机械设计课件(清华大学出版)第1章_绪_论

第1章绪论,（时间：1次课，2学时）,第1章绪论,教学目标：本章介绍机械设计基础的主要内容、性质和任务；机器的组成和特征；机械设计基础的基本要求、常用设计方法和一般设计过程；机械零件的失效形式和计算准则；机械零件的强度和机械零件的工艺性和标准化问题。通过本章的学习，要求对机械设计基础课程在教学计划中的地位、作用和本课程所要讲述的基本内容有一个初步的认识；掌握本课程的基础知识，了解机械设计的基本方法和一般过程。,第1章绪论,教学重点和难点：机器的组成及其特征机械设计的基本要求机械零件常见的失效形式机械零件的设计计算准则机械零件的设计计算准则机械零件的应力分类机械零件的疲劳曲线,第1章绪论,1.1机械设计基础概述1.2设计机械产品时的要求、方法和一般过程1.3机械零件的失效形式和设计准则1.4机械零件的强度1.5机器及其零部件的标准化1.6习题和练习,1.1机械设计基础概述,1.1.1机械设计基础课程的内容、性质和要求1.1.2机器的组成及其特征,1.1机械设计基础概述,机械设计基础课程是机械工程及其自动化、机械设计制造及自动化专业以及许多近机类专业的主要课程之一，也是一些非机类专业的必修课或选修课。该课程是机械原理课程与机械零件课程的有机整合。,1.1.1机械设计基础课程的内容、性质和要求,本小节介绍机械设计基础课程的主要内容、本课程在专业教学计划中的性质、地位和学习本课程后要达到的基本要求。1.机械设计基础课程的内容本书主要讨论机械设计的常用方法和一般过程；机械传动中常用机构的几何尺寸计算、运动学分析和动力学分析；常用机构的一般设计方法；通用机械零件的失效分析、强度计算和常用标准零件的选用等问题。,1.1.1机械设计基础课程的内容、性质和要求,2机械设计基础课程的性质本课程是一门机械类专业和近机类专业必修的技术基础课，其先修课程为机械制图、高等数学、机械工程材料、工程力学。同时本课程还为后续的专业课程如：机械制造基础、机电一体化技术和内燃机原理机等提供基础知识。,1.1.1机械设计基础课程的内容、性质和要求,3机械设计基础课程的要求通过学习本课程，应达到以下基本要求(1）熟悉常用机构的工作原理，运动特性、几何尺寸计算，学会设计简单机械。(2）了解机械的平衡与调速。(3）掌握一般机械传动中通用机械零件的工作原理、几何尺寸计算、强度计算、结构设计和选用等。(4）学会使用相关手册和标准，能进行通用零件和简单机械传动装置的设计和计算。,1.1.2机器的组成及其特征,机器本体的组成机器本体是由动力部分、传动部分和执行部分组成。（1）动力部分动力部分是机器的动力来源，如：电动机、内燃机和液压马达等；（1）传动部分传动部分为将动力部分的动力和运动传递给执行部分的中间环节，如：齿轮减速器、连杆机构和带轮机构等；（3）执行部分执行部分是最终直接完成机器的各种功能的部分。,1.1.2机器的组成及其特征,2.机器的特征不同的专业对机器的定义是不同的，本书讨论的主要内容是机械的运动学和动力学分析、机构的设计及机械零件的设计问题，因此本书所定义的机器仅限于具有下面所讨论的特征的机器。下面以四冲程内燃发动机为例，说明本书所定义的机器。图1.1所示为内燃机工作原理。内燃机可以将燃料爆炸时的热能转化为机械能，再通过曲轴将动力输出。因此机器具有以下特征：机器是人为的实物组合；机器各部分之间具有确定的相对运动；机器可以用来代替和减轻人类的体力劳动，可以做有用的机械功或进行机械能量的转换。,1.1.2机器的组成及其特征,图1.1内燃机工作原理,1.1.2机器的组成及其特征,3.