第一二三章 教案与讲稿

1、河海大学 机电学院教案与讲稿课程：机械设计 200112012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节第一章 绪 论教 学 课 题机械设计课程的内容、性质与任务；目的与要求了解一般机器的作用，机器的组成要素、本课程涵盖的内容。教学重点了解机器设计过程中通用零件、专用零件和部件的概念难点教 具课件讲 稿（教学要点与板书）教 学 法11 机械设计课程的内容、性质与任务一、本课程的研究对象 机械系统-主体 机架 零件电气系统 各种机构 部件 通用零件机器（机械） 机械零件 液压气动系统 构件零件 专用零件控制监测系统机械设计：是为了机器的某些特定功能要求而进行的创造性工作。本课程的研究对象：为一般参数的通

2、用零件的设计理论与设计方法本课程的性质：是以一般通用零件的设计计算为核心的设计性课程，是一门设计性、综合性和实践性都很强的技术基础课。 本课程的任务：1）树立正确的设计思想2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。）4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。5）了解机械设计的最新动态。学习本课程的注意事项：1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统中加以考虑。2）注意掌握零部件的共性3）掌握机械零部件设计的一般思路课程：机械设计 20112012 学年 上学期河海大学 机电学院教案与讲稿课程：机械设计 200112

3、012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节 第二章 机械及机械零件设计概要教 学 课 题设计机器时应满足的基本要求；设计机器的一般程序；机械零件设计概述；机械零件的失效形式和设计准则；目的与要求了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则教学重点失效形式和计算准则难点教 具课件讲 稿（教学要点与板书）21 机器的组成辅助系统，例如：润滑、显示、照明等原动机传动装置控制系统工作机原动机部分：动力源（将其他形式的能转化为机械能） （人力、畜力、风力、水力、电机、内燃机等）执行部分（工作）： 要求：运动：直线、回转、间歇 动力：力（F)、力矩(MT)、功率(P) 传动部分：传递运动和

4、动力 控制系统：人脑、电脑 辅助系统：冷却、润滑、电系、指示等22 机械设计的基本要求及设计程序一、机械设计的基本要求1、对机械设计的要求a) 对机器使用功能方面的要求 要注意协调、平衡！b) 对机器经济性的要求 设计经济性， 使用经济性 要有最佳的性能价格比2、对机械零件设计的基本要求a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能b) 要尽量降低零件的生产、制造成本对机器的设计要求和对机械零件的要求、两者相互联系、相互影响二、机械设计的一般程序1、机器设计的一般程序，如下表阶段 小批生产试销市场调研可行性研究投产试制、试验技术设计原理方案设计目标 设计任务书 定出最佳方案 装配图

5、零件图 样机评价 考核工艺性 产品 及其它技术文件 改进 收集用户意见 销售对具体的机器，其设计程序可能各不相同。2、机械零件设计的一般步骤1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷名义载荷（公称载荷、额定载荷） K载荷系数2）选择零件的类型与结构3）选择零件的材料4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整5）零件的结构设计6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。 设计计算机械零件计算 交替进行 校核计算23 机械零件的主要失效形式和设计计算准则一、机械零件的失效形式失效：（定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效失效形式 强度失效 整

6、体强度 刚度失效 表面强度 磨损失效 振动、噪声失效 精度失效 可靠性二、机械零件的计算准则工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则，称为1、强度准则 极限应力 计算安全系数 静强度2、刚度准则刚度：零件在载荷作用下抵抗变形的能力按强性力学或材料力学方法计算 变形量 许用变形量y可以是挠度、偏转角或扭转角3、耐磨性准则耐磨性是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力磨损的后果：表面形状破坏，强度削弱、精度下降、振动、噪音破坏 80%零件失效的基本原因是磨损。准则：4、振动和噪声准则（环保）高速机械或对噪声有特别要

7、求的机械振动是噪声产生的原因要求机械振动频率远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即如不满足可采取的措施：1）改变机械及零件的刚度；2）采取减振措施5、热平衡准则温升过度润滑失效磨损、胶合失效准则： 温升不满足时措施：1）改进润滑；2）冷却6、可靠性准则可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力指标：可靠度 表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率N个相同零件在同样条件下工作（同时），在规定的时间内有个失效，剩下个仍继续工作，则不可靠度（失效概率）：n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度分别为R1、R2，Rn，则系统的可靠度为Rf=R1、R2R

