1、第1章 绪 论（时间：2次课，4学时）第1章 绪 论 教学目标：本章阐述机械和机器的概念，从结构和功能的角度分析机器的组成，给出机构、构件、零件及部件的概念；明确机械设计的基本要求和机械设计的类型，概述开发型设计一般过程的五个阶段及其工作内容；简述机械系统方案设计和零部件设计的要求及内容、零件失效的常见形式和六个计算准则；概述标准化的意义、内容及我国的标准；明确零件材料选用应从使用要求、工艺性及经济性等3个方面综合考虑；在分析传统机械设计的局限性的基础上，综述现代机械设计的两个思想和主要设计方法。特别强调了创造力及其开发与创新思维的6个法则以及“人机环境”系统观与可持续发展战略。第1章 绪 论
2、 重点与难点：l 机械设计的基本概念和机械零件的设计原则机械设计的基本概念和机械零件的设计原则l 本课程的作用本课程的作用第1章 绪 论 案例导入：用内燃机和颚式破碎机作为案例导入。提出机器的共同特征、机器与机构的区别、通用零件和专用零件的概念，介绍机械设计的基本要求及机械设计的一般过程。1.1 机器及其组成 1.2 课程的内容、地位、学习目的和学习方法 1.3 机械设计的基本要求及一般过程 1.4 机械零件设计的基本要求及一般方法 1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则 1.6 机械零件的常用材料及选用 1.7 本章实训 机械设计现场教学(含陈列室参观)1.8 习题与练习 第1章 绪 论1
3、.1 机器及其组成 1.1.1 机器与机构 1.1.2 零件、部件和构件 1.1.3 机器的组成 1.1.4 机器的种类 1.1.1 机器与机构在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器。常见的如内燃机、机在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器。常见的如内燃机、机床、汽车、火车、发电机、洗衣机等。什么是机器，其定义如何？下面分析床、汽车、火车、发电机、洗衣机等。什么是机器，其定义如何？下面分析一个实例。一个实例。如图如图1.1所示为单缸内燃机工作原理，当燃气推动活塞所示为单缸内燃机工作原理，当燃气推动活塞7在气缸在气缸6内运动，通过内运动，通过连杆连杆8使曲轴使曲轴9作连续转动。曲
4、轴上的齿轮作连续转动。曲轴上的齿轮1带动凸轮轴上的齿轮带动凸轮轴上的齿轮2，再由齿轮，再由齿轮2带动两个凸轮带动两个凸轮3，控制排气阀，控制排气阀4和进气阀和进气阀5启闭，可燃混合气体通过进气阀启闭，可燃混合气体通过进气阀5定定时进入气缸时进入气缸6，废气通过排气阀，废气通过排气阀4定时排出气缸定时排出气缸6，从而燃料燃烧产生的热能不，从而燃料燃烧产生的热能不断转化为机械能。断转化为机械能。机器的种类繁多，各类机器的功用不同，工作原理和结构特点也不相同。但机器的种类繁多，各类机器的功用不同，工作原理和结构特点也不相同。但是，各类机器都有着共同的特征：是，各类机器都有着共同的特征：1.1.1 机
5、器与机构(a)结构简图结构简图 (b)机构运动简图机构运动简图1、2齿轮；齿轮；3凸轮；凸轮；4排气阀；排气阀；5进气阀；进气阀；6气缸体；气缸体；7活塞；活塞；8连杆；连杆；9曲轴曲轴图图1.1 单缸四冲程内燃机单缸四冲程内燃机1.1.2 零件、部件和构件从制造和装配的观点看，机器由许多独立加工、独立装配的单元体组成，这从制造和装配的观点看，机器由许多独立加工、独立装配的单元体组成，这些单元体称为零件。若干个零件组成机构，若干个机构组成机器。零件是组些单元体称为零件。若干个零件组成机构，若干个机构组成机器。零件是组成机器的最小制造单元，是机器的基本组成要素。概括地讲机械零件可分为成机器的最小
6、制造单元，是机器的基本组成要素。概括地讲机械零件可分为两大类：一类是在各种机器中都能用到的零件，叫做通用零件，如齿轮、螺两大类：一类是在各种机器中都能用到的零件，叫做通用零件，如齿轮、螺栓、轴承、带、带轮等；另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件，栓、轴承、带、带轮等；另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件，叫做专用零件，如曲轴、吊钩、叶片、叶轮等。叫做专用零件，如曲轴、吊钩、叶片、叶轮等。1.1.3 机器的组成1.1.按功能分析机器的组成按功能分析机器的组成机器种类繁多，形状各异，但就其功能而言，机器是由动力部分机器种类繁多，形状各异，但就其功能而言，机器是由动力部分(原动机原动机)
7、、控、控制部分、传动机构、支撑及辅助部分和执行机构等制部分、传动机构、支撑及辅助部分和执行机构等5个部分组成，如图个部分组成，如图1.2所所示。示。图图1.2 机器的组成机器的组成 1.1.3 机器的组成2.2.现代机器及其主要特征现代机器及其主要特征(1)现代机器及其组成现代机器及其组成随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系精密机械技术、系统总体技术的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现
