第一章機械設計概論

1、課課 前前 須須 知知 這門課程是同學們初次接觸的第一 門專業(yè)基礎課，為了幫助同學們更好地 了解和學習這一門課程，在我們的共同 努力下，順利地完成教學計劃，在正式 上課以前，首先給大家介紹一些在學習 中應該注意的地方。 本課程的主要任務是培養(yǎng)學生本課程的主要任務是培養(yǎng)學生 1、掌握常用機構結構、特性等基本知識， 并初步具有運用、分析基本機構的能力。 2、掌握通用機械零件的工作原理、特點、 應用和簡單的設計計算方法，并初步具有選用 和分析簡單機械傳動裝置的能力。 3、具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等 有關技術資料的能力。 本課程從內容上主要包括兩大部兩大部 分分：原理和設計，作為本課程的完整教

2、學內容，在理論課程的學習之后，同學 們還必須進行為時2周的課程設計，這 是一個重要的實踐環(huán)節(jié)，鍛煉大家具體 應用本課程理論和方法的能力。關于這 門課程的學習方法問題，在緒論中再講， 這里需要將的是有關學習中應注意的地 方，也是為保證我們順利完成教學任務 的要求： 1 1紀律：紀律：這門課程的學習和其它各個 學科一樣，都需要大家認真上課、聽 講。如果放棄聽課的機會，完全寄希 望于在考前突擊復習，將需要付出雙 倍、甚至更大的努力。 2 2作業(yè)：作業(yè)：做作業(yè)是學習過程中一個十 分重要的過程，只有做作業(yè)才能檢驗 我們是否掌握了課堂的學習，也是對 課堂聽課內容的及時復習和鞏固。希 望同學們要獨立完成。

3、3 3筆記：筆記：本課程不同于純理論課，它具有 理論性和實踐性兩大特點。同時課時少， 內容多，我們不可能完全按照教材講授， 同時講授次序也不可能完全按照教材的 編排順序。希望同學們從現(xiàn)在開始就要 養(yǎng)成作筆記的習慣和能力，以便掌握講 授的主線，便于同學在復習時使用。同 時，作筆記也是大學生必備的素質之一。 做筆記可以分為兩個步驟：課堂速記： 字跡可以盡可能的潦草，以自己能夠辨 認為原則；課后整理：課后要及時整 理，補充和完善，要規(guī)范。 4 4預習：預習：希望同學們要預習下次上課的內容，不求 完全弄懂，只需要知道講授的主要內容，便于聽 課和作筆記。 5 5思考：思考：本課程具有很強的實踐性，許多問

4、題的解 決方法不是唯一的，那么答案也不是唯一的。作為 課堂講授，我們只能介紹比較成熟、常用的方法， 這一點同學們要特別注意，要對課堂所講授的內容 抱有“合理懷疑”的態(tài)度，要大膽第提問和質疑， 在以后專業(yè)課的學習中更是如此。在將來的工作崗 位上，對原有機構、方法和理論進行“合理懷疑” 而作出大量的創(chuàng)新活動，是一名科技工作者的必備 素質之一。 第一章第一章 機械設計基礎概論機械設計基礎概論 教教 學學 目目 標標 1）使學生了解本課程研究的對象、內容 以及其在培養(yǎng)高級機械工程技術人才全局 中的地位、作用和任務，從而明確學習本 課程的目的。 2）使學生對機械原理和設計 (Mechanisms （2）

5、 機器的運動設計機器的運動設計; （3）機器的動力）機器的動力 設計設計 （1）機器工作原理選擇）機器工作原理選擇 工作原理是實現(xiàn)預期職能的基本依據(jù)。我 們聽說過“條條道路通羅馬”的話，實現(xiàn) 同樣的預期職能，可以采用不同的工作原 理、方法和途徑。所以，在研制新機器時， 應結合具體情況提出多種不同的工作原理， 通過全面分析比較，從中選擇最滿意的一 種。例如采煤，可以使用風鎬，也可以使 用高壓水柱沖擊煤層開采，也可以采用割 煤機進行開采等。 （2）機器的運動設計）機器的運動設計 就是根據(jù)上一步確定的機器工作原 理，確定機器執(zhí)行部分的運動規(guī)律。例 如牛頭刨床，要求工作行程要慢、而返 回行程要快。這一

