第一章機械設計總論

1、第一章 機械設計總論1-1 機械設計課程簡介1-2 機械設計概述1-3 機械零件的計算準則1-4 機械零件的標準化、系列化和通用化1-5 機械零件常用材料和選擇原則1-2機械設計課程簡介機械設計課程簡介1-1 機械設計課程簡介機械設計課程簡介 一、本課程的性質(zhì)和內(nèi)容一、本課程的性質(zhì)和內(nèi)容 本課程是研究機械裝置和機械系統(tǒng)的設計問題，培養(yǎng)同學們具有機械本課程是研究機械裝置和機械系統(tǒng)的設計問題，培養(yǎng)同學們具有機械 設計能力的技術(shù)基礎課，是機械類專業(yè)的一門非常重要的主干課。設計能力的技術(shù)基礎課，是機械類專業(yè)的一門非常重要的主干課。 機械零件的設計是機械設計的基礎，是機械設計的重要組成部分。機械零件的設

2、計是機械設計的基礎，是機械設計的重要組成部分。 本課程是一門適用性廣、實用性強的設計性課程。本課程是一門適用性廣、實用性強的設計性課程。主要介主要介紹通用零件的基本設計方法。紹通用零件的基本設計方法。 本課程的最終目的本課程的最終目的在于培養(yǎng)同學們綜合運用各種機械零件在于培養(yǎng)同學們綜合運用各種機械零件和機構(gòu)以及其他先修課的知識，設計和機構(gòu)以及其他先修課的知識，設計機械傳動裝置機械傳動裝置和簡單機械和簡單機械的能力。的能力。本書討論的具體內(nèi)容是：（設計方法、步驟、原理） 1） 傳動部分帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及螺旋傳動等； 2） 聯(lián)接部分螺紋聯(lián)接，鍵、花鍵及無鍵聯(lián)接，銷釘聯(lián)接，鉚接、

3、焊接、膠接與過盈配合聯(lián)接等； 3） 軸系部分滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器與離合器以及軸等； 4） 其他部分彈簧、機座與箱體、減速器等；機械設計課程簡介二、本課程的特點 涉及面廣 關(guān)系多 與諸多先修課關(guān)系密切。受力分析 理論力學 應力分析 材料力學 材料選擇 材料與熱處理 要求多 設計一個機器或零件時，應同時滿足強度、剛度、耐磨性、工 藝、等各方面的要求。 門類多 典型的通用零件多、類型多；各類零件，設計方法各有不同。 公式多 除了定義式以外，對于大多數(shù)公式著重于公式的應用，不強調(diào) 公式的推導。 圖表多 要求能看懂、會用，了解適用的范圍和變化趨勢。 實踐性強不僅要讀懂書，還要多聯(lián)系實際，要注重實踐

4、性環(huán)節(jié)。 無重點又都是重點，設計工作必須詳盡，細小的疏忽也會導致嚴重事故。 設計問題無統(tǒng)一答案更多地談論誰設計得更好，要注意發(fā)展求異思維。機械設計課程簡介2 機械設計課程簡介三、學習中注意的幾個問題 著重學習零件的設計方法以及零件參數(shù)的合理選擇。 除了理論分析和計算以外，更應重視零件結(jié)構(gòu)設計的學習。 設計決非只是計算。 性能要求與經(jīng)濟性 永遠是一對矛盾，應學會合理地解決這一對矛盾。 經(jīng)驗設計與現(xiàn)代設計 二者均重要，前者是后者的基礎。機械設計課程簡介3 機械設計課程簡介水平水平1）掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力；2）樹立正確的設計思想，

5、了解國家當前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟政策；3）具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力；機械設計手冊其中的一個標準是查手冊的能力；4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技術(shù)的基本訓練；5）對機械設計的新發(fā)展有所了解。機械設計課程簡介1-2 機械設計概述機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設水平的重要標志。 大量地設計制造和廣泛采用各種先進的機器，可大大促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的現(xiàn)代化建設。人類社會的進步源于不斷地創(chuàng)新，產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設計工作開始的。設計是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序，要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，首先要有好的設計。一、機器的組成原動機傳動裝置執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)潤滑、顯示、照明等輔

