机械设计第二章总论

1、 主要阐明机械设计及计算中的主要阐明机械设计及计算中的一些共同性问题一些共同性问题 第二章第二章 机械设计总论机械设计总论1、使用要求、使用要求实现预定功能，工作可靠。2、经济性要求、经济性要求三方面：三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。措施：措施： 1）设计中采用“三化”零部件；标准化、系列化、通用化2）应用成熟的新技术、新材料。3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。3、外观造型要求、外观造型要求颜色、造型、人机工程4、环保要求、环保要求噪音、废气、废液。如如：cng汽车。5、寿命与可靠性要求、寿命与可靠性要求机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：设计任务调研总体设计

2、 技术设计 试制 投产试验修改1、内插式：利用现有方案2、外推式：部分经验、部分未知3、开发性设计：新原理、新技术1、零件的工作能力零件完成一定功能并在预定使用期限内不失效。2、失效零件由于某种原因不能正常工作的现象。失效如何失效如何产生的？产生的？1)、材料的力学性能、材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能(机械性能机械性能)是指材料在外力作用下所表现出是指材料在外力作用下所表现出来的特性。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。来的特性。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。强度强度：材料在外力作用下抵抗断裂和塑性变形的能力。其衡量：材料在外力作用下抵抗断裂和塑性变形的能力。其衡量

3、指标有强度极限和屈服极限指标有强度极限和屈服极限塑性塑性：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的 能力称为塑性。能力称为塑性。硬度硬度：硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。：硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。强度极限：强度极限：零件在被拉断前所承受的最大应力叫强度极限。零件在被拉断前所承受的最大应力叫强度极限。屈服极限：屈服极限：在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。韧性：韧性：抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为

4、冲击韧度。疲劳强度：疲劳强度：许多零件受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。许多零件受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷这种交变载荷 经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。突然发生的，具有很大的危险性。2)、载荷与应力、载荷与应力1 1）循环变载荷）循环变载荷 a) a) 稳定循环变载荷稳定循环变载荷 b) b) 不稳定循环变载荷不稳定循环变载荷2 2）随机变载荷）随机变载荷载荷的分类载荷的分类 静载荷

5、：不随时间变化或变化缓慢的载荷。静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷：变载荷：随时间做周期性或非周期性变化的载荷随时间做周期性或非周期性变化的载荷名义载荷名义载荷（根据机器额定功率用力学公式计算出来的载荷，（根据机器额定功率用力学公式计算出来的载荷，没有考虑实际载荷的不均匀性、载荷的分布不均匀性等）没有考虑实际载荷的不均匀性、载荷的分布不均匀性等）计算载荷计算载荷 (用载荷系数用载荷系数k来概略估计各因素影响来概略估计各因素影响)应力的分类应力的分类 ttoto变应力静应力：r 1脉动循环：r 0对称循环：r 1非对称循环to在变应力下，零件的主要失效形式为：疲劳破坏静应力只能由静载荷

6、产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。变应力：；不稳定变应力： 稳定循环变应力 变应力及其基本变化规律变应力及其基本变化规律 22:minmaxminmaxmaxmin amr关系关系 otmaxminmamax 最大应力最大应力 min 最小应力最小应力 m 平均应力平均应力a 应力幅应力幅 r 变应力循环特性变应力循环特性 （应力比）（应力比）稳定循环变应力的基本参数稳定循环变应力的基本参数 3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形零件基本变形：零件基本变形：拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲拉伸与压缩、

7、剪切与挤压、扭转、弯曲组合变形组合变形整体断裂：因强度不够发生静强度断裂或疲劳断裂；整体断裂：因强度不够发生静强度断裂或疲劳断裂；过大的弹性变形或塑性变形；过大的弹性变形或塑性变形；零件的表面破坏：点蚀、挤压破坏、磨损、腐蚀；零件的表面破坏：点蚀、挤压破坏、磨损、腐蚀；破坏正常工作条件引起的失效：如打滑、共振、螺栓连接松破坏正常工作条件引起的失效：如打滑、共振、螺栓连接松动等动等归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性的影响等归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性的影响等几个方面的问题几个方面的问题 注意：同一种零件可能的失效形式往往有若干种。注意：同一种零件可能的失效形式往往有若干

8、种。2)、主要失效形式、主要失效形式3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形零件基本变形：零件基本变形：拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形零件基本变形：零件基本变形：拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲3、常见的主要失效形式：常见的主要失效形式： 1)、零件变形、零件变形疲劳点蚀现象断裂断裂二

9、、机械零件的设计准则二、机械零件的设计准则 对零件进行设计之前，针对其主要失效形对零件进行设计之前，针对其主要失效形式确定相应的设计准则式确定相应的设计准则 具体有：具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、可靠性准则则、振动稳定性准则、可靠性准则1、强度准则、强度准则 机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则 强度：强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：强度准则：指零件危险截面中的最大应力不超过允许限度指零件危险截面中的最大应力不超过允许限度 工作应力工作应力许用应力，即许用应力，即 或或 针对失效

