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机械设计 MachineDesign 第一篇总论 第一章绪论 第二章机械设计总论 第三章机械零件的强度 第四章摩擦 磨损及润滑概述 第一章机械设计概论 1 1引言 1 2机器的基本组成要素 1 3本课程的内容 性质与任务 1 3机械零件的计算准则 1 1引言 1 1引言 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 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任 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 机械设计是机械工程的 灵魂 1 3本课程的性质和内容和特点 1 2本课程的性质 内容和特点 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 本课程是一门适用性广 实用性强的设计性课程 主要介绍通用零件的基本设计方法 本课程的基本教学内容主要是通用零件的设计和计算 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和机构以及其他先修课的知识 设计机械传动装置和简单机械的能力 三 本课程的特点 涉及面广关系多 与诸多先修课关系密切 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 1 2本课程的性质 内容和特点 本课程的特点 四 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 1 2本课程的性质 内容和特点 注意的问题 传动装置 在原动机与执行机构之间传递运动 转换运动方式的装置 机械传动装置是本课程研究的主要内容之一 第二章机械设计总论 2 1机器的组成 1 2机器的基本组成要素 2 2机器的基本组成要素 机械 机器和机构的总称 机械零件 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 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 2 3设计机器的一般程序和基本原则 一般程序 对所设计的机器需求情况进行充分调查分析 明确机器功能及约束条件 形成设计任务书 分析机器功能 确定功能参数 拟定多种方案并进行综合评价 确定原动机参数及各运动构件的运动参数 确定主要零件上的载荷大小 特性 依工作能力设计准则初步完成零件基本尺寸的确定 作出零部件装配草图及总装配图 完成主要零件的校核计算 编制设计计算说明书 使用说明书及其它技术文件 下一页 2 3设计机器的一般程序和基本原则 基本要求 机器组成 功能要求 经济要求 劳动保护要求 可靠性要求 其它要求 下一页 2 4设计机械零件的基本要求及设计方法和步骤 基本要求 设计方法 2 4设计机械零件的基本要求及设计方法和步骤 设计步骤 1 根据机器具体工作情况确定作用在零件上的名义载荷及计算载荷 名义载荷 用力学公式计算出的载荷 计算载荷 考虑实际工作条件影响的载荷 2 选择零件材料 3 由失效形式确定计算准则并依此确定零件主要尺寸 4 进行零件结构设计 5 根据结构尺寸进行详细校核计算 6 绘制工作图 总目录 上一页 下一页 2 5机械零件的计算准则 一 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 归纳起来主要有强度 刚度 耐磨性 振动稳定性以及温度等方面的失效 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 3 承载能力 对载荷而言的工作能力 也就是用载荷表示的工作能力 4 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 载荷和应力1 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 二 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 变载荷 按是否考虑动载荷的影响 载荷分为 载荷和应力2 名义载荷 在理想平稳条件下所受的载荷 不考虑动载荷的影响 计算载荷 载荷系数K 名义载荷 代表机器或零件实际所受载荷 载荷系数K 用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响 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 循环应力 机械零件的计算准则 循环应力 载荷和应力3 对称循环 脉动循环 常见的循环应力有 静应力 可看作是循环应力的一个特例 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 强度准则 三 强度准则 强度 指机械零件工作时抵抗破坏 断裂或塑性变形 的能力 强度条件有两种表示方法 1 用应力表示 2 用安全系数表示 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 静应力下的强度 1静应力下的强度 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 复合应力状态下 按第三或第四强度理论计算当量应力 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 接触强度 2循环应力下的强度 计算变应力下的强度时 应取疲劳极限 详见第二章 3许用安全系数 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 1 计算的准确性 2 材料的均匀性 3 零件的重要性 4表面接触疲劳强度 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 线接触变成了很小的面接触 在接触处 机械零件的计算准则 接触强度2 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 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 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 挤压强度及刚度准则 机械零件的计算准则 5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 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 四 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 刚度准则及振动稳定性 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 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 五 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