第一章机械设计总论

1、第一章 机械设计总论1-1 机械设计课程简介1-2 机械设计概述1-3 机械零件的计算准则1-4 机械零件的标准化、系列化和通用化1-5 机械零件常用材料和选择原则1-2机械设计课程简介机械设计课程简介1-1 机械设计课程简介机械设计课程简介 一、本课程的性质和内容一、本课程的性质和内容 本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械 设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。 机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。机械零件的设

2、计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。 本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。主要介主要介绍通用零件的基本设计方法。绍通用零件的基本设计方法。 本课程的最终目的本课程的最终目的在于培养同学们综合运用各种机械零件在于培养同学们综合运用各种机械零件和机构以及其他先修课的知识，设计和机构以及其他先修课的知识，设计机械传动装置机械传动装置和简单机械和简单机械的能力。的能力。本书讨论的具体内容是：（设计方法、步骤、原理） 1） 传动部分带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及螺旋传动等； 2） 联接部分螺纹联接，键、花键及无键联接，销钉联接，铆接、

3、焊接、胶接与过盈配合联接等； 3） 轴系部分滑动轴承、滚动轴承、联轴器与离合器以及轴等； 4） 其他部分弹簧、机座与箱体、减速器等；机械设计课程简介二、本课程的特点 涉及面广 关系多 与诸多先修课关系密切。受力分析 理论力学 应力分析 材料力学 材料选择 材料与热处理 要求多 设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、耐磨性、工 艺、等各方面的要求。 门类多 典型的通用零件多、类型多；各类零件，设计方法各有不同。 公式多 除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调 公式的推导。 图表多 要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。 实践性强不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践

4、性环节。 无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。 设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。机械设计课程简介2 机械设计课程简介三、学习中注意的几个问题 着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。 除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。 设计决非只是计算。 性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。机械设计课程简介3 机械设计课程简介水平水平1）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单机械的能力；2）树立正确的设计思想，

5、了解国家当前的有关技术经济政策；3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；机械设计手册其中的一个标准是查手册的能力；4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技术的基本训练；5）对机械设计的新发展有所了解。机械设计课程简介1-2 机械设计概述机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大促进国民经济发展的力度，加速我国的现代化建设。人类社会的进步源于不断地创新，产品的创新首先是从设计工作开始的。设计是生产产品的第一道工序，要想生产出好的产品，首先要有好的设计。一、机器的组成原动机传动装置执行机构控制系统润滑、显示、照明等辅

6、助系统原动机部分原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源； 执行部分执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分； 传动部分传动部分是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。我们以洗衣机为例，来说明机械的组成：电动机进水排水涡轮皮带传动控制部分：正转时间 反转时间图1 洗衣机机构示意图机械（机器）的组成（按功能分）原动机传动机工作机辅助系统控制系统机械设计概述2机械机器和机构的总称。 零件是机器的制造单元。 分为： 通用零件：各种机器中常用的。 (是本课程的主要学习对象） 例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、 键、铆、焊结构件、弹簧等。

7、专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（在有关专业课中学习） 例如：叶片、曲轴等。 部件为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。 例如：滚动轴承、减速器等。机械零件 常用泛指零件和部件 机械设计概述几个名词：机械（机器）部 件零 件图3 机械（机器）的组成（按大小分）二、机械设计的基本程序 一部新机器，从提出设计任务到形成定型产品，通常需要经过四个阶段，如右图所示。机械设计概述3以洗衣机为例以洗衣机为例机械设计步骤机械设计步骤计划阶段计划阶段提出要求洗衣机自动进水洗 涤甩干（脱水）方案设计方案设计提出尽可能多的解决方法筛选、决策、评价（可靠性、经济上），选出最佳方案。单 缸双 缸滚

8、 筒模糊控制自适应控制双模控制技术设计技术设计目的：确定机械中各个零部件的结构尺寸（量化）绘图、对方案具体实施，出图。技术文件编制：技术文件编制：编制设计计算说明书。 机械设计概述三、 机械设计的基本要求1） 功能要求2） 可靠性要求3） 经济性要求4） 社会性要求四、设计者应具备的基本素质1） 掌握并能够在设计中合理应用机械设计所需的各种知识。2） 具有创新意识和创新能力。3） 具有认真细致、一丝不苟的工作作风。4） 具有团结协作精神。机械设计概述41-3机械零件的计算准则1-3 机械零件的计算准则几个名词：1）失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。注意：a) 失效并不单纯指

