第一章机械设计概述

1、第一章第一章 机械设计概论机械设计概论 第一节第一节 绪论绪论 第二节第二节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序 第三节第三节载荷与应力分析载荷与应力分析 第四节第四节机械零件的失效形式机械零件的失效形式 第五节第五节机械零件的计算准则机械零件的计算准则 第六节第六节机械零件的材料选择机械零件的材料选择 第七节机械结构设计的基本要求第七节机械结构设计的基本要求 第八节机械零件的标准化第八节机械零件的标准化机械机械是机器与机构的总称。是机器与机构的总称。机器机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产率的主要劳动工具。产率的主要劳动

2、工具。 机器的组成机器的组成一、本课程的研究对象一、本课程的研究对象机器的主体机器的主体是机械系统是机械系统本课程的研究对象是机器及组成机器的机械零部件。本课程的研究对象是机器及组成机器的机械零部件。 原动机部分原动机部分辅助部分（如润滑、显示、照明等）辅助部分（如润滑、显示、照明等）控制部分控制部分执行部分执行部分传动部分传动部分第一节 绪论机械零件机械零件 组成机器的基本单元称为机械零件，组成机器的基本单元称为机械零件，简称零件，它们是机器中最小的独立制造单元。简称零件，它们是机器中最小的独立制造单元。部件部件 由一组协同工作的零件所组成的独立制由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装

3、配的组合体，称为部件。造或独立装配的组合体，称为部件。零件与部件统称为零件与部件统称为零部件零部件（但有些场合，零件（但有些场合，零件即指零部件）。即指零部件）。 通用零部件通用零部件专用零部件专用零部件齿轮、蜗杆、带轮、链轮齿轮、蜗杆、带轮、链轮传动件传动件联接件联接件支承件支承件其其 他他螺栓、键、花键螺栓、键、花键轴、轴承轴、轴承联轴器、弹簧、机架联轴器、弹簧、机架水轮机叶片、活塞、曲轴水轮机叶片、活塞、曲轴本课程研究对象中的机械零部件，是指普通条件本课程研究对象中的机械零部件，是指普通条件下工作的一般尺寸与参数的通用零部件。下工作的一般尺寸与参数的通用零部件。机械设计机械设计是指设计开

4、发新的机器设备或改进现有是指设计开发新的机器设备或改进现有的机器设备。机械设计是一项极富创造性的工作。的机器设备。机械设计是一项极富创造性的工作。 机械设计机械设计课程是一门培养学生具有机械设计课程是一门培养学生具有机械设计能力的主干技术基础课程。能力的主干技术基础课程。本课程的内容是对机械设计基础知识、基本理论、本课程的内容是对机械设计基础知识、基本理论、程序和设计步骤与过程的论述。从工作情况分析、程序和设计步骤与过程的论述。从工作情况分析、主要失效形式、设计计算准则、主要参数计算与校主要失效形式、设计计算准则、主要参数计算与校核方法、典型结构设计等方面学习四大类（连接、核方法、典型结构设计

5、等方面学习四大类（连接、机械传动、轴系、其他）典型机械零部件的设计方机械传动、轴系、其他）典型机械零部件的设计方法，并从整体的角度初步学习机械系统设计的基本法，并从整体的角度初步学习机械系统设计的基本知识。知识。 二、本课程的性质、内容和任务二、本课程的性质、内容和任务本课程的主要任务是培养学生：本课程的主要任务是培养学生： 掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计一般机械的能力；具有设计一般机械的能力；初步具有一定机械系统方案优化及决策的能力与素质；初步具有一定机械系统方案优化及决策的能力与素质；树立创新意识和正确的

6、设计思想；树立创新意识和正确的设计思想；具有运用标准、规范、手册、图册等技术资料的能力；具有运用标准、规范、手册、图册等技术资料的能力；掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；了解国家当前的有关技术经济政策及机械设计的新发展动向。了解国家当前的有关技术经济政策及机械设计的新发展动向。系统地掌握课程内容系统地掌握课程内容把主要注意力放在提高分析问题和解决问题的能把主要注意力放在提高分析问题和解决问题的能力上力上重视实践，多作练习重视实践，多作练习注意自学能力的提高注意自学能力的提高注意培养自己创造性设计的能力注意培养自己创造性设计的

