第一章机械设计基础知识

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机械学教研室-----姜丽娟机械设计第一节概述机械：各种机器的通称。

1、机械设计课程的内容、性质和任务

第一章机械设计的基础知识机械的定义自动门原动部分－机器完成预定功能的动力源，最常见的是内燃机、电动机。工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分－联接原动机和执行部分的中间部分。控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。传感部分－将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制部分。

辅助部分－包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分机械的组成：机械：各种机器的通称。

控制器(控制)电动机(原动)带(传动)减速器(传动)波轮(工作)分析自动洗衣机的组成：潘存云教授研制机械零件通用零件：专用零件：

机械是由零部件组成机械零件：组成机械的基本单元。（基本制造单元）以冲压工艺所需的压力加工设备为例进行分析

社会需求：以上、下模具之间的直线往复运动对平板材料进行加工，（拉伸，弯曲，切断，冲裁，压印等）

设计任务：力——标准吨位位移——工作行程速度——最高连续工作速度加速度——允许速度波动运动精度——允许运动误差经济型——最高造价可靠性——平均无故障工作时间安全性——意外情况下对人和设备进行保护其他要求——运输，安装，调整方案设计：原动机：

选用交流电动机，满载转速1450r/min，工作机：

工作频率80次/min中间传动机构： 需要解决的问题

①旋转运动变换为直线运动 ②高速运动变换为低速运动 ③连续运动变换为往复运动旋转运动变换为直线运动可选择的运动变换技术方案：

1.曲柄滑块

2.齿轮齿条

3.凸轮挺杆

4.螺旋传动

5.流体传动高速运动变换为低速运动可选择的减速传动方案：

1.带传动

2.链传动

3.齿轮传动

4.蜗杆传动

曲柄压力机传动原理图结构设计:

仅以连杆部件为例讨论结构设计问题

结构设计:

仅以连杆部件为例讨论结构设计问题

本课程是一门以一般通用零件的设计为核心的设计性课程,论述它们的基本设计理论与方法,培养学生具有设计一般机械能力的技术基础课程。综合运用已学知识：制图力学金属学（材料及工艺）公差配合等了解、应用机械设计的新理论、新方法

课程的性质特点:广、杂、实践性强本课程的内容

本课程研究机械设计的一般理论，准则与方法，重点讨论在一般工作条件下通用机械零件的设计理论及设计方法。机械设计的基础知识联接零件设计：螺纹联接、轴毂联接传动零件设计：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动轴系零部件：轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器、

具体内容：教学环节及评分方法本课程包括以下教学环节：课堂教学（1~14周）自学、大作业教学实验（4学时）评分方法：期末成绩+平时成绩平时成绩核算方法：作业、大作业、出勤、平时表现、实验参考教材濮良贵，机械设计（第七版）.高教出版社，2001.龚溎义，机械设计课程设计指导书（第二版）.高等教育出版社，1997.第一章机械设计的基础知识第一节概述第二节机械零件设计的一般步骤第三节机械零件的主要失效形式及计算准则第四节静应力下机械零件的强度计算第五节对称循环应力下机械零件的疲劳强度计算第六节非对称循环应力下机械零件的疲劳强度计算第八节双向变应力下机械零件的疲劳强度计算第九节机械零件的材料及选用原则第十节机械零件的工艺性和设计的标准化小结机械设计包括以下两种设计:应用新技术、新方法开发创造新机械；设计机械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。设计机器的一般程序计划阶段方案设计技术设计技术文件的编制试制、试验、鉴定、生产信息反馈、修改第二节机械（零件）设计的一般步骤整个机器的整体要求使用功能的要求经济性要求“三化”--标准化、系列化、通用化劳动保护要求可靠性要求其它专业要求机械零件设计的基本要求避免在预期寿命期内失效结构工艺性的要求经济性要求质量小的要求可靠性要求第三节机械零件的主要失效形式及计算准则一、机械零件的主要失效形式：失效：机械零件在限定的时间内，在规定的条件下，不能完成正常的功能。

常见的失效形式有四种：失效机械零件的主要失效形式整体断裂：零件在载荷作用下，危险截面上应力大于材料的极限应力而引起的断裂。变形量过大（车床主轴变形量过大、电动机转子与定子的间隙表面破坏：磨料磨损、胶合、点蚀、腐蚀磨损功能失效（带传动中打滑，螺栓脱扣））二、机械零件的计算准则变载荷静载荷与变载荷：（大小方向随时间变化划分）第四节静应力下机械零件的强度计算2、名义载荷与计算载荷：（设计需要来划分）静载荷：

名义载荷：P，M，T，F计算载荷：Fca，Mca，Tca。载荷系数K大于1一、载荷及应力的分类a.周期性变化的载荷：b.非周期性变化的载荷

稳定变应力：随时间作周期性变化的应力。

非稳定变应力：有规律性（稳定变应力）无规律性（随机变应力）1、静应力：二、应力的分类2、变应力：大小方向随时间变化的应力。变应力它可由静载荷，也可由变载荷产生。

大小方向不随时间变化或变化缓慢的应力。(只能在静载荷下产生)。稳定变应力包含了三种典型变应力

r=-1,max=a=-min

m=0

(1)对称循环变应力：

(2)脉动循环变应力：

r=0,m=a=max/2,min=0

(3)非对称循环变应力：

-1<r<1

max=m+a

min=m-a

静应力：

r=1,

=0。

(平均应力)