10、形式：针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形断裂、疲劳破坏、残余变形 典型零部件：典型零部件：轴、齿轮、轴、齿轮、 带轮等带轮等slim 正应力：正应力：slim 切应力：切应力：极限应力极限应力2、刚度准则、刚度准则 刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：刚度准则：零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过机零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过机械工作性能所允许的极限值，即械工作性能所允许的极限值，即 实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件： y y y y 倾角条件：倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j

11、 jj j 针对失效形式：针对失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形 典型零部件：典型零部件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等3、 寿命准则：腐蚀、磨损、疲劳寿命准则：腐蚀、磨损、疲劳 磨损是相当复杂的物理化学过程磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等度、润滑剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损磨损、冲蚀磨损、微动磨损 对于腐蚀和磨损的计算方法还未解决。对于腐蚀和磨损的计算方法还未解决。 针对失效形式：

12、针对失效形式：零件表面破坏零件表面破坏 典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等4、振动稳定性准则、振动稳定性准则 共振：共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值 振动稳定性准则振动稳定性准则：0.85f 0.85f fpfp 或或 1.15f1.15ffpfp 针对失效形式：针对失效形式：共振产生

13、的工作失常共振产生的工作失常 典型零部件：典型零部件：轴等轴等5、可靠性准则、可靠性准则系统、机器或零件在规定的条件下和规定系统、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。的时间内完成规定功能的能力。 ：可靠度可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间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内完成规定功能的概率 trn n个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有n nf f个失效，剩下个失效，剩下n nt t个仍继续工作，则个仍继续工作，则 nnnnnnnrfftt1不可靠度（失效概率）不可靠度（失效概率）：

14、1,1tttftfrrnnfn n个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度个零件组成的串联系统，单个零件的可靠度: :r r1 1、r r2 2 、 r rn，则系统的可靠度为则系统的可靠度为r rf= =r r1 1r r2 2r rn 3 3 机械零件的设计方法机械零件的设计方法1 1、理论设计、理论设计 根据长期研究与实践总结出来的理论和实根据长期研究与实践总结出来的理论和实验数据进行的设计成为理论设计验数据进行的设计成为理论设计 理论设计的计算过程分为：理论设计的计算过程分为： a a）设计计算：直接求出危险截面尺寸）设计计算：直接求出危险截面尺寸a a。fa b b）校核计算：其他方法

15、初步设计）校核计算：其他方法初步设计 验算。验算。 2 2、经验设计、经验设计 根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。 如：箱体、机架或次要零件如不太受力的螺栓等如：箱体、机架或次要零件如不太受力的螺栓等 3 3、模型实验设计、模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺 寸样机进行实验。寸样机进行实验。 如：飞机机身、新型船舶的船体、大型水轮机、如：飞机机身、新型船舶的船体、大型水轮机、大型轧钢机的关键零件等。大型轧钢机的关键零件等。 ?af 在学习时应：注重从一个机器的物理本质、运在学习时应

16、：注重从一个机器的物理本质、运行的基本原理、性能参数和指标的基本关系来掌握行的基本原理、性能参数和指标的基本关系来掌握这门课程。具体来说：这门课程。具体来说：1.1.紧密联系实际，联系整体机械系统进行分析紧密联系实际，联系整体机械系统进行分析2.2.努力培养解决工程实际问题的能力，适应采用基于努力培养解决工程实际问题的能力，适应采用基于科研或实验得出的公式和数据估算的方法科研或实验得出的公式和数据估算的方法3.3.把握每章的重点及处理问题的思路和基本方法把握每章的重点及处理问题的思路和基本方法 机械通用零部件的设计与计算是本课程的基本内机械通用零部件的设计与计算是本课程的基本内容，其分析问题的

17、基本思路大致：容，其分析问题的基本思路大致：根据零件的工况、根据零件的工况、运动特点进行受力分析；确定该零件工作时可能出运动特点进行受力分析；确定该零件工作时可能出现的主要失效形式；建立该工况下零件不产生失效现的主要失效形式；建立该工况下零件不产生失效的设计准则；导出设计的设计准则；导出设计( (校核校核) )公式；计算出该零件公式；计算出该零件的主要几何尺寸的主要几何尺寸( (改进措施改进措施) )；进行结构设计并绘制；进行结构设计并绘制零件工作图零件工作图4 4 常用材料及其选择常用材料及其选择一、常用材料一、常用材料1 1 铸铁铸铁：含：含2.062.06易成型、价廉、吸振、可靠性差易成

18、型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 2 钢钢：含量：含量1.41.4常用常用 碳素钢碳素钢：（含、量不同）：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢：综合机械性能好，但较贵 合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：含铸钢：含（0.150.150.60.6）易成型易成型3 3 有色金属合金有色金属合金：有特殊性能，价昂：有特殊性能，价昂少用少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 4 非金属材料非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料工程塑料、橡胶、烧