7、能力三、本课程的特点和学习方法三、本课程的特点和学习方法系统性系统性综合性综合性工程性工程性典型性典型性2、学习方法：、学习方法：1、特点、特点:第二节第二节 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序功能要求功能要求一、设计机器应满足的基本要求一、设计机器应满足的基本要求经济性要求经济性要求操作方便操作方便 运行安全运行安全其它特殊要求其它特殊要求能实现机器的预定功能，并在预定环境条件能实现机器的预定功能，并在预定环境条件和工作期限内可靠地工作。和工作期限内可靠地工作。要求设计、制造和使用机器的费用少，并且要求设计、制造和使用机器的费用少，并且效率高。效率高。如巨型机器要便于安

8、装、拆卸和运输；食如巨型机器要便于安装、拆卸和运输；食品、纺织、造纸机器不得污染产品等。品、纺织、造纸机器不得污染产品等。 要求设计的机器操作简便、省力；必要时可要求设计的机器操作简便、省力；必要时可安装安全防护和保险装置；尽可能降低机器安装安全防护和保险装置；尽可能降低机器的噪声；美化机器的外观造型等，并应妥善的噪声；美化机器的外观造型等，并应妥善处理人和机器间的各个联系环节。处理人和机器间的各个联系环节。二、机械设计的一般程序二、机械设计的一般程序确定设计任务确定设计任务拟定总体方案拟定总体方案总体结构设计总体结构设计零部件设计零部件设计鉴定和评价鉴定和评价第三节第三节 载荷与应力分析载荷

9、与应力分析1 1、载荷形式、载荷形式 一、载荷分析一、载荷分析集中力集中力F（N） 转矩转矩T（Nm） 弯矩弯矩M（Nm） 功率功率P（W）2 2、载荷分类、载荷分类 按载荷与时间按载荷与时间的关系分类的关系分类变载荷变载荷 静载荷静载荷 不随时间变化或变化不随时间变化或变化缓慢的载荷缓慢的载荷随时间变化的载荷随时间变化的载荷在设计计算中，零件上的载荷还分为：在设计计算中，零件上的载荷还分为：工作载荷工作载荷 机械正常工作时所受的实际载荷机械正常工作时所受的实际载荷 。名义载荷名义载荷 根据额定功率用力学公式计算出的作用在根据额定功率用力学公式计算出的作用在零件上的载荷。零件上的载荷。计算载荷

10、计算载荷 考虑零部件工作过程中载荷随时间作用的考虑零部件工作过程中载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及其他影响不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及其他影响零件受载等因素，而对名义载荷进行修正而得到的近零件受载等因素，而对名义载荷进行修正而得到的近似载荷。似载荷。常用常用载荷系数载荷系数K（K=K1K2）来考虑这些因素的综）来考虑这些因素的综合影响。载荷系数合影响。载荷系数K与名义载荷与名义载荷的乘积即为计算载荷。的乘积即为计算载荷。1 1、应力分类、应力分类 二、应力分析二、应力分析循环变应力循环变应力按应力与时间按应力与时间的关系分类的关系分类变应力变应力 静应力静应力

11、不随时间变化或变不随时间变化或变化缓慢的应力化缓慢的应力随时间变化的应力随时间变化的应力随时间按一定规律变化的变应随时间按一定规律变化的变应力力 =常数常数ttmaxminammaxammaxamin对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力静应力静应力OtOOtO最大最大应力应力最小最小应力应力应力应力 幅幅最大最大应力应力平均平均应力应力应力应力 幅幅应力应力 幅幅最大最大应力应力最小最小应力应力平均平均应力应力循环特性系数：循环特性系数：maxminr 表示应力变化的情况表示应力变化的情况对称循环对称循环 r = 1；脉动循环脉动循环 r =