循环特性r=min/max；（应力幅）取绝对值大的为最大应力图示各零件均受静载荷作用，试判断零件上A点的应力是静应力还是变应力；并确定应力比r的大小或范围。例：已知：，r=-0.5，解：求:三、静应力下机械零件的强度判据

1）强度判定条件：σlim、τlim-----极限应力，由实验方法测定。

2）

计算安全系数判别式：S=lim/ca

[S]S=lim/ca[S]四、极限应力lim

lim

塑性材料------

脆性材料------五、计算应力：单向应力计算：应力ca=max,ca=max

复杂应力：由一定的强度理论来求计算应力。六、许用安全系数[S]的选择P81-3lim=s

lim=slim=B

lim=B第五节对称循环应力下机械零件的

疲劳强度计算一、疲劳：

在远低于材料抗拉强度极限的循环应力作用下，工程材料发生破坏的现象。

2．疲劳断裂过程：主要分三个过程：

（1）在零件应力最集中部位形成初始的裂纹。

（2）裂纹逐渐扩展。

（3）当裂纹扩展到一定阶段，瞬断。1．疲劳破坏：曲轴疲劳断裂断口特征返回裂纹源区疲劳扩展区最终瞬断区键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬断区返回

3．疲劳断口的特征：4、特点：

金属的宏观断口总是呈现两个区域，平滑的疲劳区和粗糙的瞬断区（1）在循环应力多次反复作用下产生的。

（2）不存在宏观的明显塑性变形迹象。

（3）（4）突发性，敏感性二、材料的疲劳曲线及疲劳极限：材料不发生疲劳破坏所能承受的变应力中的最大值。

疲劳极限：rN与N、r有关有限寿命区

无限寿命区

N0r不同，疲劳曲线不同。标准试件作疲劳曲线。N0——循环基数HB350HBS，N0=107HB>350HBS，N0=25X107——疲劳极限NO若以疲劳极限以条件疲劳极限设计零件称为有限寿命设计。设计零件称为无限寿命设计。KN寿命系数

m——材料常数。一般钢制零件受弯曲应力时m=9。※当N>N0时，应为无限寿命设计，KN=1N<103时，按静强度计算。

例题：已知某材料m=9，N0=107，N=105时，=500N/mm2，求：1）2）3）解：1）

2）3）三、影响零件疲劳强度的因素

1、有效应力集中系数（k>1）若在同一个计算剖面上有几个不同的应力集中源，在进行强度计算时，取其中的最大值。2、绝对尺寸系数

（一般应力集中绝对尺寸3、零件表面越粗糙，疲劳极限越低。

一般表面状态尺寸增加，疲劳极限降低表面状态系数四、对称循环应力下疲劳强度计算

r=-1。无限寿命设计计算零件的疲劳极限疲劳强度条件[S]=1.3∽2.5,P12.第六节非对称循环应力下机械零件的疲劳强度计算一、疲劳极限线图（关系图）

简化疲劳极限线图

同种材料、r不同时，

σr在σm–σa坐标系下的关系曲线

材料的疲劳极限应力线图同种材料、r不同时，σr在σm–σa

坐标系下的关系曲线

aBm-10/2DCA45°O0/2EBS45°A:σm=0,r=-1C:σm=σa,r=0B:σa=0,r=+1σr=σm+σa(-1≤r≤+1)ACB—实验线图ACED—简化线图A点代表对称循环疲劳极限B点代表抗拉强度极限C点代表脉动循环疲劳极限工作应力点位于曲线ACB以内时，材料不发生破坏曲线ACB是材料发生破坏的临界状态直线AE的方程——将平均应力折合为应力幅的等效系数。

直线DE的方程，DE——静应力。

综合影响系数只影响变应力中的应力幅部分，而对变应力中的平均应力，即静应力部分并无影响。实验证明应力集中、绝对尺寸、表面状态只影响应力幅，不影响平均应力。1练习：已知：

解

（2）作图。（1）求（2）作图简化疲劳极限线图二、非对称循环应力（-1<r<1）下疲劳强度计算（无限寿命）M点为零件的工作应力点。过O与M的直线规律——简单加载情况。其余——复杂加载情况。简单加载时r=c简单加载如果射线与DE相交，首先可能发生的是屈服失效，只需作静强度计算。

应力集中系数，绝对尺寸系数及表面状态系数只影响应力幅部分，考虑进去之后，则有

在强度计算时，有时不易区分是应按疲劳强度还是静强度校和，则二者同时计算。

简单加载如果射线与AE线相交疲劳首先可能发生的疲劳失效，按疲劳强度校核

某轴一剖面由过盈配合引起的有效应力集中系数k=1.49，εσ=0.83，β=1。该剖面上承受一稳定循环变应力，其中σmax=200Mpa，σmin=-100Mpa，σ-1=500MPa，

σs=700MPa，ψσ=0.25。

要求：

(1)