8、代机械工业。现代机器统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。现代机器的定义。由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力现代机器的定义。由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量转换动力学任务的机械和、运动和能量转换动力学任务的机械和(或或)机电部件相互联系的系统。机电部件相互联系的系统。现代机器的组成。焊接机器人就是典型的现代机器，它的执行系统是操作现代机器的组成。焊接机器人就是典型的现代机器，它的执行系统是操作机
9、，由它来完成焊接操作。机，由它来完成焊接操作。1.1.3 机器的组成(2)现代机器的主要特征现代机器的主要特征现代机器是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新系统。它与传统机器现代机器是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新系统。它与传统机器比较，具有以下主要特征。比较，具有以下主要特征。功能增加，柔性提高。功能增加，柔性提高。结构简化，性能改善。结构简化，性能改善。效率提高，成本降低。效率提高，成本降低。1.1.4 机器的种类机器是我们生产与生活中不可缺少的产品。人类已设计、机器是我们生产与生活中不可缺少的产品。人类已设计、制造出各种各样的机器，如自行车、摩托车、汽车、内燃制造出各种各样的机
10、器，如自行车、摩托车、汽车、内燃机、金属切削机床和吊车等。从结构或功能上看，这些机机、金属切削机床和吊车等。从结构或功能上看，这些机器的差异十分明显，但从机械设计的角度看，这些机器却器的差异十分明显，但从机械设计的角度看，这些机器却具有许多共同的特点。具有许多共同的特点。1.2 课程的内容、地位、学习目的和学习方法 1.2.1 本课程的内容 1.2.2 本课程的地位 1.2.3 学习本课程的目的 1.2.4 学习方法1.2.1 本课程的内容机器是由若干机构及零部件组成，机器的功能指标取决于机器是由若干机构及零部件组成，机器的功能指标取决于机构类型及零部件的工作能力。为此，本课程内容在简要机构类
11、型及零部件的工作能力。为此，本课程内容在简要介绍有关整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论常介绍有关整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论常用机构的组成原理、传动特点、功能特性、设计方法等基用机构的组成原理、传动特点、功能特性、设计方法等基本知识；重点讨论通用机械零件在一般工作条件下的工作本知识；重点讨论通用机械零件在一般工作条件下的工作原理、结构特点、选用及设计计算问题。原理、结构特点、选用及设计计算问题。1.2.2 本课程的地位 本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、金属本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、金属工艺学、机械制图、公差配合等先修课程知识，解决常用工艺学、
12、机械制图、公差配合等先修课程知识，解决常用机构及通用零部件的分析设计问题，较之以往的先修课程机构及通用零部件的分析设计问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各类机械所具有的共性问题，在机电类专业课程体系中占有类机械所具有的共性问题，在机电类专业课程体系中占有重要位置。重要位置。1.2.3 学习本课程的目的(1)熟悉常用机构的工作原理、运动特性及机械设计的基本理论和方法，基本熟悉常用机构的工作原理、运动特性及机械设计的基本理论和方法，基本掌握通用零件的工作原理、选用和维护等方面的知识。掌握通用零件的工作原理、选用
13、和维护等方面的知识。(2)具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。(3)培养学生初步具有运用标准手册，查阅相关技术资料进行一般参数的通用培养学生初步具有运用标准手册，查阅相关技术资料进行一般参数的通用零件和简单机械传动装置的设计计算能力，为学习后续专业课程打好基础。零件和简单机械传动装置的设计计算能力，为学习后续专业课程打好基础。总之，本课程是理论性和实践性都很强的机械类及近机类专业的主干课程之总之，本课程是理论性和实践性都很强的机械类及近机类专业的主干课程之一，在教学中具有承上启下的作用，是机械工程技术人才培养的必修课程
14、。一，在教学中具有承上启下的作用，是机械工程技术人才培养的必修课程。1.2.4 学习方法 本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。折点。1.3 机械设计的基本要求及一般过程 1.3.1 机械设计的基本要求 1.3.2 机械设计的类型 1.3.3 机械设计的一般过程 1.3.1 机械设计的基本要求 机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好机械产品，在市场竞
15、争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观念的设计者，绝不可能设计有高质量的产品；没有经济观念的设计者，绝不可能设计出性能价格比好的产品。出性能价格比好的产品。1.3.1 机械设计的基本要求 1.满足社会需求满足社会需求机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的需求。没
