1、有的则根据结构和工艺上的要求，把一些零件刚性地连接在一起作为一个整体而运动，例如图1.1所示的内燃机的连杆由连杆体、螺栓、螺母和连杆盖4个零件刚性地连接在一起作为一个整体而运动的，成为机器中独立运动的单元，通常称为构件。构件与零件的区别在于：构件是运动单元，而零件是制造单元。 从运动的观点来研究机器，机器由机构组成，机构由若干构件组成，各构件之间具有确定的相对运动。一部机器可以包含一个机构（如电动机），也可以包含几个机构。如图1.2所示的单缸四冲程内燃机包含了3个机构：（1）曲柄滑块机构由曲轴2、连杆3、活塞4组成；（2）凸轮机构由进、排气阀5和6、从动杆7、凸轮8组成；（3）齿轮机构由齿轮9
2、和9、齿轮10组成。 1-连杆体；2-螺栓；3-螺母；4-连杆盖 1-机罩；2-曲轴；3-连杆；4-活塞；5、6-进、排气阀；7-从动杆；8-凸轮； 9、9 、10-齿轮图1.1内燃机的连杆 图1.2 单缸内燃机 1.2 机械零件常用材料及其选用 机械零件常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属。非金属材料如塑料、橡胶等，也可用作机械零件的材料。1.2.1 机械零件常用材料1金属材料 金属材料主要指铸铁和钢，都是铁碳合金材料，铁和钢区别主要在于含碳量的不同：含碳量小于2%的铁碳合金称为钢；含碳量大于2%的铁碳合金称为铁。（1）钢钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接和铸造方法加工各种
3、机械零件，并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛。钢的类型很多，按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构；工具钢可用于制造各种刀具、模具等；特殊用途钢（不锈钢、耐热钢、耐腐蚀钢）主要用于特殊的工况条件。按化学成分可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越多，其强度越高，但塑性越低。碳素钢包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。普通碳素结构钢（如Q215、Q235）一般只保证机械强度而不保证化学成分，不宜进行热处理，通常用于不太重要的零件和机械结构中。低碳钢的含碳量低于0.25%，其强度极限和屈服极限较低，塑性很高，可焊
4、性好，通常用于制作螺钉、螺母、垫圈和焊接件等零件。含碳量在0.1%0.2%的低碳钢零件可通过渗碳淬火使其表面硬而心部韧，一般用于制造齿轮、链轮等要求表面耐磨而且耐冲击的零件。中碳钢的含碳量在0.3%0.5%之间，其综合力学性能较好，因此可用于制造受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在0.55%0.7%的高碳钢具有高的强度和刚性，通常用于制作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳。合金结构钢是在碳钢中加入某些合金元素冶炼而成。每一种合金元素低于2%或合金元素总量低于5%的称为低合金钢；每一种合金元素含量为2%5%或合金元素总含量为5%10%的称为中合金钢；每一种合金元素含量高于5%或合金元素
5、总含量高于10%的称为高合金钢。加入不同的合金元素可改变钢的机械性能并具有各种特殊性质，如铬能提高钢的硬度，并在高温时防锈耐酸；镍使钢具有良好的淬透性和耐磨性。但合金钢零件一般都需经过热处理才能提高其机械性能，此外合金钢较碳素钢价格高，对应力集中亦较敏感，因此只用于碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。用碳素钢和合金钢浇铸而成的铸件称为铸钢，通常用于制造结构复杂、体积较大的零件，但铸钢的液态流动性比铸铁差，且其收缩率比铸铁件大，故铸钢的壁厚常大于10mm，其圆角和不同壁厚的过渡部分应比铸铁件大。机械零件常用材料机械性能详见附录2。（2）铸铁 常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰
6、铸铁和球墨铸铁属脆性材料，不能辗压和锻造，不易焊接，但具有适当的易熔性和良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。灰铸铁的抗压强度高，耐磨性、减振性好，对应力集中的敏感性小，价格便宜，但其抗拉强度与钢相比较差，灰铸铁常用作机架或机座。球墨铸铁的强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，球墨铸铁可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、阀体等。（3）有色金属除钢铁以外的金属材料均称为有色金属。有色金属具有良好的减磨性、跑合性、耐腐蚀性、抗磁性、导电性等性能，在工业中应用最广的是铜合金、轴承合金和铝合金，但有色金属比黑色金属价格贵。铜合金有黄铜与青铜之分：黄铜具有很好的塑性和流动性；青铜有锡青铜、铅青铜、和铝
7、青铜等几种，其减摩性和耐磨性比黄铜好。轴承合金（简称巴氏合金）为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗胶合性好，但强度低且较贵，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。2非金属材料非金属材料是现代工业和高技术领域中不可缺少和占有重要地位的材料，非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料。机械制造中应用的非金属材料种类很多，有塑料、橡胶、陶瓷、木料、毛毡、皮革、棉丝等。（1）橡胶橡胶富有弹性，有较好的缓冲、减振、耐热、绝缘等性能，常用来制作联轴器和减振器的弹性装置、橡胶带及绝缘零件等。（2）塑料塑料是合成高分子材料工业中生产最早、发展最快、应用最广的材料。塑料比重小，易制成形状复杂的零件，而且各种不同
8、塑料具有不同的特点，如耐蚀性、减摩耐磨性、绝热性、抗振性等。常用塑料包括聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、酚醛和氨基塑料等。工程塑料包括聚甲醛、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、尼龙、MC尼龙、氯化聚醚等。目前某些齿轮、蜗轮、滚动轴承的保持架和滑动轴承的轴承衬均有使用塑料制造的。一般工程塑料耐热性能较差，而且易老化而使性能逐渐变差。（3）陶瓷陶瓷材料具有高的熔点，在高温下有较好的化学稳定性，适宜用作高温材料。一般超耐热合金使用的温度界限为9501100，而陶瓷材料的使用温度界限为12001600，因此现代机械装置特别是高温机械部分，使用陶瓷材料将是一个重要的研究方向。此外，高硬度的陶瓷材料，具有
9、摩擦系数小、耐磨、耐化学腐蚀、比重小、线膨胀系数小等特性，因此可应用于高温、中温、低温领域及精密加工的机械零件，也可以做电机零件。以机械装置为代表使用的陶瓷材料叫工程陶瓷。（4）复合材料复合材料是将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相的复合材料，其既可以保持组成材料各自原有的一些最佳特性，又可具有组合后的新特性，这样就可根据零件对于材料性能的要求进行材料配方的优化组合。复合材料主要由增强材料和基体材料组成。还有一类是通过加入各种短纤维等的功能复合材料，如导电性塑料、光导纤维、绝缘材料等。近年来从材料的功能复合目的出发，应用于光、热、电、阻尼、润滑、生物等方面的复合材料不断
10、问世，复合材料的应用范围正得到不断的扩大。1.2.2 机械零件材料选用原则从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：1载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况对于承受拉伸载荷为主的零件宜选用钢材，承受压缩载荷的零件应选铸铁。脆性材料原则上只适用于制造承受静载荷的零件，承受冲击载荷时应选择塑性材料。2零件的工作条件在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料，在高温下工作的零件应选耐热材料，在湿热环境下工作的零件，应选防锈能力好的材料，如不锈钢、铜合金等。零件在工作中有可能发生磨损之处，应提高其表面硬度，以增强耐磨性，要选择适于进行表面处理的淬火钢、