8、n并联系统，如图，其可靠度R=1-(1-R1)(1-R2)（1-Rn）对可靠性要求较高的系统与机械要求进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性，另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并经常维护，保养。24 机械零件常用的材料及其选择原则一、机械零件的常用材料1、黑色金属铸铁：灰良好的切削加工性和减震性，常用作机座和机架 球墨强度高、耐磨性好，减震性，抗冲击曲轴、齿轮 可锻铸铁马口铁，强度和塑性较高，当零件尺寸小，形状复杂，而不能用铸钢或锻钢制造时铸钢铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好，用于重载零件铸造。 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差（组织没那么致密）铸钢：

9、碳素铸钢；低合金铸钢；中合金铸钢；高合金铸钢碳钢与合金钢应用最广泛碳钢：普通；优质（化学成份比较稳定）2、有色金属有减摩、抗腐蚀、耐热性、电磁性等较好a) 铝合金重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好高强度铝合金强度可与碳素钢相近，可作承载零件，在飞机、汽车及其他行走机械上有广泛应用。b) 铜合金耐磨、耐腐蚀和自润滑性： 黄铜Cu与Zn合金 青铜Cu与Sn的合金 无锡青铜Cu与铝、硅、锰、镍的合金。其他合金（镁合金、钛合金、轴承合金等）3、非金属材料 橡胶弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件塑料轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体陶瓷电热性好，硬度高4

10、、复合材料二、机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求1、使用要求（首要考虑）：1）零件的工况；2）对零件尺寸和质量的限制；3）零件的重要程度2、工艺要求：1）毛坯制造；2）机械加工；3）热处理3、经济性要求：1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则5）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）。另外，还要考虑当地材料的供应情况25 机械设计的最新进展1、设计理论的不断完善与发展2、设计手段和方法的不断更新3、机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和深入机电一体化4、机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进 标准零件

11、机械零件 ，“三化”一系列化、标准化、通用化三化程度是衡量产品优劣的 非标准件 重要指标河海大学 机电学院教案与讲稿课程：机械设计 200112012学年上学期 主讲教师：苏 洲 章节第三章 机械零件的强度教 学 课 题零件的失效和零件的工作能力；疲劳曲线和极限应力线图；变应力下零件的疲劳强度计算机械零件的接触强度；目的与要求掌握极限应力图和单向稳定变应力时强度计算教学重点极限应力图绘制及应用难点教 具课件讲 稿（教学要点与板书）31 载荷与应力的分类一、载荷的分类 静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化） 2）随机（变）载荷载荷的频率和幅值均

12、随机变化循环变载荷：a) 稳定循环变载荷每个循环内载荷不变，各循环周期又相同（往复式动力机曲轴）b) 不稳定循环变载荷每一个循环内载荷是变动的载荷：1）名义载荷；2）计算载荷。（如前章所述）二、应力的分类1、应力种类应力 静应力 不稳定变应力变应力中，每次应力变化的周期T、和应力幅变应力 三者之一不为常数 稳定循环变应力T、均不变不稳定变应力 规律性不稳定变应力 图2-2a 随机变应力统计 图2-2b稳定循环变应力的基本参数和种类：（参数间的关系：图示）2、稳定循环变应力的基本参数和种类a) 基本参数最大应力、最小应力，平均应力，应力幅最小应力平均应力 应力幅 应力循环特性： 注意：一般以绝对

13、值最大的应力为五者中，只要知道两者，其余参数即可知道，一般常用如下的参数组合来描述：和；和；和b) 稳定循环变应力种类 -1，=,=0 ， 对称循环变应力按= 0，=0，=， 脉动循环变应力 ， =+，=-， 不对称循环变应力 +1， 静应力其中最不利的是对称循环变应力。注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生，其实例如图2-4所示转动心轴表面上a点产生的应力情况3）名义应力和计算应力名义应力由名义载荷产生的应力计算应力由计算载荷产生的应力计算应力中计入了应力集中等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力32 静应力时机械零件的强度计算静应力时零件

14、的主要失效形式：塑性变形、断裂一、单向应力下的塑性零件强度条件： 或 、材料的屈服极限 、计算安全系数 ，许用安全系数二、复合应力时的塑性材料零件按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算设单向正应力和切应力分别为和由第三强度理论： 取（最大剪应力理论） 或由第四强度理论： 或（最大变形能理论） 、分别为单向正应力和切应力时的安全系数，可由式（2-4）求得。三、脆性材料与低塑性材料脆性材料极限应力：（强度极限）塑性材料极限应力：（屈服极限）失效形式：断裂，极限应力强度极限和1、单向应力状态强度条件： 或 或 2、复合应力下工作的零件按第一强度条件： （最大主应力理论） 注意：低塑性材料（低