16、有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。社会的需需求。没有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。社会的需求是变化的，不同时期、不同地点、不同的社会环境就会有不同的市场行情求是变化的，不同时期、不同地点、不同的社会环境就会有不同的市场行情和需求。产品应不断地更新改进，适应市场的变化；否则就会滞销、积压，和需求。产品应不断地更新改进，适应市场的变化；否则就会滞销、积压，造成浪费，影响企业的经济效益，严重时甚至导致企业的倒闭。所以，设计造成浪费，影响企业的经济效益，严重时甚至导致企业的倒闭。所以，设计师必须确立市场观念，以社会需求和为用户服务作为最基本的出发点。师必须确立市场观念
17、，以社会需求和为用户服务作为最基本的出发点。1.3.1 机械设计的基本要求 2.可靠性要求可靠性要求可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。这里可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。这里所指的所指的“产品产品”可以是零件、部件等，也可以是整机系统。可以是零件、部件等，也可以是整机系统。“规定条件规定条件”是是指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包括操作规程、维修方法工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包
18、括操作规程、维修方法等。等。“规定时间规定时间”是指对产品可靠性考核时所规定的时间，如运行时间、应是指对产品可靠性考核时所规定的时间，如运行时间、应力循环次数、行驶的里程等。力循环次数、行驶的里程等。“规定功能规定功能”是指对产品考核的具体功能，产是指对产品考核的具体功能，产品规定功能的丧失称为失效，对可修复产品的失效也称为故障。品规定功能的丧失称为失效，对可修复产品的失效也称为故障。1.3.1 机械设计的基本要求 3.经济性要求经济性要求提高产品的经济性，既是增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约提高产品的经济性，既是增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约社会劳动、提高社会效益的
19、需要。提高产品的经济性是以寿命周期成本最低社会劳动、提高社会效益的需要。提高产品的经济性是以寿命周期成本最低为目标的。为目标的。寿命周期成本是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期寿命周期成本是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出费用的总和。内所支出费用的总和。寿命周期成本寿命周期成本=生产成本生产成本+使用成本使用成本生产成本生产成本=直接成本直接成本+间接成本间接成本1.3.1 机械设计的基本要求 4.安全性要求安全性要求机器的安全性包括两方面。机器的安全性包括两方面。(1)机器执行预期功能的安全性。即机器运行时系统本身的安全性，如满足必机器执行预期功
20、能的安全性。即机器运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。(2)人人机机环境系统的安全性。机器是为人类服务的，同时它又在一定的环环境系统的安全性。机器是为人类服务的，同时它又在一定的环境中工作，人、机、环境三者构成一个特定的系统。境中工作，人、机、环境三者构成一个特定的系统。劳动安全。为了保障操作人员的安全，应在机器的醒目位置标明有关安全劳动安全。为了保障操作人员的安全，应在机器的醒目位置标明有关安全方面的警告，尤其是机器运行时可能对人体造成伤害的危险部位，实行切实方面的警告，尤其是机器运行时可能对人体造成伤害的危险部位，实行
21、切实有效的保护。有效的保护。环境保护。所设计的机器应符合环境保护法规及标准，如环境保护。所设计的机器应符合环境保护法规及标准，如“三废三废”治理、治理、除尘、防爆、防火、防毒及噪声控制等方面的要求。除尘、防爆、防火、防毒及噪声控制等方面的要求。1.3.1 机械设计的基本要求 5.推行标准化要求推行标准化要求在机械设计中应尽可能地遵循标准化的原则。机械产品标准化的在机械设计中应尽可能地遵循标准化的原则。机械产品标准化的内容包括标准化、系列化和通用化等三方面，简称机械产品的内容包括标准化、系列化和通用化等三方面，简称机械产品的“三化三化”。标准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验标
22、准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、垫圈等的标设计、制造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、垫圈等的标准化。准化。1.3.1 机械设计的基本要求 6.体现工艺造型美观要求体现工艺造型美观要求重视产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而且外形美重视产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而且外形美观、实用，使产品在市场上富有竞争力。观、实用，使产品在市场上富有竞争力。1.3.2 机械设计的类型 机械设计是一项创造性劳