6、步主要依據(jù)我們前面 所述的機械原理知識來完成。這里，必 須同時考慮選擇適當?shù)脑瓌訖C，妥善考 慮和設計機械的傳動部分實現(xiàn)方法，并 考慮運動參數(shù)調整的必要性于可能性。 （3）機器的動力設計）機器的動力設計 根據(jù)機器的工作原理和運動設計結 果，按照機器的總體性能要求，根據(jù)其運 動特性、工作阻力、速度、傳動效率等， 計算機器所需的驅動功率，進行運動機的 選擇。同時也要考慮調節(jié)于控制的必要性 于可能性，也可以利用機械原理和電工學 知識來完成。 3）技術設計階段）技術設計階段 主要是依據(jù)原動機的特性和運轉特性或根據(jù) 零部件的工作載荷進行設計，一般采用前一種方 法，選擇設計出各零部件。 在工作原理確定之后的

7、工作，就是將前面選 定的設計方案通過必要的分析計算和結構設計， 用圖面（裝配圖、零件圖等）及技術文件的形式 來加以具體表示。包括：運動設計、動力分析、 整體布局、零件結構、材料、尺寸、精度和其它 參數(shù)的確定以及必要的強度和剛度計算等。反映 在實際工作的成果圖紙上，大體可以分為四 個步驟： （一）總體設計階段（一）總體設計階段：根據(jù)工作原理繪制 機器的機構運動簡圖，這是圖紙設計的第 一階段。在這個階段，要考慮各個機構主 要零件的大體位置。同時，為了擬訂機器 的總體布置，需要分析比較各種可能的傳 動方案。 （二）結構設計階段：（二）結構設計階段：考慮和決定各部分 的相對位置和聯(lián)接方法，零件的具體形

8、狀、 尺寸、安裝等一系列問題，把機構運動簡 圖變成具體的裝配圖（或結構圖），這是 圖紙設計的第二個階段。 （三）零件設計階段：（三）零件設計階段：裝配圖只確定了機 器的總體尺寸、各個零部件的相對位置及 配合關系，而沒有反映出各個零件的全部 尺寸、結構等。零件設計階段就是把機器 的所有零件（標準件除外）拆分出來，繪 制成零件圖，為加工提供依據(jù)。 （四）技術文件制定：（四）技術文件制定：完成圖紙滯后，必 須完成一系列的技術文件，應包括各種明 細表、系統(tǒng)圖、設計說明書和使用說明書 等。 4）施工設計階段（工藝設計）施工設計階段（工藝設計） 本階段是將設計與制造聯(lián)接起來的重 要環(huán)節(jié)，即規(guī)劃零件的制造工

9、藝流程，確 定工藝參數(shù)、檢測手段、夾具、模具設計 等工作。這些屬于機制工藝學課程的內容。 由于在很大程度上取決于經(jīng)驗、依賴于實 踐經(jīng)驗，所以計算機輔助工藝設計 （CAPP）未能像機械CAD一樣獲得突破 性進展和廣泛應用。 一個完整的設計過程不但包含以上四個 階段，還包括制造、裝配、試車、生產(chǎn)等 所有環(huán)節(jié)，對圖紙和技術文件進行完善和 修改，直到定型投入正式生產(chǎn)的全過程。 實際工作中，上述的幾個階段是交叉反復 進行的。 隨著計算機輔助設計、計算機仿真技 術、三維圖形技術以及虛擬裝配制造技術 的迅速發(fā)展，機械設計方法有了極大的變 革，借助這些技術我們可以極大地降低設 計和試制成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