15、温回火的高强度钢）强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料（铸铁） 强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数103（104）可按静应力强度计算。3-3 机械零件的疲劳强度计算一、变应力作用下机械零件的失效特征 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）机械零件的断裂事故中，有80%为疲劳断裂。2、疲劳破坏特征：1）断裂过程：产生初始裂反（应力较大处）；裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。2）断裂面：光滑区（疲劳发展区）；粗糙区（脆性断裂区）（图2-5）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。3、疲劳破坏的机理：是损伤的累笱4、影响因素：除与

16、材料性能有关外，还与，应力循环次数N，应力幅主要影响当平均应力、一定时，越小，N越少，疲劳强度越高二、材料的疲劳曲线和极限应力图疲劳极限循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N称为疲劳寿命1、疲劳曲线（-N曲线）：一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数N之间关系的曲线循环基数 持久极限1）有限寿命区当N103(104)低周循环疲劳疲劳极限接近于屈服极限，可接静强度计算高周循环疲劳，当时，随N2）无限寿命区， 不随N增加而变化持久极限，对称循环为、，脉动循环时为、注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区，如图所示。

17、3）疲劳曲线方程常数疲劳极限： （2-9）寿命系数几点说明： 硬度350HBS钢，当时，取， 350HBS钢，时，取， 有色金属，（无水平部分），规定当时，取m指数与应力与材料的种类有关。钢 m=9拉、弯应力、剪应力 青铜 m= 9弯曲应力 m=6接触应力 8接触应力越大，材料的疲劳极限与越大，（对称循环）最不利。2、材料的疲劳极限应力图同一种材料在不同的下的疲劳极限图（图）对任何材料（标准试件）而言，对不同的下有不同的，即每种下都对应着该材料的最大应力，再由可求出和、以为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同下的极限和的关系图简化的材料与零件的疲劳极限详应力图：如图2-7AB塑性材料所示，曲线上

18、的点对应着不同下的材料疲劳极限（相应的应力循环次数为） 对称极限点 强度极限点， 脉动疲劳极限点屈服极限点简化极限应力线图：简化极限应力图可简化计算（曲线不好求，而直线好求）考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由点作135（与轴）斜线与的延长线交于，得折线，线上各点的横坐标为极限平均应力，线上各类的纵坐标为极限平均应力幅上各类：，如不会疲劳破坏上各类：，如不会屈服破坏零件的工作应力点位于折线以内时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。以内为疲劳和塑性安全区以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。材料的简化极限应力线图，可根据材料的和三个试验数据而作出。目前世界上

19、常用的极限应力图 haigh图，即图（本书） goodmam图，即图 simith图，即图三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响，使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤以应力集中、零件尺寸和表面状态三项因素对机械零件的疲劳强度影响最大。1、应力集中的影响有效应力集中系数零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感，如合金钢材料比普通碳素钢对应力集中更敏感（玻璃材料对应力集

20、中更敏感） （2-10a）其中，为考虑零件几何形状的理论应力集中系数 应力集中源处最大应力 应力集中源处名义应力材料对应力集中的敏感系数注意：若在同一截面处同时有几个应力集中源，则应采用其中最大的有效应力集中系数2、零件尺寸的影响尺寸系数由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著见表2-8（螺纹联接），图2-9（钢），图2-10（铸铁）轴毂过盈配合时，取表2-9若无数据时可取，或3、表面状态的影响1）表面质量系数零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响图2-11（弯曲疲劳时）而 由图2-11可知，钢

21、的越高，表面愈粗糙，愈低，高强度合金钢制零件为使疲劳强度有所提高，其表面应有较高的表面质量。2）表面强化系数考虑对零件进行不同的强化处理，对零件疲劳强度的影响强化处理评火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺4、综合影响系数和零件的极限应力图应力集中，零件尺寸和表面状态只对应力幅有影响，而对平均应力无影响试验而得。1）综合影响系数只对有影响，而对无影响（或应力集中只影响，而不影响）综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值，即 2、零件的极限应力图由于只对有影响、而对无影响，在材料的极限应力图上几个特殊点以坐标计入影响，得到零件极限应力线图上的几个特殊点。零件对称循环疲劳