23、动，同时也是对已有成功经验的继承过程。根据实机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有成功经验的继承过程。根据实际情况的不同可以分成三种类型。际情况的不同可以分成三种类型。(1)开发性设计开发性设计机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。计。(2)适应性设计适应性设计在现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加在现有机械产品的工作原理、设计方案不变的
24、前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。(3)变形设计变形设计机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。产品的具体参数和结构。1.3.3 机械设计的一般过程 机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。产品的开发性设计过程大致包括规划不尽相同。产品的开发性设计
25、过程大致包括规划设计、方案设计、技术设计、施工设计及改进设设计、方案设计、技术设计、施工设计及改进设计等五个阶段。计等五个阶段。1.4 机械零件设计的基本要求及一般方法 1.4.1 机械零件设计的基本要求 1.4.2 机械零件设计的一般方法1.4.1 机械零件设计的基本要求 机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工的零件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的的零件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的基础。基础。1.4.2
26、机械零件设计的一般方法机械零件的设计方法可分为常规设计方法和现代设计方法。机械零件的设计方法可分为常规设计方法和现代设计方法。1.常规设计方法常规设计方法常规设计方法是目前广泛和长期采用的设计方法。也是本课程中机械零件设常规设计方法是目前广泛和长期采用的设计方法。也是本课程中机械零件设计时所采用的设计方法。常规设计方法有以下三种。计时所采用的设计方法。常规设计方法有以下三种。(1)理论设计理论设计理论设计是根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。按照设计顺序的理论设计是根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。按照设计顺序的不同，零件的理论设计计算可分为设计计算和校核计算。不同，零件的理论设
27、计计算可分为设计计算和校核计算。(2)经验设计经验设计经验设计是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出经验设计是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。(3)模型实验设计模型实验设计对于尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件可采用模型实验设对于尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件可采用模型实验设计。计。1.4.2 机械零件设计的一般方法2.现代设计方法简介现代设计方法简介机械设计在近机械设计在近30年来发生了相当大的变化，设计方法更
28、趋于科学、完善，计年来发生了相当大的变化，设计方法更趋于科学、完善，计算精度更高、计算速度更快。现代设计的主要方法有以下几种。算精度更高、计算速度更快。现代设计的主要方法有以下几种。(1)计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是借助计算机运算快速准确、是借助计算机运算快速准确、存贮量大和逻辑判断功能强等特点，通过人与计算机的交互方式来完成设计存贮量大和逻辑判断功能强等特点，通过人与计算机的交互方式来完成设计工作的。工作的。(2)优化设计优化设计优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，优化设计是将设
29、计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出最佳设计方选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种设计方法。案的一种设计方法。(3)可靠性设计可靠性设计机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的一种综合性设计技术。一种综合性设计技术。1.4.2 机械零件设计的一般方法(4)模块化设计模块化设计模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、
30、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同的产品，以满足市场的不同需求的一种设计制造方法。择和组合来构成不同的产品，以满足市场的不同需求的一种设计制造方法。(5)机械系统设计机械系统设计机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程一般包括计划、外部系统设计一般包括计划、外部系统设计(简称外部设计简称外部设计)、内部系统设计、内部系统设计(简称内部设计简称内部设计)和制造销售四个阶段。和制造销