10、 2.3 機械設計的基本要求機械設計的基本要求 一）機器應該滿足的基本要求一）機器應該滿足的基本要求 1使用性要求（實現(xiàn)預定的功能，滿足運動和使用性要求（實現(xiàn)預定的功能，滿足運動和 動力性能的要求）（功能性要求）動力性能的要求）（功能性要求） 機器必須能夠保證在預定壽命期間內，按照 規(guī)定的技術條件順利而有效地實現(xiàn)全部預期職能 的要求，不能失效。它是設計的最基本的出發(fā)點。 這是依靠正確選擇機器的工作原理、機構類型、 機械傳動系統(tǒng)方案，以及正確設計零部件的機構 組合來保證。 2經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求 這是一個綜合性指標，表現(xiàn)在設計制 造和使用兩個方面。提高設計制造的經(jīng)濟 性的途徑有三條：1）使產(chǎn)品系

11、列化、標 準化、通用化；2）運用現(xiàn)代化設計制造 方法；3）科學管理。 提高使用經(jīng)濟性的途徑有四條：1） 提高機械化、自動化水平；2）提高機械 效率；3）延長使用壽命；4）防止無意義 的損耗。 3安全性要求安全性要求 有三個含義：1）設備本身不因過載、失電 以及其它偶然因素而損壞；2）切實保障操作者 的人身安全（勞動保護性）；3）不會對環(huán)境造 成破壞。 勞動保護性有三個方面：1）提高操作安全性，在 外露的旋轉部件應添加安全罩，某些需要的地方需設立 安全報警裝置，例如煤氣、鍋爐等；2）降低體力及腦 力損耗，從操作力、過程的復雜程度、操縱數(shù)目等方面 進行考慮；例如在具有集中潤滑的大型設備中，采用如

12、圖所示的聯(lián)鎖裝置，以降低操作者的精神負擔。3）改 善操作環(huán)境，增加操作的舒適性，例如乘座的振動、機 器外觀的色彩搭配等等。 4工藝性要求工藝性要求 這包含兩個方面1）裝配工藝性2） 零件加工工藝性。在不影響工作性能 的前提下，應使機構盡可能地簡化， 力求用簡單的機構裝置取代復雜的裝 置去完成同樣的職能，便于拆裝，盡 量使用標準件。零件的結構合理，很 好的處理設計與制造的矛盾，滿足加 工制造的需要。 5可靠性要求可靠性要求 隨著機械系統(tǒng)日益復雜化、大型化、 自動化及集成化，要求機械系統(tǒng)在預定的 環(huán)境條件下和壽命期限內，具有保持正常 工作狀態(tài)的性能，這就稱為可靠性。 6其它特殊要求其它特殊要求 針

13、對某一具體的機器，都有一些特殊 的要求。例如：飛機結構重量要輕、食品 等機械、紡織機械等不得對產(chǎn)品造成污染 等。 二）機械零件設計的基本準則及一般步驟二）機械零件設計的基本準則及一般步驟 1、設計機械零件的基本要求、設計機械零件的基本要求 機械零件的設計，必須依據(jù)其在機 器中的作用及工作情況，滿足強度、剛 度、壽命、工藝性、可靠性以及某些特 殊的要求的一部分或全部內容。具體有 以下幾個方面： 1）在預定壽命期限內不失效）在預定壽命期限內不失效設計準則設計準則 機械零件應某種原因不能正常工作的現(xiàn)象 稱為失效失效。機械零件的主要失效形式有斷裂、 表面破壞（腐蝕、磨損和接觸疲勞等）、過量 殘余變形和

14、正常工作條件的破壞。維避免這些 失效，設計中需要考慮以下幾個問題。 a.強度要求強度要求 零件在工作時，在額定的工作條件 下，既不發(fā)生任何形式的破壞，也不產(chǎn)生超過 容許限度的殘余變形，能保證機器的正常運轉 和工作，我們就認為該零件滿足了強度要求。 強度不足是零件在工作中斷裂或過量殘余變形 的直接原因。 零件的強度分為體積強度和表面接觸 強度。零件在載荷作用下，如果產(chǎn)生的應 力在較大的體積內，則這種應力狀態(tài)下的 零件強度稱為體積強度體積強度（簡稱強度，即平 常我們所說的強度）。若兩個零件在受載 前后由點接觸或線接觸變?yōu)樾”砻娣e接觸， 且其表面產(chǎn)生很大的局部應力（稱為接觸 應力），這時零件的強度稱