6、助系統(tǒng)原動機部分原動機部分是驅(qū)動整部機器以完成預定功能的動力源； 執(zhí)行部分執(zhí)行部分是用來完成機器預定功能的組成部分； 傳動部分傳動部分是把原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運動形式、運動及動力參數(shù)。我們以洗衣機為例，來說明機械的組成：電動機進水排水渦輪皮帶傳動控制部分：正轉(zhuǎn)時間 反轉(zhuǎn)時間圖1 洗衣機機構(gòu)示意圖機械（機器）的組成（按功能分）原動機傳動機工作機輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)機械設計概述2機械機器和機構(gòu)的總稱。 零件是機器的制造單元。 分為： 通用零件：各種機器中常用的。 (是本課程的主要學習對象） 例如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、軸、聯(lián)軸器軸承、螺栓、 鍵、鉚、焊結(jié)構(gòu)件、彈簧等。

7、專用零件：只在某些特定的機器中才用到的。（在有關(guān)專業(yè)課中學習） 例如：葉片、曲軸等。 部件為完成同一使命在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)同工作的零件。 例如：滾動軸承、減速器等。機械零件 常用泛指零件和部件 機械設計概述幾個名詞：機械（機器）部 件零 件圖3 機械（機器）的組成（按大小分）二、機械設計的基本程序 一部新機器，從提出設計任務到形成定型產(chǎn)品，通常需要經(jīng)過四個階段，如右圖所示。機械設計概述3以洗衣機為例以洗衣機為例機械設計步驟機械設計步驟計劃階段計劃階段提出要求洗衣機自動進水洗 滌甩干（脫水）方案設計方案設計提出盡可能多的解決方法篩選、決策、評價（可靠性、經(jīng)濟上），選出最佳方案。單 缸雙 缸滾

8、 筒模糊控制自適應控制雙?？刂萍夹g(shù)設計技術(shù)設計目的：確定機械中各個零部件的結(jié)構(gòu)尺寸（量化）繪圖、對方案具體實施，出圖。技術(shù)文件編制：技術(shù)文件編制：編制設計計算說明書。 機械設計概述三、 機械設計的基本要求1） 功能要求2） 可靠性要求3） 經(jīng)濟性要求4） 社會性要求四、設計者應具備的基本素質(zhì)1） 掌握并能夠在設計中合理應用機械設計所需的各種知識。2） 具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。3） 具有認真細致、一絲不茍的工作作風。4） 具有團結(jié)協(xié)作精神。機械設計概述41-3機械零件的計算準則1-3 機械零件的計算準則幾個名詞：1）失效： 機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。注意：a) 失效并不單純指

9、破壞，破壞只是失效的形式之一。 機械零件的可能失效形式很多，主要有：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞、破壞正常工作條件引起的失效。 b) 同一種零件可能的失效形式往往有若干種。 例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過大彈性變形、共振等失效。2）工作能力： 即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力。（如：強度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性）3）工作能力計算準則： 為防止機械零件發(fā)生某種失效而應滿足的條件。 （也可以理解為是機械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設計零件時的理論依據(jù)）。一、強度準則一、強度準則機械零件的計算準則2機械零件的計算準則 為了防止機械零件在工作中產(chǎn)生失效，設計時，需要以零件的工作能

10、力計算準則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有兩種： 5）設計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算 準則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。 6）校核計算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗算零件是否滿足計 算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。 載荷和應力載荷和應力1. 載荷由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。 靜載荷：大小與方向不隨時間變化或隨時間變化緩慢的載荷變載荷：大小或方向隨時間變化的載荷叫變載荷。按是否隨時間變化，分為：按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：機械零件的計算準則3名義載荷： 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不計動載荷的影響）計算載荷載荷系數(shù)K名

11、義載荷 。 （代表機器或零件實際所受載荷） 載荷系數(shù)K：用于計入動載荷的影響。額定載荷： 由原動機的額定功率推算出的載荷。2 . 應力應力分為靜應力變應力：機械零件的計算準則注：靜應力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應力可由變載荷產(chǎn)生，也可 由靜載荷產(chǎn)生。另外，應力還分為名義應力：根據(jù)名義載荷求得的應力計算應力：根據(jù)計算載荷求得的應力N.m機械零件的計算準則4（一）整體強度（一）整體強度強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 1. 強度條件 有兩種表示方法：1） 用應力表示： Slim2）用安全系數(shù)表示：SSlimS式中：計算最大應力lim極限應力計算安全系數(shù)SS許用應力許用安全系