机构的特征图1.1中的活塞、连杆、曲轴和汽缸的组合可以将活塞的直线运动转变为曲轴的转动，图中凸轮、推杆和汽缸体的组合可以将凸轮的转动转变为推杆的直线移动。这些组合称为机构。因此机构具有以下特征：机构是人为的实物组合；机构各部分之间具有确定的相对运动。一般统称机器和机构为机械。组成机构的基本单元是构件，图1.1所示的曲轴4、活塞2、连杆3和内燃机缸体1就是组成曲柄滑块机构的构件，这些构件的运动都是独立的。因此称构件是机构（机器）中运动的基本单元。,1.2设计机械产品时的要求、方法和一般过程,1.2.1机械产品的基本要求1.2.2机械产品的常用设计方法1.2.3机械产品设计的主要内容和过程,1.2设计机械产品时的要求、方法和一般过程,机械产品首先要满足一定的要求，机械产品的设计也要按照一定的方法进行，不同的设计方法，其设计过程也不尽相同，本节讨论设计机械产品时的基本要求、设计方法和过程。,1.2.1机械产品的基本要求,机械产品（包括整机、部件和零件）的基本要求取决于其所处的地位、作用及工作条件等。其中主要考虑以下几个方面的基本要求。1.功能要求功能要求是设计机械产品时应满足的最重要的要求。产品的功能不同，其设计要求不同，设计结果也不同。如车床和铣床的功能不同，其机械结构、外形和使用方法也不同。2.寿命要求各种机械产品都有一定的使用寿命，不同寿命的产品，其设计结果也不同，所以应科学合理地确定各种机械产品及其零部件的寿命，并按照寿命要求设计机械产品及其零部件。机械产品及其零部件必须能够在预定寿命期内正常使用。,1.2.1机械产品的基本要求,3.工艺性要求通常，要求所设计的机械产品及其零部件要具有良好的工艺性。所谓良好的工艺性，是指在某种具体的生产规模和生产条件下，能用最少的生产成本制造出所设计的机械产品及零部件。4.价格要求机械产品的价格是其在市场经济条件下有效地参与竞争的重要因素之一，而降低每个零件的成本对整个机械产品的经济性是重要的。因此，除机械产品与零部件的批量影响成本外，还应该在零件的材料选择、结构设计等方面要充分考虑。而降低整机的生产成本是最终目标。,1.2.1机械产品的基本要求,5.可靠性要求任何机械产品及其零件都不能做到百分之百的不出故障，但要尽量提高它们的可靠性。因此设计机器及零件时，应按合理的可靠性要求设计机械及其零件。6.人性化要求设计机械产品时应充分考虑人与机械的联系，人性化设计是将人放在主要地位，使机械产品的操作符合人体工程学要求，体现出对操作者的尊重和保护。,1.2.1机械产品的基本要求,7.维护要求设计机械产品时，要考虑机械产品的保养和维修方面的要求。比如设计者要考虑机械产品中的易损零件的更换，机械精度的定期校正以及维修时的拆装要求。8.标准化要求标准化、系列化、通用化（简称“三化”），是现代机械设计工作的重要要求之一，“三化”对于降低机械产品制造成本、提高产品质量、实现国际化生产是非常重要的。,1.2.2机械产品的常用设计方法,按传统的分类方法，设计机械产品主要有以下几种方法。1.常规理论设计根据常规设计理论和实验数据进行的设计称为理论设计。这是后面各章中重点介绍的内容。2.类比设计按照同类机构或零件的设计与使用实践，根据得出的经验公式或用类比的办法进行的设计称为类比设计。此类方法适用于仿制、改制、使用要求和结构型式已定型的典型机器和零件。,1.2.2机械产品的常用设计方法,3.模型设计模型实验设计是指按一定的比例，用性质相近的材料制做出机械的模型，经过实验分析后，再对模型进行修正的一种设计方法。该方法适用于大型或结构复杂的重要的机械或零件的设计。4.