31、售四个阶段。(6)价值分析价值分析价值分析价值分析(Value Analysis，简称，简称VA)又叫价值工程又叫价值工程(Value Engineering，简称，简称VE)，它是一种使产品达到物美价廉的一种有效的现代管理技术，由于它应用于，它是一种使产品达到物美价廉的一种有效的现代管理技术，由于它应用于产品设计卓有成效，已发展成为现代设计方法中的一个重要内容。产品设计卓有成效，已发展成为现代设计方法中的一个重要内容。1.4.2 机械零件设计的一般方法(7)专家系统专家系统专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序系统。由于它具有领域专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序系统。由
32、于它具有领域专家的丰富知识，又能进行逻辑演绎推理，因此，它能够在特定的领域和范专家的丰富知识，又能进行逻辑演绎推理，因此，它能够在特定的领域和范围内，运用领域专家的专门知识和推理能力，解决各种问题。围内，运用领域专家的专门知识和推理能力，解决各种问题。(8)机械动态设计机械动态设计机械动态设计是现代机械设计区别于传统机械设计的重要特征之一。机械动态设计是现代机械设计区别于传统机械设计的重要特征之一。(9)并行设计并行设计对机械产品的设计，长期以来一直采用串行工程对机械产品的设计，长期以来一直采用串行工程(又叫顺序工程又叫顺序工程)的方法。这种的方法。这种方法的缺点在于：在产品的设计、制造等过程
33、中，后一个环节必须等待前一方法的缺点在于：在产品的设计、制造等过程中，后一个环节必须等待前一个环节结束后才能开始。个环节结束后才能开始。1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则 1.5.1 机械零件的失效分析 1.5.2 机械零件的设计计算准则 1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则 机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低至许用值以下的现象，称为机械零件的失效。强度不够所引起的破坏是最常见的零件失效形式，但不是零件失效的唯一形式。设计零件所依据的计算准则，是与零件的失效形式紧密联系在一起的，针对不同的失效形式，应提出不同的计算准则。1.5.1 机械零件的失效分析 零件失效与破坏是两个概念，失
34、效并不一定意味着破坏，零件失效与破坏是两个概念，失效并不一定意味着破坏，如塑性材料制造的零件，工作时虽未断裂，但由于其过度如塑性材料制造的零件，工作时虽未断裂，但由于其过度变形而影响其他零件的正常工作也是失效；齿轮由于齿面变形而影响其他零件的正常工作也是失效；齿轮由于齿面发生点蚀丧失了工作精度；带传动由于摩擦力不足而发生发生点蚀丧失了工作精度；带传动由于摩擦力不足而发生打滑等都是失效。打滑等都是失效。机械零件的常见失效形式有：断裂或过大的塑性变形；过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；工作表面失效大的弹性变形；工作表面失效(如磨损、疲劳点蚀、表面如磨损、疲劳点蚀、表
35、面压溃、咬合等压溃、咬合等)；发生强烈的振动以及破坏正常工作条件；发生强烈的振动以及破坏正常工作条件引起的失效引起的失效(如联接松动、摩擦表面打滑等如联接松动、摩擦表面打滑等)。1.5.1 机械零件的失效分析 1.磨损磨损相对运动的零件表面因摩擦的存在，而导致零件表面材料的逐渐丧失。相对运动的零件表面因摩擦的存在，而导致零件表面材料的逐渐丧失。2.表面压溃表面压溃零件表面质量不高或硬度不够时，在外载荷作用下出现的碎裂现象。零件表面质量不高或硬度不够时，在外载荷作用下出现的碎裂现象。3.过量变形过量变形机械零件受载工作时，必然会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形，对机械零件受载工作时，必然
36、会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形，对机器工作影响不大，但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作，有时还会机器工作影响不大，但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作，有时还会造成较大振动，致使零件损坏。造成较大振动，致使零件损坏。4.打滑打滑靠表面摩擦力保持工作能力的带传动等，当传递的有效切向力超过临界摩擦力时靠表面摩擦力保持工作能力的带传动等，当传递的有效切向力超过临界摩擦力时，就将发生打滑失效。，就将发生打滑失效。1.5.1 机械零件的失效分析 5.疲劳点蚀疲劳点蚀作用在零件上的脉动交变应力超过其接触疲劳极限时，出现疲劳裂纹，裂纹逐渐作用在零件上的脉动交变应力超过其接触疲劳极限