22、点零件脉动循环疲劳点而是静强度极限，其不受的影响，所以该段不必修正连AD并延长交CG于G点，则ADGC即为零件的简化极限应力图AG许用疲劳极限曲线，GC屈服极限曲线直线AG方程：设AG上任一点坐标，由已知两点A（0，），D()求得为（）化简后得 （2-16）或 （2-16）其中，标准试件中的材料特性 （2-19） 零件的材料特性 （2-18）一般碳钢，合金钢切应力同样可得： 且直线CG方程： 直线CG上任一点的坐标。四、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 单向只有或根据零件危险剖面的和求出和，在零件极限应力图上标出其工作点（，），然后在零件极限应力图上ADGC上确定相应的极限应力点（），由允许的极

23、限应力与工作应力可求得零件的安全系数，然而，如何确定与零件工作应力点相对应的极限应力点，这与零件工作应力的可能增长规律有关，即与零件的应力状态有关。一般有三种情况1、大多数转轴中的应力状态过原点与工作应力点M或N作连线交ADG于和点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同和点即为所求的极限应力点a)当工作应力点位于OAG内时极限应力为疲劳极限接疲劳强度计算，零件的极限应力（疲劳极限）AG：又：联立求得强度条件为：b)工作应力点位于OGC内（N点）极限应力为屈服极限按静强度计算，则极限应力点为，点位于GC上，2、振动中的受载弹簧的应力状态即需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力如

24、图，过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AGC于（）点，即为极限应力点a)当工作应力点位于OAGH区域极限应力为疲劳极限由 AG： 联立 MM2 （2-23）强度条件：b）工作应力点位于GHC区域内极限应力为屈服极限按静强度计算极限应力点位于GCI，强度条件为：3、的情况变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态需找一个最小应力与工作应力的最小应力相同的极限应力，过工作应力点M（N）作与横坐标类45的直线，则这直线任一点的最小应力均相同，直线与极限应力线图交点即为所求极限应力点。a)工作应力点位于OJGI区域内极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。由：AG： 联立求解 ： (2-25)强度条件

25、为：b)工作应力点位于IGC区域内时极限应力为屈服极限，按静强度计算极限应力点为，位于GC上，静强度条件：c）工作应力位于OAJ区域内为负值，工程中罕见，故不作考虑。注意：1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用的情况计算。2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限，即应以代，以代。3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。5）等效应力幅当时，中可将看作为转化的应力幅，也可看成应力幅，是将平均应力折算为应力幅的折算系数将看成与原来作用的非

26、对称循环变应力等效的对称循环变应力的应力幅（对称循环），而为对称循环的疲劳极限，也是对称循环的极限应力幅，即，五、双向稳定变应力时的疲劳强度计算零件剖面上同时作用有和，一般有拉扭复合和弯扭复合应力状态，目前，只有对称循环下弯扭复合应力在同周期同相位状态下的疲劳强度理论比较成熟，应用比较多。1、对称循环稳定变应力时，当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力和时，经试验后极限应力关系为（钢材） (2-29)式中，同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（,同时作刚j ），为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（、单独作用）式（2-29）在以的坐标系中为一个单位圆 圆弧任何一点即代

27、表一对极限应力和，如果工作应力点M（）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点确定时，一般认为比值不变（多数情况如此），点在OM直线的延长线上，如图所示（）计算安全系数 （a）将代入上式得(b)将式（b）代入式（2-29）得记，则由此得：零件只受对称循环正应力时的安全系数零件只受对称循环切应力时的安全系数强度条件为2、零件受非对称循环变应力时，由式（2-21）， 强度条件为六、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算不稳定变应力 规律性如图2-17所示为规律性不稳定变应力直方图，例如机床主轴非规律性采用统计方法进行1、疲劳损伤累积假设每一次应力的作用下，零件的寿命就要受到微量的疲劳损伤，当疲劳损伤累积到一定程度，达到疲劳寿命极限时便发生疲劳断裂。变应力值：发生疲劳时极限循环次数：应力循环次数：对材料损伤率：由于当零件达到疲劳寿命极限时，理论上总寿命损伤率为1，极限状况时 或 （2-33）（Miner方程，曼耐尔理论）注意：上述公式没有考虑应力次序的影响。（认为与应力作用的次序无关）实际上：当各应力从大到小次序作用时，上式左边小于1 当各应力从小