计算机辅助机械设计(CAD)通过使用CAD应用软件，在计算机及其外围设备的辅助下进行的机械设计称为计算机辅助机械设计。目前该方法在国内外的机械设计中被大量采用。,1.2.3机械产品设计的主要内容和过程,1.按产品设计过程分机械产品的设计设计过程一般为功能设计、方案设计、总体技术设计和施工设计。（1）机械产品功能设计每个产品都具有特定的功能，这些功能是根据市场或客户对该产品的需求而制定的。（2）机械产品方案设计当产品的功能确定完成后，要在该基础上提出具体实现这些功能的技术方案，对不同的方案进行论证评价，找出最佳方案，给出具体参数。,1.2.3机械产品设计的主要内容和过程,（3）机械产品总体技术设计根据方案设计的结果盒具体参数，设计产品的具体结构，包括产品的总体装配图、部件图、零件图，并按照设计准则，对重要的零部件的强度、刚度、振动稳定性、可靠性等进行校核和设计。对设计结果还要进行评价和论证。（4）机械产品施工设计机械产品总体技术设计完成后，要制造样机，并为产品的正式生产做好技术准备。主要是针对生产制造的工艺图纸，零件清单、技术文件。,1.2.3机械产品设计的主要内容和过程,2.按产品的形成过程分机械产品的形成过程分为初步设计、试制设计和定型设计三个阶段。（1）机械产品初步设计对新产品的开发性设计工程中，初步设计的结果往往是产品的设计图纸。（2）机械产品试制设计根据机械产品初步设计结果，要进行产品的样机试制。（3）机械产品定型设计产品的样机试制完成并达到设计要求后，产品将进入到定型设计阶段。,1.3机械零件的失效形式和设计准则,1.3.1机械零件常见的失效形式1.3.2机械零件的设计计算准则,1.3机械零件的失效形式和设计准则,机械零件设计，是机械设计基础要研究的主要课题之一。机械零件的设计是按照一定的准则进行的，而机械零件设计准则通常是根据零件的失效形式制定的。所以本节研究机械零件的主要失效形式和常用计算准则。,1.3.1机械零件常见的失效形式,机械零件常见的失效形式如下。1.变形机械零件多为弹性体，其在受到载荷作用时，会发生弹性变形，当零件所受载荷过大或零件的刚度不足时，会造成零件的尺寸和形状的改变超过许用值，这样会改变零件的正确位置，破坏零件或部件之间的相互配合关系，使零部件之间的受力过大，磨损严重，使机械的工作精度降低，不能正常工作。严重的变形还会加剧机械的振动，以至于发生共振而造成机械的损坏甚至发生严重事故。,1.3.1机械零件常见的失效形式,2.断裂断裂分为两种，一种称为延性断裂，另一种称为脆性断裂，前者在断裂前有塑性变形和变形能消耗，后者在断裂前无宏观塑性变形。断裂的发生与材料的冲击韧度、载荷的大小、变形速度、应力的性质和环境条件等有关。塑性材料承受冲击载荷时，若变形速度过快，也呈现脆性断裂。工作环境温度的改变也有可能使同种材料的断裂形态发生变化。在常温下呈延性断裂的材料，在低温下也有可能变为脆性断裂；在常温下呈脆性断裂的材料，在高温时也有可能出现延性断裂。,1.3.1机械零件常见的失效形式,3.零件的表面失效机械零件的表面失效包括零件表面的接触疲劳破坏、腐蚀和磨损。其常发生在以下几种工作条件情况中。在接触变应力条件下工作的零件表面有可能发生接触疲劳破坏；处于弱腐蚀性介质中的金属零件表面易发生腐蚀破坏，如在金属零件与潮湿空气或水相接触时，有可能发生表面腐蚀；作相对运动的零件，其接触表面易发生磨损。零件的表面破坏将影响机械的稳定性、寿命和机械效率，因此表面失效是零件失效的一种重要形式。,1.3.2机械零件的设计计算准则,设计机械零件时，所依据的准则与零件的失效形式紧密相关。以下介绍常用的设计准则。1.寿命准则寿命指零件能够正常工作而不失效的使用时间。