机械设计基础概论

1、9第一章机械设计基础概论【教学内容】：机器的组成及概念；机器和机械零件设计的基本知识及现代设计方法;本课程的性质、内容、任务及学习方法等。【基本要求】：明确本课程研究的对象和内容、学习方法；掌握机械、机器、机构、构件和零件等概念的含义；了解机械零件的失效形式及设计计算准则、机械零件设计的标准化、系列化及通用化。【教学重点及难点机械、机器、机构、构件和零件等；机械零件的失效形式及设计计算准则。【教学方法:讲授法多媒体教学、实训教室现场教学【学时课堂教学：2学时；第一节机械工业发展概况（略）第二节机器的组成一、机器的组成1、机器和机构机器凡能实现确定的机械运动，又能作有用的机械功或完成能量、物料与

2、信息转换和传递的装置就称为机器。机构一一一种用来传递运动和动力的可动的装置。机器和机构最明显的区别是：机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。两者之间也有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。机械机器和机构的统称。2、构件和零件构件一一组成机器的各个相对运动的单元称为构件，构件是运动的单元体。零件一一机械中不可拆的制造单元体。构件可以是单一零件，也可以是多个零件的组合体。构件是从研究机械运动观点来看,零件是从机械制造方面来看。通用零件：螺钉、齿轮、轴、轴承、弹簧等专用零件：内燃机曲轴、活塞等。机械（器）构成层次关系：零件静联结动联结机构机器例：内燃机分析3

3、、机器的分类：机器种类较多，根据用途不同，可分为：1）动力机器如：电动机、内燃机、发电机、液压机，主要用来实现机械能量的转换。2）工作机器如：轧钢机、包装机及各类机床、汽车、飞机、轮船、运输机，主要用来完成有用机械功（搬运物品、变换物料）。3）信息机器如：复印机、传真机、摄像机，主要用来获取或处理信息。4、机器的组成部分：机器的组成如下:、本课程研究的主要内容1、各种常用机构及机器动力学的基本知识；2、通用零件的工作原理的工作原理、设计理论和计算方法；3、扼要介绍国家标准和有关规范。第三节机器应满足的要求和设计制造程序一、机器应满足的要求1、使用要求2、经济性要求3、社会要求4、可靠性要求5、

4、其他特殊要求、机器设计、制造的一般程序（一）可行性研究阶段（二）方案设计阶段（三）技术设计阶段（四）施工设计阶段（五）样机试制阶段（六）投产销售阶段第四节机械零件设计的基本知识一、机械零件设计的基本准则失效的概念：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效。主要失效形式：破坏性失效、暂时性失效（一）强度1、体积强度强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。机械零件的强度准则有两种表示方法：1）用应力表示2）用安全系数表示SSIS=limCTI； Isl-其大小表式中：仃一最大计算应力；bL许用应力；Olim极限应力；S计算安全系许用安全系数；注：对于切应力，只须将上述

5、各公式中的仃换成T即可。对于一个具体的机械零件而言，两差值h仃和S-S】可称为安全裕度。示零件安全的程度。当计算应力。相同时，&越大，则越安全。I当许用应力k】相同时，仃越大，则越安全。2、表面强度1）表面挤压强度仃p表不。当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为:仃pwOp挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。相互挤压表面上的挤压应力相等。2）表面接触疲劳强度对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的

6、应力称为表面接触应力，用aH表示。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为：仃HWH在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金属剥落下来，在零件的表面形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。点蚀的危害：（1） 破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。（2） 减小零件的有效工作面积。（二）刚度刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变

7、形的能力。如果零件的刚度不足，则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹性变性会影响所加工工件的精度；刚度条件为：实际变形量w许用变形量式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。注意：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。（三）耐磨性耐磨性零件抗磨损的能力称为耐磨性在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条

8、件防止产生过大的磨损量。为防止产生过大的磨损应满以下条件：压强不超过许用值p1.15f式中：f零件的自激振动频率fF外力变化的频率.二、机械零件的疲劳强度（一）应力的类型和特点应力的种类一一静应力一一变应力：周期性非周期性静应力非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应变应力的参数：bmax、bmin、ba、bm、r、T各参数之间的关系：（二）疲劳断裂的特征和疲劳曲线1、疲劳断裂：很多机械零件受变应力作用，即使变应力的0maxNa时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用仃表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。在工程设计中，一般可以认为：当材料受到的应力不超过仃y时

9、，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。一一即寿命是无限的。2）有限寿命区：为了区别于仃y,把曲线上非水平段（NNO的疲劳极限仃网称为条件疲劳极限。当材料受到的工作应力超过仃时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环。即寿命是有限的。（注：不同应力比r时的疲劳曲线具有相似的形状。但r越大，仃卬越大）。：rT仃如T、-N一-N注：大多数钢的疲劳曲线形状类似上图所示。但是，高强度合金钢和有色金属的（仃-N）曲线没有水平部分，不存在无限寿命区，因此，工程上常以认为规定一个循环基数n0，而将此基数N。下的条件疲劳极限作为表征材料疲劳强度的基本指标。也记为仃三、机械零件设计的一般步骤：1）根据零件的

10、使用要求，选择零件的类型和结构；2）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择合适的材料及热处理方法；3）根据机器的工作要求，确定作用在零件上的载荷；4）根据零件可能出现的失效形式，计算零件的主要参数和尺寸；5）根据工艺性和标准化等原则，进行零件的结构设计；6）仔细校核，判断结构的合理性；7）绘制零件工作图及编写有关说明。四、机械零件的标准化、系列化、通用化在机械设计中应尽可能地遵循标准化的原则。机械产品标准化的内容包括标准化、系列化和通用化等三方面，简称机械产品的“三化”。标准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制

11、造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、垫圈等的标准化。系列化是指产品按主要参数分档，形成一定系列的产品，这样可用较少规格的产品满足不同的需要，如圆柱齿轮减速器系列，系列化是标准化的重要组成部分。通用化是对不同规格的同类产品或不同类产品，在设计中尽量采用相同的零件或部件，如几种类型不同的轿车可以采用相同的轮胎。通用化是广义的标准化。对产品实行标准化具有重大的意义： 在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本； 在设计方面可减少设计工作量，缩短设计周期； 在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。五、现代机械设计方案简介第五节机械零件的结构工艺性一、工艺性设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，使所设计的零件具有良好的工艺性在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小，加工费用最少(工时少、设备少)的零件，就认为具有良好的工艺性。否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。工艺性要求包括加工工艺和装配工艺二、工艺性的基本要求1) 毛坯选择合理机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技术条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。2) 结构简单合理设计零件的结构形状时，最好采