15、為表面接觸強表面接觸強 度度（簡稱接觸強度）。 在設計中，除了部分受力較小或形狀復雜 無法計算的零件靠經(jīng)驗、實驗確定外，大多數(shù) 重要零件都是利用強度條件式來校核的（材料（材料 力學中的相關強度理論）力學中的相關強度理論）。 若零件的強度不夠，就會出現(xiàn)整體斷裂， 表面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能 力，所以設計零件時必須滿足強度要求。其設 計準則是： = F P S lim 其中: 稱作計算應力； 稱作許用抗拉應力 P拉力載荷； F面積尺寸； 極限應力； S安全系數(shù) 其含義是：零件中的應力應當小于或等于其許 用應力 才能滿足強度要求。該公式由于是 用來校核零件的初定剖面F是否滿足強度要求

16、的，所以稱為校核公式校核公式。 要注意的是：要注意的是：如果零件剖面上承受的載荷是剪 載荷，分別可以用剪應力和許用剪應力等代 入上面的式中進行計算。 lim 可以看出：強度準則就是把對零件起損傷作用強度準則就是把對零件起損傷作用 的一方（例如載荷和應力）與零件對損傷起抵的一方（例如載荷和應力）與零件對損傷起抵 抗作用的一方進行比較來判斷零件強度的抗作用的一方進行比較來判斷零件強度的。 通過上面的強度條件式，可以發(fā)現(xiàn)，提高提高 零件強度的措施有零件強度的措施有：1）增大零件危險剖面的尺 寸、合理設計剖面形狀，以增大剖面面積的慣 性矩；2）采用高強度材料，對材料進行提高強 度及降低內應力的熱處理，

17、控制加工工藝以減 小或消除微觀缺陷等；3）力求降低零件上的載 荷，例如減小軸的支承跨距以降低作用在其上 的彎矩，采用減振結構以降低沖擊載荷等；4） 妥善設計零件結構以降低應力集中程度等。 b.剛度要求剛度要求 在機器工作時，有時機器并沒有破壞，但是 由于零件的變形而導致機器的失效或不能正常 的工作或完成預定的工作任務。這就是剛度失 效。對于這類情況，我們不但要求進行強度的 計算，同時要進行剛度的計算。 零件的剛度要求是指工作時，零件所產(chǎn)生的 彈性變形不超過規(guī)定的限度。剛度的計算是利 用剛度條件式來判定的。針對彈性變形的二種 情況（彎曲和扭轉），剛度條件式分別為： yy 或； 有時也可以直接利用

18、剛度要求來進行設計， 一般來說滿足剛度要求的零件都滿足強度要求一般來說滿足剛度要求的零件都滿足強度要求。 剛度分為兩類：體積剛度和表面接觸剛度。 上面所述的剛度都屬于體積剛度。 兩個比較粗糙的接觸表面，在大的壓力作 用下，接觸表面的微觀凸峰將會被壓平，就會 引起兩零件的相對位置發(fā)生超過容許限度的變 化，就產(chǎn)生不能滿足接觸剛度的情況。在設計 時也應該給予充分的注意。 提高零件整體剛度的原則措施有提高零件整體剛度的原則措施有：1） 適當增加零件的剖面尺寸；2）合理設計 零件的剖面形狀；3）合理添置加強筋， 采用多支點結構；4）提高零件接觸表面 的加工精度或經(jīng)適度跑合，以降低表面粗 糙度；5）適當增

