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机械设计基础第3章
机械设计概述
机械零件材料选择与处理
零件结构设计与优化方法
联接与传动装置设计要点
轴系零部件布局与选型策略
总结回顾与拓展延伸
contents
目
录
01
机械设计概述
机械设计是根据使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
机械设计定义
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件下设计出最好的机械，即做出优化设计。
机械设计重要性
机械设计历史
机械设计的发展历程可以追溯到古代，如中国的简单机械和西方的阿基米德螺旋等。随着工业革命的到来，机械设计得到了飞速的发展，出现了许多新的设计理论和设计方法。
机械设计发展趋势
随着科技的进步和计算机技术的发展，机械设计正朝着智能化、自动化、精密化、绿色化等方向发展。未来，机械设计将更加注重创新、环保和高效。
机械设计基本原则
机械设计应遵循功能性、可靠性、经济性、美观性等基本原则，确保设计出的机械能够满足使用要求，具有良好的性能和寿命。
机械设计要求
在机械设计过程中，应充分考虑机械的使用环境、工作条件、安全因素等，确保设计出的机械符合相关标准和规范，能够安全、稳定、高效地运行。
优化设计
优化设计是一种追求最优解的设计方法，通过建立数学模型并运用数值计算方法进行求解，以获得最佳设计方案。
有限元分析
有限元分析是一种数值分析方法，通过将连续体离散化为有限个单元，并对每个单元进行力学分析，从而得到整个结构的力学特性。
计算机辅助设计（CAD）
CAD技术利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，帮助设计师快速、准确地完成设计任务，提高设计效率和质量。
模块化设计
模块化设计是一种将复杂系统分解为若干个独立模块的设计方法，每个模块具有独立的功能和结构，便于设计、制造和维护。
02
机械零件材料选择与处理
具有高强度、良好塑性和韧性，能够承受大载荷和冲击。但抗腐蚀能力较差，重量较大。
金属材料
非金属材料
复合材料
如塑料、橡胶、陶瓷等，具有优良的绝缘性、耐腐蚀性和耐磨性。但强度和刚度相对较低。
由两种或两种以上不同性质的材料组成，具有优异的综合性能，如高强度、高刚度、耐高温等。
03
02
01
根据零件的工作条件、载荷性质、运动速度等选择具有适当力学性能和物理性能的材料。
使用性能原则
考虑材料的加工难易程度、热处理性能、焊接性能等，以确保零件的加工质量和效率。
工艺性能原则
在满足使用性能和工艺性能的前提下，选择价格相对较低、来源广泛的材料，以降低制造成本。
经济性原则
降低材料硬度，提高塑性和韧性，消除内应力。
细化晶粒，提高材料强度和硬度，改善切削加工性能。
使材料获得高硬度和高耐磨性，但易产生变形和开裂。
消除淬火产生的内应力，稳定组织性能，调整材料硬度。
退火处理
正火处理
淬火处理
回火处理
电镀
喷涂
热喷涂
化学热处理
01
02
03
04
在零件表面沉积一层金属或合金，提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
将涂料喷涂在零件表面，形成一层保护膜，提高零件的抗腐蚀能力和美观度。
将熔融状态的涂层材料喷涂在零件表面，形成具有特殊性能的涂层。
通过改变零件表层的化学成分和组织结构，提高零件的表面硬度和耐磨性。
03
零件结构设计与优化方法
轴套类零件
包括各种轴、杆和套筒，主要起支撑、传递运动和动力作用，要求有足够的强度和刚度。
叉架类零件
包括各种拨叉、连杆、支架和底座等，主要起连接、支撑和定位作用，要求有足够的强度和刚度，同时考虑结构紧凑和重量轻。
轮盘类零件
包括各种齿轮、带轮、链轮、飞轮和端盖等，主要起传递运动和动力、改变运动方向或速度的作用，要求工作平稳、可靠。
箱体类零件
包括各种箱体、箱盖和外壳等，主要起支撑、包容和保护内部零件的作用，要求有足够的强度和刚度，同时考虑散热、密封和美观。
提高零件的强度、刚度和稳定性，降低制造成本和重量，改善零件的受力状况和延长使用寿命。
优化目标
采用拓扑优化、形状优化和尺寸优化等方法，通过数学模型和现代计算技术，对零件结构进行定量分析和优化设计。
优化方法
机床主轴结构优化
通过采用空心轴结构、合理布置支撑轴承和选用高强度材料等措施，提高主轴的刚度和抗振性能。
汽车轮毂结构优化
通过采用轻量化设计、加强筋结构和选用高强度合金材料等措施，降低轮毂的重量和提高承载能力。
减速器箱体结构优化
通过采用拓扑优化方法，对箱体壁厚进行合理分布，降低箱体重量和提高散热性能。
根据零件受力状况，采用变截面结构，使零件在满足强度和刚度要求的同时，降低重量和制造成本。
变截面结构
利用复合材料的优异性能，设计出具
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