机械设计课件第章总论德州科技职业学院

1、机械设计（机械设计（Design of Machinery） 濮良贵编，濮良贵编，机械设计机械设计第八版，第八版， 高等教育出版社，高等教育出版社，2006.5 秦彦斌、陆品主编，秦彦斌、陆品主编，机械设计机械设计 导教导教.导学导学.2005.4 教科书教科书 参考书参考书 1、教材、教材 学时：学时：64（其中理论（其中理论56，实验，实验8） 考核方式：平时考核方式：平时20%+期末期末80% 另：课程设计（学分）三周另：课程设计（学分）三周 2、学时及考核方式、学时及考核方式 “机械设计机械设计”？ 由动力动力驱动的能实现一定功能的装置。 如：自行车、电动自行车 非人力非人力驱动的能实

2、现某种功能的可动装置。 机器机器 (machine)？ 设计设计 (design) ？ 是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达 出来的活动过程 。 在加工制作可动装置之前所有的构想，在加工制作可动装置之前所有的构想， 用图纸及文档的形式表示出来的过程。用图纸及文档的形式表示出来的过程。 机械机械 (machinery)？ 动力：动力： 共性知识（共性知识（24章）：章）：零件设计的基本原则零件设计的基本原则 、设计计算理论、材料选择、摩擦磨损及润、设计计算理论、材料选择、摩擦磨损及润 滑等方面的知识。滑等方面的知识。 个性知识（个性知识（1章）：三大类零件章）：三大类零件 3、主要内容、主

3、要内容 机械设计机械设计是以通用零件的设计为主的设计性技术基础课。是以通用零件的设计为主的设计性技术基础课。 论述通用零件设计的理论和方法，培养机械设计论述通用零件设计的理论和方法，培养机械设计 的能力。的能力。 4、课程性质、课程性质 机械设计：是一门专业基础课，是前期所学基础课的综合体。机械设计：是一门专业基础课，是前期所学基础课的综合体。 是我们学习其他专业课的基础。是我们学习其他专业课的基础。 5、学习方法、学习方法 主线：失效形式受力分析强度计算结构设计。主线：失效形式受力分析强度计算结构设计。 认识机器认识机器（machine） 第二章第二章 机械设计总论机械设计总论 带式运输机带

4、式运输机 2-1、机器的组成、机器的组成 原动机原动机传动系统传动系统执行系统执行系统 辅助系统辅助系统 控制系统控制系统 从功能上：从功能上： 机器是由机构或构件组成的。机器是由机构或构件组成的。 机械原理机械原理 机械设计机械设计 构件（构件（member） 零件的刚性组合体，零件的刚性组合体， 是运动的最小单元。是运动的最小单元。 机构（机构（mechanism） 是构件的人为组合是构件的人为组合 各构件间具有确定的相对运动。各构件间具有确定的相对运动。 运动副（运动副（kinematic pair） 两构件直接接触的一种可动联接。两构件直接接触的一种可动联接。 机器是由机械零件组合而成

5、的。机器是由机械零件组合而成的。 从组织结构上：从组织结构上： 在各种机器中功用相同的零件：在各种机器中功用相同的零件： 通用零件通用零件 （machine element for general application） 零件（零件（component，element） 组成构件的各个元素，是制造的最小单元。组成构件的各个元素，是制造的最小单元。 联接联接传动传动 支承支承 齿轮齿轮轴承轴承螺栓螺栓 犁犁 专用零件专用零件 （machine element for special application） 曲轴曲轴 螺旋桨的叶片螺旋桨的叶片 只有在特定的机器中才能用的零件只有在特定的机器中才

6、能用的零件 刚刚 性性 组组 合合 + +运动副运动副 能完成能完成 一定的功一定的功 能实现能实现 能量转换能量转换 零件零件 构件构件 机构机构机器机器 通称机械通称机械 1 1、计划阶段、计划阶段 明确机器的功能、约束条件；明确机器的功能、约束条件； 写出设计任务书。写出设计任务书。 2-22-2、 设计机器的一般程序设计机器的一般程序 2 2、方案设计阶段、方案设计阶段 机器的功能分析机器的功能分析 必须达到的要求；必须达到的要求； 希望达到的要求。希望达到的要求。 机器的功能机器的功能 经济性估计经济性估计 制造的要求制造的要求 使用的要求使用的要求 完成期限完成期限分析的结果：分析