11、渗碳钢、氮化钢。金属材料的性能可通过热处理和表面强化（如喷丸、滚压等）来提高和改善，因此要充分利用热处理和表面处理的手段来发挥材料的潜力。3零件的尺寸及质量零件尺寸的大小及质量的好坏与材料的品种及毛坯制取方法有关，对外形复杂、尺寸较大的零件，若考虑用铸造毛坯，则应选用适合铸造的材料；若考虑用焊接毛坯，则应选用焊接性能较好的材料；尺寸小、外形简单、批量大的零件，适宜冲压和模锻，所选材料应具有较好的塑性。4经济性选择零件材料时，当用价格低的材料能满足使用要求时，就不应该选择价格高的材料，这对于大批量制造的零件尤为重要。此外还应考虑加工成本及维修费用。为了简化供应和储存的材料品种，对于小批制造的零件
12、，应尽可能减少同一部设备上使用材料的品种和规格，使综合经济效益最高。1. 3 机械零件的失效形式及设计准则机械零件在预定的时间内和规定的条件下，不能完成正常的功能，称为失效。机械零件的失效形式主要有整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏（磨损、腐蚀和接触疲劳）等。磨损、腐蚀和疲劳是引起零件失效的主要原因。机械零件的失效形式与许多因素有关，具体取决于该零件的工作条件、材质、受载情况及其所产生的应力性质等多种因素。即使是同一种零件，由于材质及工作情况不同，也可能出现各种不同的失效形式。例如轴在工作时候，由于受载情况不同，可能出现断裂、过大的塑性变形、磨损等失效形式。为了使机械零件能在预定的时间内
13、和规定的条件下正常工作，设计机械零件时应满足下面的设计准则。1强度 强度是保证零件正常工作的基本要求，零件中的应力不得超过允许的强度。对于断裂来讲，应力不得超过材料的强度极限；对于残余变形来讲，应力不得超过材料的屈服极限；对于疲劳破坏来讲，应力不得超过零件的疲劳极限。为了使零件具有足够的强度，设计时必须满足下面的强度设计准则： （1.1）或 （1.2）式中， 、 分别为零件工作时的正应力和切应力； 和 分别为零件材料的许用正应力和许用切应力。 为了提高机械零件的强度，设计时可采用下列措施：（1）用强度高的材料；（2）使零件具有足够的截面尺寸；（3）合理设计机械零件的截面形状，以增大截面的惯性矩
14、；（4）采用各种热处理和化学处理方法来提高材料的机械强度特性；（5）合理进行结构设计，以降低作用于零件上的载荷等。2刚度 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。若零件刚度不够，将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例如若车床主轴的弹性变形过大，会影响加工精度。为了使零件具有足够的刚度，设计时必须满足下面的设计准则： （1.3） （1.4） （1.5）式中，y、 和 分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；y、 和 分别为零件的许用挠度、许用偏转角和许用扭转角。3寿命 机械零件应有足够的寿命。影响零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳。至今为止还没有提出实用且有效的有关腐蚀寿命的计算方法
15、，因而也无法列出腐蚀寿命的计算准则。关于磨损的计算方法，目前也没有简单、可靠的定量计算方法，因而只能采用条件性的计算。至于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷作为计算的依据。4可靠性 满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有的零件都能完成规定的功能，零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成预定功能的概率称为该零件的可靠度。可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量，不同零件的可靠度要求是不同的。设计时应根据具体零件的重要程度选择适当的可靠度。1.4 机械设计的基本要求及程序1.4.1 机械设计的基本要求虽然
16、不同的机械其功能和外形都不相同，但设计的基本要求大体是相同的，机械应满足的基本要求可以归纳为以下几个方面：1功能要求满足机器预定的工作要求，如机器工作部分的运动形式、速度、运动精度和平稳性、需要传递的功率，以及某些使用上的特殊要求（如高温、防潮等）。2安全可靠性要求（1） 使机器和零件在规定的载荷作用下和规定的工作时间内，能正常工作而不发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。（2） 能实现对操作人员的防护，保证人身安全和身体健康。（3） 对于机器的周围环境和人，不会造成危害和污染，同时要保证机器对环境的适应性。3经济性要求在产品整个设计周期中，必须把产品设计、销售及制造三方面作为一个系统工