37、时，出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大使表面金属小片剥落形成疲劳点蚀。扩大使表面金属小片剥落形成疲劳点蚀。6.咬合咬合两相对运动的零件在高速重载的作用下，常因接触区温升过高而使润滑油失效，两相对运动的零件在高速重载的作用下，常因接触区温升过高而使润滑油失效，使两零件直接接触，以至局部相互黏结，又被撕裂的现象。使两零件直接接触，以至局部相互黏结，又被撕裂的现象。7.断裂断裂零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时便发生断裂零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时便发生断裂。8.振动失效振动失效高速运转的零件，当其转速等于或接近零件的自振频率时，会发生共振，使振幅高
38、速运转的零件，当其转速等于或接近零件的自振频率时，会发生共振，使振幅急剧增大，导致零件及系统在短时期破坏。急剧增大，导致零件及系统在短时期破坏。1.5.2 机械零件的设计计算准则 零件抵抗失效的安全工作限度称为零件的工作能力。在实际零件抵抗失效的安全工作限度称为零件的工作能力。在实际工作中，同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各工作中，同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各种失效形式，就会有不同的工作能力。根据不同失效原因建种失效形式，就会有不同的工作能力。根据不同失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。主立起来的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。主要有
39、以下几种。要有以下几种。1.强度准则强度准则 2.刚度准则刚度准则 3.耐磨性准则耐磨性准则 4.振动稳定性准则振动稳定性准则 5.散热性准则散热性准则 6.可靠性准则可靠性准则 1.6 机械零件的常用材料及选用 1.6.1 选择材料所要考虑的因素 1.6.2 机械零件常用的材料种类 1.6.3 机械零件材料的使用条件及要求 1.6.1 选择材料所要考虑的因素(1)基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况类零件现有状况(所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况况)的调研，再结合力学计
40、算或试验确定零件应具有的力学性的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。能指标和理化性能指标。(2)对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。(3)进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。求。小批试验产品质量合格后，选
41、材方案即可确定下来。1.6.2 机械零件常用的材料种类 1.黑色金属黑色金属(1)铸铁。铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量铸铁。铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。的称为铸铁。(2)钢。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其钢。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。力学性能和加工性能。2.有色金属有色金属(1)铝合金。比重轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强铝合金。比重轻、导热
42、导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。度可与碳素钢相近。(2)铜合金。铜合金。(3)巴氏合金。也称轴承合金。有锡基巴氏合金和铅基巴氏合金之分。巴氏合金。也称轴承合金。有锡基巴氏合金和铅基巴氏合金之分。(4)锌基合金。铸造锌合金以锌和铝为主，可部分代替铸造青铜和巴氏合金以降锌基合金。铸造锌合金以锌和铝为主，可部分代替铸造青铜和巴氏合金以降低成本。低成本。1.6.2 机械零件常用的材料种类 3.非金属材料非金属材料(1)塑料。轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘塑料。轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体。体。(2)陶瓷。电热性
43、好，硬度高。陶瓷。电热性好，硬度高。(3)橡胶。弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件。橡胶。弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件。4.复合材料复合材料具有抗疲劳性能好，减振性好，耐高温，强度较高等优点。具有抗疲劳性能好，减振性好，耐高温，强度较高等优点。1.6.3 机械零件材料的使用条件及要求 机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的重要一环。选用材料时主要考虑使用要求、工艺要求和经济重要一环。选用材