7、的结果： 确定出功能参数确定出功能参数 提出解决的办法提出解决的办法 执行机构执行机构 有有N N3 3种执行机构方案；种执行机构方案； 原动机原动机 不同工作原理就有不同工作原理就有 不同的机器；同一不同的机器；同一 工作原理工作原理 有不同的结构有不同的结构 有有N N2 2种原动机方案；种原动机方案； 传动系统传动系统 高速还是低速高速还是低速 直流还是交流直流还是交流 有有N N1 1种传动系统方案。种传动系统方案。 共有共有N NN N1 1N N2 2N N3 3 个方案个方案 技术方面和经技术方面和经 济方面的综合济方面的综合 评价评价 最佳方案最佳方案 最后决策最后决策 确定原

8、理图或机构运动简图确定原理图或机构运动简图. . 3 3、技术设计阶段、技术设计阶段 运动学设计运动学设计 确定原动机的参数（，确定原动机的参数（，n)n) 确定各运动件的运动参数确定各运动件的运动参数( (速度，加速度）速度，加速度） 动力学设计动力学设计 计算各零件上所受的载荷大小和特性。计算各零件上所受的载荷大小和特性。 零件的工作能力计算零件的工作能力计算 根据工作能力准则、失效形式、工作特性等进行零件根据工作能力准则、失效形式、工作特性等进行零件 的强度、刚度、振动稳定性、寿命等计算，并确定基的强度、刚度、振动稳定性、寿命等计算，并确定基 本尺寸。本尺寸。 装配图的设计装配图的设计

9、通过装配草图的设计，对所有零件的外形及尺寸进行通过装配草图的设计，对所有零件的外形及尺寸进行 结构化设计，并注意结构工艺性。结构化设计，并注意结构工艺性。 主要零件的校核主要零件的校核 对某些零件进行必要的校核。对某些零件进行必要的校核。 零件工作图及总装图的设计零件工作图及总装图的设计 绘制零件加工图及装配图。绘制零件加工图及装配图。 4 4、技术文件编制阶段、技术文件编制阶段 编写计算说明书、使用说明书、标准件明细表、工艺文编写计算说明书、使用说明书、标准件明细表、工艺文 件等。件等。 2-32-3、 对机器的主要要求对机器的主要要求 1 1、使用功能的要求、使用功能的要求 所设计的机器能

10、完成用户提出的所有要求。所设计的机器能完成用户提出的所有要求。 2 2、经济性要求、经济性要求 在实现使用功能的前提下，用最经济的手段设计和制造在实现使用功能的前提下，用最经济的手段设计和制造 出来。出来。 设计制造经济性设计制造经济性成本低。成本低。 使用经济性使用经济性高生产率、高效率、低消耗、低维护费等高生产率、高效率、低消耗、低维护费等 。 3 3、劳动保护要求、劳动保护要求 操作者方便和安全；操作者方便和安全； 改善操作者及机器的环境（噪声、有毒有害物、废水改善操作者及机器的环境（噪声、有毒有害物、废水 废气的治理等）。废气的治理等）。 4 4、可靠性要求、可靠性要求 保证机器有足够

11、的使用寿命。保证机器有足够的使用寿命。 5 5、其它要求、其它要求 视不同的机器而定，如运输的可靠性、流动机器的视不同的机器而定，如运输的可靠性、流动机器的 装拆方便性等。装拆方便性等。 低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试验机 2-42-4、机械零件的主要失效形式、机械零件的主要失效形式 F e s b k L Fs Fb O 屈服屈服 弹弹 性性 变变 形形 缩颈缩颈 断裂断裂 塑塑 性性 变变 形形 1 1、基本概念：、基本概念： 1 1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效

12、。 注意注意：a)a)失效不等于破坏失效不等于破坏 机械零件的机械零件的很多很多 b)b)同一种零件可能的失效形式往往有若干种。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 整体断裂整体断裂 占总失效的占总失效的5%5% 疲劳断裂：循环应力作用下，危险剖面的断裂疲劳断裂：循环应力作用下，危险剖面的断裂 过载断裂：瞬间大载荷导致的局部断裂过载断裂：瞬间大载荷导致的局部断裂 过大残余变形过大残余变形 残余变形：应力超过屈服极限所产生的变形残余变形：应力超过屈服极限所产生的变形 零件的表面破坏零件的表面破坏 占占75%75% 疲劳点蚀：接触应力长期作用，产生裂

13、纹直到剥落的现象疲劳点蚀：接触应力长期作用，产生裂纹直到剥落的现象 磨损：接触表面产生材质丧失或转移的现象磨损：接触表面产生材质丧失或转移的现象 腐蚀：化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象腐蚀：化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象 摩擦传动的打滑：传动带或摩擦轮在另一个轮摩擦传动的打滑：传动带或摩擦轮在另一个轮 上滑过的现象上滑过的现象 振动引起的失效振动引起的失效 共振：干扰频率与固有频率相等时发生的灾难性破坏共振：干扰频率与固有频率相等时发生的灾难性破坏 热引起的破坏：零件的变形、润滑性能的降低热引起的破坏：零件的变形、润滑性能的降低 2 2）载荷：作用在零件上的外力。）载荷：作用