12、 0；非对称循环非对称循环 r 0 且且 | r | 1;静应力静应力 r = +1用用r 表示循环特征为表示循环特征为 r 的变应力的变应力。如如 -1、0等等平均应力：平均应力：2minmaxm应应 力力 幅：幅：2minmaxa对称循环对称循环: :m= 0; a=max脉动循环脉动循环: :m=a=max / 22 2、变应力主要参数、变应力主要参数 注意：注意：变载荷变载荷 变应力变应力静载荷静载荷 静应力静应力 ？或变应力或变应力静载荷产生变应力静载荷产生变应力第四节第四节 机械零件的失效形式机械零件的失效形式 机械零件由于某些原因不能正常工作，称为机械零件由于某些原因不能正常工作

13、，称为失效失效。一、断裂一、断裂 零件在外载荷作用下，由于零件在外载荷作用下，由于某一危险截面上的应力超过零件某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时所发生的断裂或当的强度极限时所发生的断裂或当零件在循环变应力的作用下危险零件在循环变应力的作用下危险截面所发生的疲劳断裂。截面所发生的疲劳断裂。如：如：螺栓的断裂螺栓的断裂 齿轮轮齿断裂实例齿轮轮齿断裂实例二、过大的变形二、过大的变形 机械零件在载荷作用下工作时，可能发生过大的机械零件在载荷作用下工作时，可能发生过大的弹性变形或由于零件上的应力超过材料的屈服极限产弹性变形或由于零件上的应力超过材料的屈服极限产生残余塑性变形。生残余塑性变形。 齿轮

14、齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形三、表面损伤三、表面损伤表面疲劳（亦称点蚀）表面疲劳（亦称点蚀） 零件表面在接触变应力长零件表面在接触变应力长期作用下产生微粒剥落的现象。期作用下产生微粒剥落的现象。磨损（主要指磨粒磨损）磨损（主要指磨粒磨损） 两个接触零件表面在相两个接触零件表面在相对运动过程中表面物质丧失或转移的现象。对运动过程中表面物质丧失或转移的现象。腐蚀腐蚀 金属表面与周围的介质发生的电化学或化学金属表面与周围的介质发生的电化学或化学侵蚀的现象。侵蚀的现象。齿轮齿面接触疲劳点蚀齿轮齿面接触疲劳点蚀滚动轴承滚道的疲劳点蚀滚动轴承滚道的疲劳点蚀滚动轴承外圈滚道的

15、磨损滚动轴承外圈滚道的磨损轴瓦的磨损轴瓦的磨损四、破坏正常工作条件引起的失效四、破坏正常工作条件引起的失效 例如：例如：V带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极带传动当传递的有效圆周力大于摩擦力的极限值时将发生限值时将发生打滑失效打滑失效；高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相高速转动的零件当其转速与系统的固有频率相一致时会发生共振，以致引起一致时会发生共振，以致引起断裂失效断裂失效；液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发液体润滑的滑动轴承当润滑油膜被破坏时将发生生胶合失效胶合失效等。等。 第五节第五节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 机械零件不发生失效时的安全工作限度称为零件机械零

16、件不发生失效时的安全工作限度称为零件的的工作能力工作能力。对载荷而言零件的工作能力也可称为零。对载荷而言零件的工作能力也可称为零件的件的承载能力承载能力。 用计算的方法来保证零件有足够的工作能力，从用计算的方法来保证零件有足够的工作能力，从而避免失效，是常用的机械设计方法。计算依据的条而避免失效，是常用的机械设计方法。计算依据的条件称为件称为计算准则计算准则。 一、强度准则一、强度准则 强度强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及某些表面损伤的能力。及某些表面损伤的能力。其表达式为其表达式为Slim 零件危险截面或工作表面上的工作应力；零件危险截面或工

17、作表面上的工作应力； 许用应力；许用应力； lim极限应力，对受静应力的脆性材料，如铸极限应力，对受静应力的脆性材料，如铸铁受拉伸取抗拉极限；对受静应力的塑性材料取铁受拉伸取抗拉极限；对受静应力的塑性材料取屈服极限；对受变应力的零件取疲劳极限屈服极限；对受变应力的零件取疲劳极限 ；S安全系数，考虑各种偶然或难以精确分析的安全系数，考虑各种偶然或难以精确分析的因素的影响。因素的影响。 另一表达方式另一表达方式SS 一般来讲各种零件都应满足一定的强度要求，一般来讲各种零件都应满足一定的强度要求，因而强度准则是零件设计最基本的准则。因而强度准则是零件设计最基本的准则。 S许用安全系数许用安全系数二、