44、料时主要考虑使用要求、工艺要求和经济要求。要求。1.7 本章实训 机械设计现场教学(含陈列室参观)实训目的1.初步认识机构的组成以及组成机构的构件和运动副。增强感性认识为下一章的学习打下一个良好的基础。注意以下一些名词术语。(1)构件：机架、活动构件、原动件、从动件、执行件。(2)运动副：平面副、空间副、高副、低副、回转副、移动副。2.初步了解常用机构的类型、组成及运动特点。3.熟悉常用机构的应用实例。实训过程1.内容机构示范陈列室是为了加强学生对机构的直观认识，配合机械原理课程理论教学设置的。机构示范陈列室由14个示教板组成。陈列有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等四大类共10
45、0余个常用机构模型，并配有文字说明和运动简图。可实现点动或顺序控制运动演示，具有形象、直观的特点。2.实训步骤按如图1.6所示的机构示范陈列室平面图中的序号从115逐板观察。1.8 习题与练习 1.填空题(1)习惯上，常用机械一词表示和的总称。(2)就其功能而言，机器是由、和等五个部分组成。(3)、和构成了机器的核心。(4)机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的需求。所谓需求，就是对的需求，用户购买产品就是购买产品的。1.8 习题与练习 2.选择题(1)()是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出费用的总和。A生产成本 B使用成本 C间接成本
46、D寿命周期成本(2)机械产品标准化的内容包括()。A标准化B通用化 C规模化D系列化(3)产品的开发性设计过程大致包括()、施工设计及改造设计等五个阶段。A规划设计 B方案设计 C技术设计 D强度设计(4)工艺性要求强调加工、装配具有良好的工艺性及()。A强度高B维修方便C使用寿命长D方案设计周期短(5)怎样能更方便容易地选择我们所需要的材料？我们需要什么样的材料？建议从满足()入手来选择材料。A功能要求，降低成本B强度要求C外观要求D成本要求1.8 习题与练习 3.判断题(1)现代机器的定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能已不再是执行机械运动、完成有
47、用功和能量的转换。()(2)使用成本主要包括管理、销售、广告、公用事业、保险福利、研究开发及利息等各项非直接生产环节的支出分摊到该产品的成本。()(3)技术寿命是指机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间。()(4)人-机-环境系统的安全性主要强调机器本身的安全。()(5)在机械零件设计中，精度要求是需要满足的零件工作能力要求之一。()1.8 习题与练习 4.简答题(1)简述机器的共同特征。(2)指出零件、部件、构件的异同点。(3)现代机器有哪些主要特征？(4)机械设计应满足哪些基本要求？(5)如何提高设计与制造的经济性？1.8 习题与练习 5.实作题进行机械制造工厂或机电五金商场进行实
48、地调查，选择下列标题之一整理出一份调查报告。(1)机器的组成和功能。(2)机器的设计过程。(3)浅析各企业生产的(机电产品)功能及其性价比。(4)工程材料市场调查报告。第2章 平面机构运动简图及自由度 （时间：1次课，2学时）第2章 平面机构运动简图及自由度教学目标：平面机构是指各构件均在互相平行的平面内运动的机构。本章将主要讲解平面机构的组成、运动简图、机构具有确定运动的条件、自由度计算。重点介绍机构、运动副、自由度与约束等基本概念，机构运动简图的绘制和机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。复合铰链、局部自由度和虚约束的判断是正确计算自由度的关键。讲解机构运动简图绘制时，应安排一次机构运
49、动简图测绘实验，以提高教学效果。第2章 平面机构运动简图及自由度重点与难点：l 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件l 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制l 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算l 机构中虚约束的确定机构中虚约束的确定第2章 平面机构运动简图及自由度案例导入：绘制和阅读平面机构运动简图是机械类工程技术人员的基本能力之一，是进行机械产品的设计、分析的基础。冲床是机械产品中常见的一种机械装置。学习者可以通过冲床机构运动简图的测绘，学习机构自由度的计算方法及其计算机构自由度时应注意的复合铰链、局部自由度和虚约束事项，以及机构运动简图测绘的基本步骤。2.1 机构组成及运动
50、副 2.2 平面机构运动简图 2.3 平面机构具有确定运动的条件 2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计算 2.5 习题与练习 第2章 平面机构运动简图及自由度2.1 机构组成及运动副 2.1.1 构件及其自由度 2.1.2 运动副与约束 2.1.3 运动副的分类 2.1 机构组成及运动副 若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称该机构为平面机构，否则称为空间机构。大多数机构为平面机构，故本章只讨论平面机构。2.1.1 构件及其自由度 机械中每一个独立的运动单元体称为一个构件。它可以是若干个零件机械中每一个独立的运动单元体称为一个构件。它可以是若干个零件(机械中机械中
