机械设计基础概论

1、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

2、功或完成能量、物料与信息转换和传递的装置就称为机器。机构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：静联结动联结零件 构件 机构 机

3、器例：内燃机分析、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。）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。、机器的组成部分：执行装置辅助装置控制装置传动装置机器的组成如下：动力装置二、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

4、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、其他特殊要求二、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 S S式中：最大计算应力；许用应力；极限应力；S计算安全系数；许用

5、安全系数；注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成即可。对于一个具体的机械零件而言，两差值和S可称为安全裕度。其大小表示零件安全的程度。当计算应力相同时，越大，则越安全。当许用应力相同时，越大，则越安全。2、表面强度1）表面挤压强度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，用表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：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

6、样的应力称为表面接触应力，用表示。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： 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形的能

7、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件防止

8、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 pp速度不超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值 pp（四）振动稳定性机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。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自身的自激振动频率时，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：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即 0.85f 或 1.15 f式中：f零件的自激振动频率外力变化的频率.二、机械零件的疲劳强度（一）应力的类型和特点应力的种类 静应力变应力：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 脉动循环变应力

9、变应力的参数：max、min、a、m、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 ，而变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现（萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。 这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 是变应力作用下零件的主要失效形式。2、疲劳断裂的特点a) 疲劳断裂时：受到的低于，甚至低于。b) 不论是脆性材料，还是塑性材料，断口通常没有显著的塑性变形。 表现为：脆性断裂。 突然性，更危险。c) 疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过

10、程，需要时间。寿命的计算。d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。3、材料的疲劳强度： 在应力比为的循环变应力作用下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力。（是最高变应力中的），变应力的大小可用其最大应力比较。疲劳曲线（-N曲线）即应力比一定时，表示疲劳极限与循环次数N之间关系的曲线。典型的疲劳曲线如下图示：可以看出：随N的增大而降低。但是当N超过某一次数时（图中N0），曲线趋于水平。即不再减小。则N0 称为循环基数。以N0为界分为两个区：1）无限寿命区：当NN0时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用表示。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

11、。在工程设计中，一般可以认为：当材料受到的应力不超过时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。 即寿命是无限的。2）有限寿命区：为了区别于，把曲线上非水平段（NN0）的疲劳极限称为条件疲劳极限。当材料受到的工作应力超过时，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：不同应力比时的疲劳曲线具有相似的形状。但越大，越大）。 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（-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 ，而将此基数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。三、机械零件设计的一般步骤：1）根

12、据零件的使用要求，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、

13、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制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