17、程来考虑，用价值工程理论指导产品设计，正确使用材料，采用合理的结构尺寸和工艺，以降低产品的成本。设计机械系统和零部件时，应尽可能使零件标准化、通用化、系列化，以提高设计质量、降低制造成本。4其他要求应使机器外形美观，便于操作和维修。此外还必须考虑有些机器由于工作环境和要求不同，而对设计提出某些特殊要求，如食品卫生条件、耐腐蚀、高精度要求等。1.4.2 机械设计的一般程序机械设计就是建立满足机器功能要求的技术系统的创造过程。机械设计一般过程是：明确任务调查研究可行性论证总体设计技术设计样机试制修改图纸及工艺批量正式生产。1明确设计任务产品设计是一项为实现预定目标的活动，因此正确地决定设计目标（任
18、务）是设计成功的基础。明确设计任务包括定出技术系统的总体目标和各项具体的技术要求，这是设计、优化、评价、决策的依据。明确设计任务包括分析所设计机械系统的用途、功能、各种技术经济性能指标和参数范围，预期的成本范围等，并对同类或相近产品的技术经济指标，同类产品的不完善性，用户的意见和要求，目前的技术水平以及发展趋势，认真进行调查研究、收集材料，以进一步明确设计任务。2总体设计机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究。总体设计包括确定工作部分的运动和阻力，选择原动机的种类和功率，选择传动系统，机械系统的运动和动力计算，确定各级传动比和每根轴的转速、转矩和功率。总体设计时要考虑到机械的操作、维修、
19、安装、外廓尺寸等要求，确定机械系统各主要部件之间的相对位置关系及相对运动关系，人机环境之间的合理关系。总体设计对机械系统的制造和使用都有很大的影响，为此，常需做出几个方案加以分析、比较，通过优化求解得出最佳方案。3技术设计技术设计又称结构设计。其任务是根据总体设计的要求，确定机械系统各零部件的材料、形状、数量、空间相互位置、尺寸、加工和装配，并进行必要的强度、刚度、可靠性设计，若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案。技术设计时还要考虑加工条件、现有材料、各种标准零部件、相近机器的通用件等。技术设计是保证质量、提高可靠性、降低成本的重要工作。技术设计的目标是产生总装配图、部件装配图、零件
20、的工作图、编制设计说明书等。技术设计是从定性到定量、从抽象到具体、从粗略到详细的设计过程。4样机试制样机试制阶段是通过样机制造、样机试验，检查机械系统的功能及整机与零部件的强度、刚度、运转精度、振动稳定性、噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好地满足设计要求。5批量正式生产批量正式生产阶段是根据样机试验、使用、测试、鉴定所暴露的问题，进一步修正设计，以保证完成系统功能，同时验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济效益。机械设计是“设计-评价-再设计”不断创优过程，设计过程中应注意以下几点：（1） 设计过程要有全局观点，不能只考虑设计对象本身的问题，而要把设计对象看作一个系
21、统，处理人机环境之间的关系。（2） 善于运用创造性思维和方法，注意考虑多方案解，避免解答的局限性。（3） 设计的各阶段应有明确的目标，注意各阶段的评价和优选，以求出既满足功能要求又有最大实现可能的方案。（4） 要注意反馈及必要的工作循环。解决问题要由抽象到具体，由局部到全面，由不确定到确定。1.5 机械传动系统的传动方案设计通常机器原动部分（原动机）的输出转速、转矩以及运动形式不能直接满足执行部分（工作机）的要求，因此需要在它们之间采用机械传动装置。由于传动装置的选用、布局及其设计质量对整个机器的工作性能、重量和成本等影响很大，因此合理地拟定机械传动系统方案具有重要的意义。机械传动系统的设计是
22、一项比较复杂的工作。在机械传动系统设计之前必须首先确定好机械系统传动方案。为了能设计出较好的传动方案，需要在对各种传动型式的性能、工作特点和适用场合等进行深入、全面了解的基础上，多借鉴、参考前人成功设计的案例。机械传动系统设计的内容为：确定传动方案，选定电动机型号，计算总传动比和合理分配各级传动比，计算各传动装置的运动和动力参数。1.5.1 传动方案的确定为了满足同一工作机的性能要求，可采用不同的传动机构、不同的组合和布局。在总传动比保持不变的情况下，还可按不同的方法分配各级传动的传动比，从而得到多种传动方案以供分析、比较。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传递功率的大小，转速和运动