19、大接觸面積，以降低單 位壓力等。 c.壽命要求壽命要求 壽命要求就是要求零件在預定工作期間保持 正常工作而不致報廢。主要是針對那些在變應力 下工作和工作時受到磨損或腐蝕的零件提出的。 提高零件壽命的措施主要有：提高零件壽命的措施主要有：1）妥善設計 零件結構以降低應力集中程度；2）采用精加工 或表面強化處理以提高零件工作表面的質量；3） 合理選擇摩擦副配對材料、潤滑劑與潤滑方法以 提高零件抗磨損能力；4）選用耐腐蝕材料制造 在腐蝕介質中工作的零件；5）利用熱處理提高 零件材料的機械性能或利用滾壓、噴丸等工藝使 零件表面產(chǎn)生有利的殘余預應力等等。 d.振動性和噪聲要求振動性和噪聲要求 隨著機械向

20、高速發(fā)展和人們對環(huán)境舒 適性要求的提高，對機械振動和噪聲的要 求也越來越高。當機械或零件的固有振動 頻率等于或接近受激振源作用所引起的強 迫振動頻率時，將產(chǎn)生共振。這不但影響 機器的正常工作，甚至會造成破壞性事故。 因此，對于高速機械應該進行振動分析和 計算，采取降低振動和噪聲的措施。 具體來說，并不是每一類型的零件 都需要進行所有上述的計算，而是從實 際載荷的工作條件出發(fā)，分析其主要的 失效形式，再確定其計算準則，必要時 再按其它要求進行校核。例如，機床主 軸，首先根據(jù)剛度確定尺寸，再校核其 強度、振動穩(wěn)定性。 2) 工藝性要求工藝性要求 所謂機械零件的結構工藝性，是指在一 定生產(chǎn)條件下，能

21、夠方便經(jīng)濟地制造和裝配， 即零件的結構設計應使之易于加工。工藝性 要求也是零件設計的重要內容之一，必須要 從生產(chǎn)批量、材料、毛坯制作、加工方法、 裝配過程等方面進行全面的考慮。由于制造 費用一般要占產(chǎn)品成本的80以上，所以 工藝性的好壞直接影響著零件的經(jīng)濟性。有 人說：一個好的設計人員應該首先是一個工 藝師。 3） 經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求 零件的經(jīng)濟性要求就是要用最低的 成本和最少的工時制造出滿足技術要求的 零件。我們在進行設計時，必須時刻牢記， 要從降低材料消耗、盡可能利用廉價材料 代替昂貴的材料、盡可能多使用標準件等 等方面入手，努力提高經(jīng)濟性指標。 4） 可靠性可靠性 零件可靠性的概念與機

22、械系統(tǒng)可靠性 相似，并且用零件的可靠度來衡量。零件 可靠度定義為：在預定的環(huán)境條件下和使 用時間（壽命）內，零件能夠正常工作而 不會失效的概率（可能性）。 5） 標準化標準化 機械設計中的標準化是指對零件的特征參數(shù) 及其結構尺寸、檢驗方法和制圖的規(guī)范化要求。 機械零件設計的標準分為國家標準（GB）、部 頒標準（如JB、YB等）和企業(yè)標準等三級，這 些標準（特別是國家和有關部頒標準）是在機械 設計中必須嚴格遵守的。此外，進出口產(chǎn)品一般 還應符合國際標準化組織制定的國際標準（ISO）。 習慣上，又把零件的標準化、通用化和系列化稱零件的標準化、通用化和系列化稱 作作“三化三化”。這是縮短產(chǎn)品設計周期

23、、提高產(chǎn)品 質量合生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。 6） 其它要求其它要求 設計機械零件時，在滿足上述的前提 下還應力圖減小質量，減小材料消耗和慣 性載荷，對于行走機械可以增大其有效的 工作能力，從而提高經(jīng)濟效益。此外，對 于一些專門用途或在特殊環(huán)境下工作的機 械零件，還需要考慮諸如耐高溫或低溫、 耐腐蝕、表面裝飾和造型應美觀等要求。 2、機械零件設計的一般步驟、機械零件設計的一般步驟 1）根據(jù)零件的使用要求（如功率、轉速等），選擇零 件的類型及結構型式，并擬定計算簡圖。 2）分析作用在零件上的載荷（拉、壓力，剪切力）。 3）根據(jù)零件的工作條件，按照相應的設計準則，確定 許用應力。 4）分析