14、在零件上的外力。 名义载荷：理想平稳条件下载荷（不考虑动载荷）名义载荷：理想平稳条件下载荷（不考虑动载荷） （按理论力学计算出的载荷）（按理论力学计算出的载荷） 用用F Fn n、MMn n、T Tn n表示表示 计算载荷：考虑动载荷得到的载荷计算载荷：考虑动载荷得到的载荷 用用F Fca ca、 、MMca ca、 、T Tca ca表示 表示 F Fca ca= =KF KFn n K K载荷系数（工况系数载荷系数（工况系数K KA A） 静载荷静载荷 动载荷动载荷 lim S 3 3）安全系数）安全系数 （许用）安全系数：极限应力与许用应力比值（许用）安全系数：极限应力与许用应力比值 计

15、算安全系数：极限应力与计算应力之比计算安全系数：极限应力与计算应力之比 ca ca S lim 引入安全系数的原因：引入安全系数的原因： 应力计算时的载荷不精确性；应力计算时的载荷不精确性； 力学模型与实际状况的差异；力学模型与实际状况的差异； 材料机械性能的不均匀性；材料机械性能的不均匀性； 零件使用场合的重要性。零件使用场合的重要性。 合理选择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。是设计中的一项重要工作。 的取值主要受下列因素的影响：的取值主要受下列因素的影响： S S 计算的准确性；计算的准确性； 材料的均匀性；材料的均匀性； 零件的重要性。零件的重要性。 （一（一)

16、 )、强度准则、强度准则 强度：指机械零件工作时抵抗变形或破坏的能力。强度：指机械零件工作时抵抗变形或破坏的能力。 强度条件有两种表示方法：强度条件有两种表示方法： 1 1） 用应力表示：用应力表示： ca S lim 2 2）用安全系数表示：）用安全系数表示： S ca S ca lim ca S 式中：式中： ca 计算最大应力计算最大应力 lim 极限应力极限应力 计算安全系数计算安全系数 ca S S 许用应力许用应力 许用安全系数许用安全系数 注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成换成 即可。即可。 2-62-6：机械零件的设计准则：机械零件的

17、设计准则 1 1）静应力下的强度）静应力下的强度 可能的失效形式是塑性变形或断裂。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。材料种类不同，所取极限应力也不同。 塑性材料塑性材料 单向应力状态下：单向应力状态下： s lims lim， 复合应力状态下：复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力按第三或第四强度理论计算当量应力 脆性材料脆性材料 单向应力状态下：单向应力状态下： ， b lim b lim 复合应力状态下：按第一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。 2）循环应力下的强度（疲劳强度）（详见第三章）循环应力下的强度（疲劳

18、强度）（详见第三章） 计算变应力下的强度时，应取计算变应力下的强度时，应取 疲劳极限疲劳极限 lim rN 3）表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 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，在接触处面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为：局部会产生很高的应力，这样的应力称为： 表面接触应力，用表面接触应力，用 表示。其大小用赫兹公式计算。表示。其大小用赫兹公式计算。 H 这时零件强度称为接触强度。这时零件强

19、度称为接触强度。 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。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：强度条件为： H H 接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。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：点蚀的危害： 1 1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2 2）减小零件的有效工作面积，承载能力下降。）减小零件的有效工作面积，承载能力下降。 4 4）表面磨损强度）表面磨损强度 （耐磨性计算）（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。通到目前为止对于磨损失效还没

20、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。生过大的磨损量。 即即 压强不超过许用值压强不超过许用值 p p p p 速度不超过许用值速度不超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值压强与速度乘积不超过许用值 p p p p (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。刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 刚度条件为：刚度条件为： 实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 （三）、寿命准则（轴承设计）（三）、寿命准则（轴承设计） 另：可靠性准则（自

21、学）另：可靠性准则（自学） （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 件的固有频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称件的固有频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称 之为之为“失去振动稳定性失去振动稳定性”。 振动稳定性准则：使外力变化振动稳定性准则：使外力变化 的频率远离零件的自激振的频率远离零件的自激振 动频率动频率 f 。 即即 0.85 0.85 f 或或 1.151.15 f p f p f p f 2-7、 机械零件的设计方法机械零件的设计方法(传统设计方法传统设计方法) 理论设计理论设计 据总结出来的设计理论和实验数据进行设计据总结出来的设计理论和实验数据进行设计 经验设计经验设计 据经验关系式或通过类比法设计据经验关系式或通过类比法设计 模型实验设计模型实验设计 将初步设计做成小模型或样机，利用实验检验特将初步设计做成小模型或样机，利用实验检验特 性，并据特性修改设计