23、形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性好、成本低等要求。要同时满足这些要求是比较困难的，必须在满足最主要、最基本的要求的前提下权衡考虑其它因素。图1.3是电动铰车的三种传动方案，其中图1.3（a）方案采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用维护方便，但结构尺寸较大；图1.3（b）方案采用蜗轮蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低，对于长期连续使用时就不经济；图1.3（c）方案用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动，成本较低，但使用寿命较短。从上述分析可见，虽然这三种方案都能满足电动铰车的功能要求，但
24、结构、性能和经济性都不同，要根据工作条件要求来选择较好的方案。（a）二级齿轮减速器 （b）蜗杆蜗轮减速器 （c）一级齿轮减速器+开式齿轮传动图1.3 电动铰车传动方案简图1电动机；2、5联轴器；3制动器；4减速器；6卷筒；7轴承；8开式齿轮为了便于在多级传动方案中合理和正确地选择有关的传动机构及其排列顺序，以充分发挥各自的优势，在拟定传动方案时应注意下面的几点：（1）带传动具有传动平稳、吸收振动等特点，而且能起过载保护作用，但由于它是靠摩擦力来工作的，为了避免结构尺寸过大，通常把带传动布置在高速级；（2）链传动因具有瞬时传动比不稳定的运动特性，应将其布置在低速级，以尽量减小导致产生冲击的加速度
25、；（3）斜齿圆柱齿轮传动具有传动平稳、承载能力大的优点，加工也不困难，故在没有变速要求的传动装置中，大多采用斜齿圆柱齿轮传动。如传动方案中同时采用了斜齿和直齿圆柱齿轮传动，应将斜齿圆柱齿轮传动布置在高速级。在斜齿圆柱齿轮减速器中，应使轮齿的旋向有利于轴承受力均匀或使轴上各传动零件产生的轴向力能相互抵消一部分。另外，为了补偿因轴的变形而导致载荷沿齿宽方向分布不均，应尽可能使输入和输出轴上的齿轮远离轴的伸出端；（4）蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、工作平稳等优点，但其传动效率低，故只用于传递功率不大、间断工作或要求自锁的场合；（5）开式齿轮传动因润滑条件及工作环境都较差，因而磨损较快，故通常布置在
26、低速级。为了便于设计时选择传动装置，表1.1列出了常用减速器的类型及特性。若课程设计任务书中已提供了传动方案，则应对该方案的可行性、合理性及经济性进行论证，也可提出改进性意见并另行拟定方案。表1.1 常用减速器的类型及特性名 称简 图特性与应用场合一级圆柱齿轮减速器轮齿可用直齿、斜齿或人字齿。直齿用于低速（V8m/s）或载荷较轻的传动，斜齿或人字齿用于较高速（V=2550m/s）或载荷较重的传动。箱体常用铸铁制造，轴承常用滚动轴承。传动比范围：i=36，直齿i4，斜齿i6二级展开式圆柱齿轮减速器高速级常用斜齿，低速级可用直齿或斜齿。由于相对于轴承不对称，要求轴具有较大的刚度。高速级齿轮在远离转
27、矩输入端，以减少因弯曲变形所引起的载荷沿齿宽分布不均的现象。常用于载荷较平稳的场合，应用广泛。i=840二级同轴式圆柱齿轮减速器箱体长度较短，轴向尺寸及重量较大，中间轴较长、刚度差及其轴承润滑困难。当两大齿轮浸油深度大致相时，高速级齿轮的承载能力难以充分利用。仅有一个输入轴和输出轴，传动布置受到限制。i= 840一级圆锥齿轮减速器用于输入轴和输出轴的轴线垂直相交的传动。有卧式和立式两种。轮齿加工较复杂，可用直齿、斜齿或曲齿。i=25，直齿i3，斜齿i5二级圆锥-圆柱齿轮减速器用于输入轴和输出轴的轴线垂直相交且传动比较大的传动。圆锥齿轮布置在高速级，以减少圆锥齿轮的尺寸，便于加工。i=825一级蜗杆减速器（a）蜗杆下置式 （b）蜗杆上置式传动比大，结构紧凑，但传动效率低，用于中小功率、输入轴和输出轴垂直交错的传动。蜗杆下置式的润滑条件较好，应优先选用。当蜗杆圆周速度V 45m/s时，应采用上置式，此时蜗杆轴承润滑条件较差。i=1040NGW型一级行星齿轮减速器比普通圆柱齿轮减速器的尺寸小，重量轻，但制造精度要求高，结构复杂。用于要求结构紧凑的动力传动。i=3121.5.2