24、零件的主要失效形式，按照相應的設計準則， 確定零件的基本尺寸。 5）按照結構工藝性、標準化的要求，設計零件的結構 及其尺寸。 6）繪制零件的工作圖，擬定必要的技術條件，編寫計 算說明書。 在實際工作中，有時采用與上述設計 步驟相反的校核計算：即先參照已有的實 物或圖樣，根據(jù)經(jīng)驗采用類比法來初步確 定零件的結構尺寸；再根據(jù)載荷應力分析 來確定有關設計準則，并驗算零件中的工 作應力（或計算應力）是否小于或等于許 用應力，或者驗算其安全系數(shù)是否大于或 等于許用安全系數(shù)。 第三節(jié)第三節(jié) 許用應力和安全系數(shù)許用應力和安全系數(shù) 載荷是指構件或零件工作時所承受的外力。 根據(jù)載荷性質不同，可以分為靜載荷和變載

25、荷兩 類。不隨時間變化的或變化很小的載荷稱為靜載靜載 荷荷，在靜載荷作用下產(chǎn)生的不隨時間變化或 變化很小的應力稱為靜應力靜應力 （如圖（如圖14所示）所示）。如鍋爐 中的壓力、擰緊螺栓引起的 應力等。 圖 14 大小和方向隨 時間而變化的載荷 稱為變載荷變載荷。在變 載荷作用下產(chǎn)生的 隨時間變化的應力 稱為變應力變應力（例如 齒輪傳動中輪齒的 應力）。典型的有： 非對稱循環(huán)變應力、 對稱循環(huán)變應力和 脈動循環(huán)變應力三 類。 圖圖15 如圖15所示， 穩(wěn)定變應力的最 大應力為 最小應力為 其平均應力和應 力幅分別為： max min 2 minmax m 2 minmax a 圖圖15 最小應力

26、 與最大應力 之比稱為循環(huán)特征 r，即： 由上述可知，變應力參數(shù)共有五個， 即： 、 、r、 、 。 已知其中兩個參數(shù)便可以求出其余參數(shù)。而循環(huán) 特征參數(shù)r可以用來表示變應力的變化情況。 min max max min r min max m a 圖圖 16 圖圖15 圖圖 17 機械零件中的變應力多數(shù)情況下可以按照對 稱循環(huán)（r=1）或脈動循環(huán)（r0）來處理。 例如：轉軸中的彎曲應力可以看作對稱循環(huán) （r=1），單向轉動的轉軸中的扭轉切應力r 0；而一般情況下是1r2%）的鐵碳合金。其 碳大部分以石墨的形式存在于組織中，所以， 一般情況下其強度、韌性及硬度較低。但由于 石墨的存在，其耐磨性較

27、好，同時具有良好的 減振性能，而且價格低廉。鑄鐵也有多種，但 工程上常用的主要是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。 灰鑄鐵主要用來制造機座類零件和其它 一些常見的不重要零件。球墨鑄鐵由于石墨經(jīng) 過處理，成為球狀，使得其機械性能得到極大 的提高，在很多場合下成功地取代了某些碳素 鋼及合金鋼。其典型的使用例如發(fā)動機的曲軸 3）銅合金）銅合金 在機械中，各部分的聯(lián)接是靠運動副實現(xiàn) 的。而在運動副中，為了提高結構的可靠性、 耐磨性、降低成本（維修）等原因，大量使用 襯套、或軸瓦等零件。而這些零件的材料大多 是銅合金。 銅合金主要有：銅鋅合金、含錫青銅、無 錫青銅。 4）非金屬材料）非金屬材料 非金屬材料的種類繁多，在工程上也發(fā)揮著重 要的作用。例如橡膠密封墊、傳動帶、樹脂材 料制作摩擦片、塑料手柄等等。 3.1材料選擇原則材料選擇原