和連桿

2.零件

1-)零件的概念

零件是機械加工的最小單元體。

機械都是由機械零件組成的。機械零件是指機械中每一個單獨加工的單元體,如圖1-1所示的曲軸。構件可以是單一的機械零件,也可以是若干機械零件的剛性組合。例如圖1-5(b)所示的連桿,它是由連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等零件組合而成的。這些零件之間沒有相對運動,是一個運動整體,故屬一個構件。因此,構件是運動的單元,零件是制造單元。

隨著機械的功能和類型日益增多,作為組成機械的最基本單元的零件更是多種多樣。通常將機械零件分為通用機械零件和專用機械零件兩大類。

2)零件與構件的關系

一個構件可以是一個零件,也可以是若干個零件的剛性組合體。

3.部件

1)部件的概念

部件是為完成同一工作,由若干個零件組成的協同工作組合體,如減速器、主軸箱車床尾座等。

2)部件與構件的區別

部件與構件的區別是各組成零件之間有相對運動。

4.機器、機構、構件和零件的關系

機器、機構、構件和零件的關系如圖1-6所示。圖1-6機器、機構、構件和零件的關系

任務二機械設計的性質及基本要求

任務導入機械設計的基本要求及一般程序是什么?

任務實施

一、機械設計課程的內容、性質和任務

1.機械設計課程的內容

(1)研究各種常用機構和機械傳動的結構、工作特點、運動和動力特性及其設計計算方法;

(2)從強度、剛度、壽命、結構工藝性和材料選擇等方面,研究通用零部件的設計計算方法;

(3)研究機械零部件的工作能力和計算準則,分析機械零件設計的基本要求和一般步驟。

2.機械設計課程的性質

本課程是介于基礎課程與專業課程之間的主干課程,綜合性應用性很強,是培養學生具有一定設計能力的技術基礎課程。

3.機械設計課程的任務

本課程的主要任務是通過課堂學習、習題、課程設計和課程實驗、實訓等教學環節,使學生達到如下學習目標:

(1)掌握物體機械運動的一般規律及常用機構的工作原理、運動特性和運動設計的方法。

(2)掌握構件承載能力的計算方法及通用零部件的原理分析、設計計算方法和選用的基本知識。

(3)樹立正確的設計思想,了解機械設計的一般規律。

(4)初步具備一般簡單機械的維護、改進和設計能力。

(5)具有運用標準、規范、手冊以及查閱有關技術資料的能力。

二、機械設計的基本要求

1.使用要求

按強度條件設計的零件,當其尺寸和重量都受限制時,應選用強度較高的材料;按剛度條件設計的零件,應選用彈性模量較大的材料;若零件表面接觸應力較高(如齒輪),應選用可以進行表面強化處理的材料(如調質鋼、滲碳鋼)。此外,對容易磨損的零件(如蝸輪),應選用耐磨性好的材料;對滑動摩擦下工作的零件(如滑動軸承),應選用減摩性好的材料;對高溫下工作的零件,應選用耐熱材料;對腐蝕性介質中工作的零件,應選用耐腐蝕材料。

2.工藝要求

工藝要求是指選擇冷、熱加工性能好的材料。零件加工應考慮到零件結構的復雜程度、尺寸大小和毛坯類別。對于外形復雜、尺寸較大的零件,若采用鑄造毛坯,則應采用鑄造性能好的材料;若采用焊接毛坯,則應選用焊接性能好的低碳鋼,因為含碳量超過0.3%的鋼難以焊接;對于尺寸較小、外形簡單、大量生產的零件,適合沖壓或模鍛,應選用延展性較好的材料;需要熱處理的零件,所選材料應有良好的熱處理性能。此外,還要考慮材料的易加工性,包括零件熱處理后的易加工性。

3.經濟性要求

經濟性是一項綜合性的指標,要求零件設計和制造的成本低,生產效率高,能源與材料的消耗少,維護和管理的費用低等。

在機械的成本中,材料費用約占30%以上,有的甚至達到50%,可見選用廉價材料有重大的意義。選用廉價材料,節約原材料,特別是節約貴重材料,是機械設計的一個基本原則。為了使零件最經濟地制造出來,不僅要考慮原材料的價格,還要考慮零件制造費用。為此,可采取如下具體措施:

(1)盡量采用高強度鑄鐵(如球墨鑄鐵)來代替鋼材,用工程塑料或粉末冶金材料代替有色金屬材料。

(2)采用熱處理(包括化學熱處理)或表面強化(如噴丸、滾壓等)工藝,充分發揮和利用材料潛在的力學性能。

(3)合理采用表面鍍層(如鍍鉻、鍍銅、噴涂減摩層、發黑等)方法,以減少和延緩腐蝕或磨損的速度,延長零件的使用壽命。

(4)采用組合式零件結構,在零件的工作部分使用貴重材料,其他非直接工作部分則可采用廉價的材料。例如大直徑的蝸輪,常采用青銅齒圈和鑄鐵輪芯的組合式結構,以節約大量的有色金屬。

(5)改善工藝方法,提高材料利用率,降低成本。例如采用冷鐓錐齒輪代替齒形刨削加工,實現無切削加工。

(6)用我國富有元素(錳、硅、硼、鉬、釩、鈦等)的合金鋼代替稀有元素(鉻、鎳等)的合金鋼。在選用材料時,還應注意本國、本地區、本企業的材料供應情況,盡可能就地取材,減少采購和管理費用。

4.勞動和環境保護要求

在設計機器的時候,應符合勞動保護法規的要求。機器的操作系統要簡便、安全和可靠,要有利于減輕操作人員的勞動強度。

5.其他特殊要求

在設計機器的時候,還應滿足某些特殊的要求。如食品機械必須保持清潔,不能污染食品等。

總之,盡量做到結構上可靠,工藝上可能,經濟上合理。

三、機械零件設計的一般過程

機械零件是組成機器的基本要素,其設計是機器設計中極其重要且工作量較大的設計

環節。設計機械零件的一般步驟如下:

(1)建立零件的受力模型。根據簡化計算方法,確定作用在零件上的載荷。

(2)根據零件功能的要求選定零件的類型與結構。

(3)根據零件的工作條件及零件的特殊要求,選擇零件材料及熱處理方法。

(4)根據零件的工作情況的分析,判定零件的失效形式,從而確定其設計準則。

(5)選擇零件的主要參數,并根據設計準則計算零件的主要尺寸。

(6)進行零件的結構設計。這是零件設計中極為重要的設計內容,往往設計工作量較大。

(7)結構設計完成后,必要時要進行強度校核計算。如果不滿足強度的要求,則應修改結構設計。

(8)繪制零件工作圖,編寫計算說明書及有關技術文件。

任務總結