9、破坏，破坏只是失效的形式之一。 机械零件的可能失效形式很多，主要有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。2）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。（如：强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性）3）工作能力计算准则： 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据）。一、强度准则一、强度准则机械零件的计算准则2机械零件的计算准则 为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能

10、力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种： 5）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算 准则通过计算确定零件的结构尺寸。 6）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计 算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。 载荷和应力载荷和应力1. 载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 静载荷：大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢的载荷变载荷：大小或方向随时间变化的载荷叫变载荷。按是否随时间变化，分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：机械零件的计算准则3名义载荷： 在理想平稳条件下所受的载荷。（不计动载荷的影响）计算载荷载荷系数K名

11、义载荷 。 （代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数K：用于计入动载荷的影响。额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。2 . 应力应力分为静应力变应力：机械零件的计算准则注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可 由静载荷产生。另外，应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力N.m机械零件的计算准则4（一）整体强度（一）整体强度强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 1. 强度条件 有两种表示方法：1） 用应力表示： Slim2）用安全系数表示：SSlimS式中：计算最大应力lim极限应力计算安全系数SS许用应力许用安全系

12、数注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。机械零件的计算准则2. 极限应力的确定其中S1机械零件的计算准则51 1）静应力下的极限应力）静应力下的极限应力 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料 单向应力状态下： slimslim，（屈服极限）复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。 脆性材料 单向应力状态下： ，（强度极限）blimblim复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。 机械零件的计算准则注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度 时，可不考虑应力集中的影响。 2）对于组织

13、均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应 考虑应力集中的影响。2）变应力下的极限应力）变应力下的极限应力计算变应力下的强度时，应取 疲劳极限 （详见第二章）。 limrN3. 3. 许用安全系数许用安全系数 S 合理选择许用安全系数 是设计中的一项重要工作。 过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应 尽可能选用较小的许用安全系数。 的取值主要受下列因素的影响SSS 1） 计算的准确性； 2）材料的均匀性； 3）零件的重要性。(二）二）表面接触强度表面接触强度 对于高副零件，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

14、很小的面接触，在接触处机械零件的计算准则机械零件的计算准则7局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用 表示。 的大小用赫兹公式计算，公式见教材P35P35。（齿轮啮合时，大齿轮、小齿轮的接触应力是否相等？）HH机械零件的计算准则 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： HH 接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。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。 机械零件的计算准则8机械零件的计算准则（

15、三）表面挤压强度（三）表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应力，用 表示。 p 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： pAPp 挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃” 。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。二、刚度准则二、刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。P挤压力，N； A 挤压面积，mm2；机械零件的计算准则10机械零件的计算准则刚度条件为：实际变形量许用变形量式中：实际变形量可用相关理论计算或

16、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。 注注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。 三、摩擦学准则三、摩擦学准则 （耐磨性计算） 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因素防止产生过大的磨损量。 即 压强不超过许用值 p p 速度不超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值 p p 注：限制 p 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。机械零件的计算准则四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则 当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自

17、激振 动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。 振动稳定性准则振动稳定性准则：使零件的自激振动频率 f 远离外力变化 的频率 。 即 0.85 f 或 1.15 fFfFfFf 下面我们以设计千斤顶立柱为例，来说明机械零件的设计步骤：dl车自重W=2000kg=2吨s为屈服极限min24SdWs由此可求出d；其中Smin根据工作环境来定。机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：机械零件的设计大体要经过以下几个步骤： 1、选择零件类型和结构。 2、载荷分析（受力分析）：W应力分析：24dWs Wd43、分析失效分析，如断裂， ，确定计算准则：（依据防止断裂失效）4、材料的选择：45#钢、40Crs（手册查到）5、计算零件的主要尺寸： 6、结构设计l：