18、刚度准则二、刚度准则刚度刚度指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。其表达式为其表达式为y弹性变形量；弹性变形量；y许用变形量。许用变形量。 弹性变形量可用各种求变形量的理论或实验方弹性变形量可用各种求变形量的理论或实验方法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按理论或经验来确定其合理的数值。理论或经验来确定其合理的数值。 yy 耐磨性耐磨性是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。 目前尚无公认的能够进行定量计算的方法。通常目前尚无公认的能够进行定量计算的方法。通常为了保证零件具有

19、良好的耐磨性，应运用摩擦学原理为了保证零件具有良好的耐磨性，应运用摩擦学原理设计零件的结构，选定摩擦副的材料和热处理、表面设计零件的结构，选定摩擦副的材料和热处理、表面状态、油品等。同时，给予合理而充分的润滑，以延状态、油品等。同时，给予合理而充分的润滑，以延长零件的使用寿命。长零件的使用寿命。 影响零件寿命的主要失效形式是磨损、疲劳和腐影响零件寿命的主要失效形式是磨损、疲劳和腐蚀，它们的产生机理、发展规律及对零件寿命的影响蚀，它们的产生机理、发展规律及对零件寿命的影响是完全不同的，应分别加以考虑。是完全不同的，应分别加以考虑。三、寿命准则三、寿命准则 对于对于疲劳寿命疲劳寿命，通常是求出零件

20、在预定使用寿，通常是求出零件在预定使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。疲劳寿命的计算命时的疲劳极限作为计算的依据。疲劳寿命的计算准则常采用准则常采用 的形式。的形式。四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则计算准则为计算准则为 fp0.85 0.85 f 或或 fp1.15 1.15 f SS 迄今为止，还未能提出实用有效的迄今为止，还未能提出实用有效的腐蚀寿命腐蚀寿命计算计算方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。方法，因而也无法列出腐蚀的计算准则。振动稳定性振动稳定性是指高速机器抵抗失稳的能力。是指高速机器抵抗失稳的能力。fp周期性载荷的作用频率；周期性载荷的作用频率；f机械系统的固有频率。机械系

21、统的固有频率。五、散热性准则五、散热性准则 当两个零件表面之间发生相对运动时，会由于当两个零件表面之间发生相对运动时，会由于摩擦产生热量。如果生热过高或散热不良，就可能摩擦产生热量。如果生热过高或散热不良，就可能使零件温度过度升高，破坏正常的润滑条件，甚至使零件温度过度升高，破坏正常的润滑条件，甚至导致两个金属表面粘着发生胶合。要满足散热性准导致两个金属表面粘着发生胶合。要满足散热性准则，应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴承则，应对发热较大的零件（如蜗杆传动、滑动轴承等）进行等）进行热平衡计算热平衡计算。第六节第六节 机械零件的材料选择机械零件的材料选择 材料选择是机械设计中的重要环节。机

22、械零件材料选择是机械设计中的重要环节。机械零件的材料对其性能、加工方法、经济性等都有很大的的材料对其性能、加工方法、经济性等都有很大的影响。随着工程实际对现代机器和零件要求的不断影响。随着工程实际对现代机器和零件要求的不断提高，以及各种新材料的不断出现，合理选择零件提高，以及各种新材料的不断出现，合理选择零件材料已成为提高零件质量、降低成本的重要手段。材料已成为提高零件质量、降低成本的重要手段。一、一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料 ： 铝铝( (LY12) )、铜、铜( (ZCuSn10P1)黑色金属黑色金属有色金属有色金属铁铁钢钢高分子材料高分子材料复合材料复合材料: :陶陶 瓷瓷:

23、 :金属材料金属材料非金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢( (如：如：08F 45 60 1Cr18Ni9） ：灰铸铁、球墨铸铁：灰铸铁、球墨铸铁( (如：如：TH300 QT500-5) ) 强如钢、轻如铝、硬如金刚石强如钢、轻如铝、硬如金刚石 强度高、弹性模量大、质量轻强度高、弹性模量大、质量轻二、二、选择材料的原则选择材料的原则1、满足机械零件的使用要求、满足机械零件的使用要求承受工作载荷的能力承受工作载荷的能力 有足够的强度、刚度。有足够的强度、刚度。保持使用性能的能力保持使用性能的能力 在工

24、作环境下长期工作，能保持原来在工作环境下长期工作，能保持原来的形状、尺寸、精度；耐腐蚀、高温、潮湿等。的形状、尺寸、精度；耐腐蚀、高温、潮湿等。其他要求其他要求 如重量轻、美观等。如重量轻、美观等。2、满足工艺性要求、满足工艺性要求 在满足使用要求的前提下，要考虑机械零件的毛坯制造（铸在满足使用要求的前提下，要考虑机械零件的毛坯制造（铸造、锻压、焊接、冷冲压等）、热处理、机械加工和修理方便、造、锻压、焊接、冷冲压等）、热处理、机械加工和修理方便、以及便于回收利用等，选择零件的材料。还应注意到，不同的复以及便于回收利用等，选择零件的材料。还应注意到，不同的复杂程度、尺寸、加工批量，对加工方法和材

25、料的选择有很大的影杂程度、尺寸、加工批量，对加工方法和材料的选择有很大的影响。还要考虑本单位具有的加工条件和外单位协作的可能性。响。还要考虑本单位具有的加工条件和外单位协作的可能性。3、满足经济性要求、满足经济性要求 在选择材料时，不仅要考虑材料的价格，而在选择材料时，不仅要考虑材料的价格，而且要考虑其加工成本，废品率等。还要考虑供应且要考虑其加工成本，废品率等。还要考虑供应问题，如所需材料的规格、尺寸是否能够及时得问题，如所需材料的规格、尺寸是否能够及时得到。到。第七节第七节 机械结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求 结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设计结构设计是机械设计的基本内容

26、之一，也是设计过程中涉及问题最多、工作量最大的环节。它在产品过程中涉及问题最多、工作量最大的环节。它在产品的形成过程中起着十分重要的作用。的形成过程中起着十分重要的作用。 在机械结构设计过程中，要充分考虑以下各方在机械结构设计过程中，要充分考虑以下各方面的基本要求。面的基本要求。 功能要求功能要求 使用要求使用要求 结构工艺性要求结构工艺性要求 人机学要求人机学要求 功能要求功能要求 机械零件结构设计就是将原理设计方案具体化，机械零件结构设计就是将原理设计方案具体化，即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。概即构造一个能够满足功能要求的三维实体零部件。概括地讲，各种零件的结构功能主要有承受

27、载荷、传递括地讲，各种零件的结构功能主要有承受载荷、传递运动和动力以及保证或保持有关零部件之间的相对位运动和动力以及保证或保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。功能要求是结构设计的主要依置或运动轨迹关系等。功能要求是结构设计的主要依据和必须满足的要求。当具有两种以上功能要求时，据和必须满足的要求。当具有两种以上功能要求时，应分清主次，在优先满足主要功能的前提下，尽量满应分清主次，在优先满足主要功能的前提下，尽量满足其他功能要求。足其他功能要求。 使用要求使用要求 对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用期限内正常地实现其功能，在结构设计中应使

28、零部件期限内正常地实现其功能，在结构设计中应使零部件的结构受力合理，降低应力，减少变形，以利于提高的结构受力合理，降低应力，减少变形，以利于提高零件的强度、刚度和延长使用寿命。零件的强度、刚度和延长使用寿命。结构工艺性要求结构工艺性要求 机器及其组成零件要能最经济地制造和装配，应机器及其组成零件要能最经济地制造和装配，应具有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于制造具有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于制造费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。通常应从费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。通常应从以下几个方面考虑结构工艺性。以下几个方面考虑结构工艺性。应使零件形状简单合理。应使零件形状简单合理。适应生产条件和规模。适应生产条件和规模。合理选用毛坯类型。合理选用毛坯类型。便于切削加工。便于切削加工。便于装配和拆卸。便