影响零件寿命的因素有零件的腐蚀、磨损、疲劳、断裂、塑性变形和蠕变等，目前沿用的计算准则是用控制接触表面应力和可靠性的办法来进行条件性计算。关于疲劳寿命，后面各有关章节将作较详细的介绍。2.强度准则强度指机械零件抵抗破坏的能力，强度准则是大多数机械零件的设计依据，本课程将着重讨论机械零件的强度设计问题。,1.3.2机械零件的设计计算准则,3.刚度准则刚度指零件抵抗弹性变形的能力，弹性变形过大将会影响机械的正常工作。在许多机械零件设计计算中，刚度准则也是一种重要的计算准则。4.振动稳定性准则振动稳定性指机械系统或零件的固有频率与作用于其上的做周期性变化的内部或外部的激振源的频率错开的程度。激振源包括：机械系统中的电动机的转动、齿轮的啮合、滚动轴承中的滚动体的振动，活塞的往复运动以及系统外部的激振源等。振动稳定性设计是振动力学理论讨论的课题，本书不对振动稳定性进行介绍。,1.4机械零件的强度,1.4.1机械零件的强度条件1.4.2机械零件的应力分类1.4.3机械零件的疲劳曲线1.4.4规律性非稳定变应力强度计算简介,1.4机械零件的强度,因强度不足而不能正常工作是机械零件最常见的一种失效形式。所以本节专门讨论机械零件的强度问题。,1.4.1机械零件的强度条件,设计机械零件时通常用强度条件来判断一个零件的强度是否满足要求。机械零件的强度条件表达式一般有两种：1.强度条件的应力表达式2.强度条件的安全系数表达式,1.4.2机械零件的应力分类,1.按应力发生的部位分（1）体积应力机械零件截面上发生的应力称为体积应力，相应的强度计算称为体积强度计算。如：抗弯强度计算、抗扭强度计算和抗拉抗压强度计算等。（2）表面应力发生在零件表面上的应力称为表面应力，相应的强度计算称为表面强度计算。如：挤压强度计算和表面接触疲劳强度计算等。,1.4.2机械零件的应力分类,2.按应力的变化情况与否分（1）变应力变应力指随时间变化的应力。设机械零件工作期内的最大应力为，最小应力为。则机械零件的平均应力可用下式计算其应力幅的大小为其应力循环特性为,1.4.2机械零件的应力分类,为了分析方便，可以将变应力按其不同的属性进行分类。按应力周期变化与否可以将变应力分为两类非稳定变应力无周期性变化的应力,称为非稳定变应力。稳定变应力有周期性变化的应力，称为稳定变应力。按应力循环特性可以将稳定变应力分为三类对称循环变应力其中：，应力循环特性，如图1.2a所示。脉动循环变应力其中：，应力循环特性，如图1.2b所示。非对称循环变应力其中：，应力循环特性，-1r+1如图1.2c所示。,1.4.2机械零件的应力分类,图1.2稳定变应力,1.4.2机械零件的应力分类,(2)静应力不随时间变化或变化非常缓慢的应力称为静应力。显然静应力中最大应力与最小应力的关系为：其应力循环特性为：,1.4.3机械零件的疲劳曲线,1.疲劳曲线为反映出应力循环次数N与疲劳强度之间的关系，通过在给定的循环特性的条件下的(试验时一般用)试验，找出某种材料的应力循环次数N与疲劳极限所对应关系的曲线，图1.3所示的曲线就称为疲劳曲线或曲线。,1.4.3机械零件的疲劳曲线,图1.3疲劳曲线,1.4.3机械零件的疲劳曲线,2.非对称循环变应力的极限应力前面已经介绍过，机械零件的循环特性是影响其疲劳强度的重要因素，各种循环特性r下的疲劳极限值可以从绘制极限应力图中查出。极限应力图通常是以坐标系绘出的。对于任何一种非对称循环变应力，只要确定了和，便能确定其循环特性r，根据r便可在极限应力图上得到对应的疲劳极限。这种极限应力图的详细情况，请参阅有关资料。,1.4.4规律性非稳定变应力强度计算简介,前面所介绍的变