12、數(shù)注：對于切應力，只須將上述各公式中的 換成 即可。機械零件的計算準則2. 極限應力的確定其中S1機械零件的計算準則51 1）靜應力下的極限應力）靜應力下的極限應力 在靜應力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料 單向應力狀態(tài)下： slimslim，（屈服極限）復合應力狀態(tài)下： 按第三或第四強度理論計算當量應力。 脆性材料 單向應力狀態(tài)下： ，（強度極限）blimblim復合應力狀態(tài)下： 按第一強度理論計算當量應力。 機械零件的計算準則注：1）對于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計算靜強度 時，可不考慮應力集中的影響。 2）對于組織

13、均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應 考慮應力集中的影響。2）變應力下的極限應力）變應力下的極限應力計算變應力下的強度時，應取 疲勞極限 （詳見第二章）。 limrN3. 3. 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù) S 合理選擇許用安全系數(shù) 是設計中的一項重要工作。 過大，則機器會過于笨重；過小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應 盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。 的取值主要受下列因素的影響SSS 1） 計算的準確性； 2）材料的均勻性； 3）零件的重要性。(二）二）表面接觸強度表面接觸強度 對于高副零件，理論上是點、線接觸，但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點、線接觸變成了

14、很小的面接觸，在接觸處機械零件的計算準則機械零件的計算準則7局部會產(chǎn)生很高的應力，這樣的應力稱為表面接觸應力，用 表示。 的大小用赫茲公式計算，公式見教材P35P35。（齒輪嚙合時，大齒輪、小齒輪的接觸應力是否相等？）HH機械零件的計算準則 實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應力作用，脫離嚙合時不受應力作用。 在接觸循環(huán)應力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為： HH 接觸循環(huán)應力作用下的失效形式是：疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕的危害： 1）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。 2）減小零件的有效工作面積。 機械零件的計算準則8機械零件的計算準則（

15、三）表面擠壓強度（三）表面擠壓強度 兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面上產(chǎn)生的應力稱為擠壓應力，用 表示。 p 在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為： pAPp 擠壓應力作用下，接觸面的失效形式是“壓潰” 。注：相互擠壓表面上的擠壓應力相等。二、剛度準則二、剛度準則 剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。 例如：機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。P擠壓力，N； A 擠壓面積，mm2；機械零件的計算準則10機械零件的計算準則剛度條件為：實際變形量許用變形量式中：實際變形量可用相關(guān)理論計算或

16、由實驗方法確定。 許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。 注注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。 2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。 三、摩擦學準則三、摩擦學準則 （耐磨性計算） 到目前為止對于磨損失效還沒有一個完善的計算方法。通常只進行條 件性計算，通過限制影響磨損的主要因素防止產(chǎn)生過大的磨損量。 即 壓強不超過許用值 p p 速度不超過許用值 壓強與速度乘積不超過許用值 p p 注：限制 p 值就是間接的限制因摩擦而產(chǎn)生的熱量，防止溫度過高。機械零件的計算準則四、振動穩(wěn)定性準則四、振動穩(wěn)定性準則 當作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自

17、激振 動頻率（固有頻率）時，便發(fā)生共振，導致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。 振動穩(wěn)定性準則振動穩(wěn)定性準則：使零件的自激振動頻率 f 遠離外力變化 的頻率 。 即 0.85 f 或 1.15 fFfFfFf 下面我們以設計千斤頂立柱為例，來說明機械零件的設計步驟：dl車自重W=2000kg=2噸s為屈服極限min24SdWs由此可求出d；其中Smin根據(jù)工作環(huán)境來定。機械零件的設計大體要經(jīng)過以下幾個步驟：機械零件的設計大體要經(jīng)過以下幾個步驟： 1、選擇零件類型和結(jié)構(gòu)。 2、載荷分析（受力分析）：W應力分析：24dWs Wd43、分析失效分析，如斷裂， ，確定計算準則：（依據(jù)防止斷裂失效）4、材料的選擇：45#鋼、40Crs（手冊查到）5、計算零件的主要尺寸： 6、結(jié)構(gòu)設計l：