机械设计中构建与零件理论学

1、昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论本部分的内容、性质及学习要求本部分的内容、性质及学习要求机械零件设计概述机械零件设计概述机械零件的强度机械零件的强度昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心9-1 本部分的内容、本部分的内容、性质及学习要求性质及学习要求一、一、内容内容内容内容机械机械机器、机构的总称机器、机构的总称组成机器的基本单元：组成机器的基本单元：机构机构运动单元运动单元 机械原理；机械原理；零件零件制造单元制造单元 机械设计。机械设计。 昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心通用零件通

2、用零件专用零件专用零件传动件传动件联接件联接件支承件支承件其其 它它齿轮、蜗杆、带、链齿轮、蜗杆、带、链螺栓、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、曲轴本部分重点讨论通用零件的设计。本部分重点讨论通用零件的设计。昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心二、内容的性质及重要性二、内容的性质及重要性设计性技术基础，综合性强设计性技术基础，综合性强基础课基础课机械设计机械设计专业课专业课机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素。机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素。三、学习要求三、学习要求

3、1、掌握通用零部件的设计方法和步骤、掌握通用零部件的设计方法和步骤2、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力；、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力；3、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心四、学习方法四、学习方法1、掌握零件设计时的共性、掌握零件设计时的共性工作原理、结构、工作原理、结构、类型、应用场合类型、应用场合受力分析、受力分析、失效形式失效形式设计准则、设计准则、设计计算设计计算2、不死记公式，理解并掌握基本概念、不死记公式，理解并掌握基本概念着眼于分析问题和解

4、决问题能力的培养。着眼于分析问题和解决问题能力的培养。3、掌握机械设计的特点、掌握机械设计的特点解的不唯一性和设计过程的反复性。解的不唯一性和设计过程的反复性。昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心9-2 机械零件设计概述机械零件设计概述一、设计机械零件的基本要求一、设计机械零件的基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能；、满足功能要求，能够准确实现预定的功能；2、工作可靠、工作可靠在预定的工作期限内不能失效；在预定的工作期限内不能失效；3、成本低廉。、成本低廉。失效失效丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏。主

5、要有：破坏。主要有：断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀。工作表面片状剥落表面点蚀。工作表面片状剥落塑性变形。零件发生永久性变形塑性变形。零件发生永久性变形过大弹性变形过大弹性变形过度磨损过度磨损过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心工作能力工作能力不失效条件下零件的安全工作限度。不失效条件下零件的安全工作限度。 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示， 所以又常称为所以又常称为“承载能力承载能力”50 kN吊

6、钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心二、承载能力判定条件二、承载能力判定条件同一零件可能发生各种不同形式的失效同一零件可能发生各种不同形式的失效Fn轴可能的失效形式：轴可能的失效形式：断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振强度条件：强度条件：工作应力工作应力许用应力许用应力 或或 刚度条件：刚度条件： 实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 y y、 、 昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心三、机械零件的设计步骤三、机械零件的设计步骤3、选择

7、材料；、选择材料；4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件、根据失效形式选用判定条件，设计出零件 的主要参数；的主要参数；5、绘制零件工作图、绘制零件工作图受力分析受力分析传统设计方法：传统设计方法： 强度条件（或刚度）强度条件（或刚度） 设计计算设计计算尺寸尺寸尺寸尺寸校核计算校核计算强度条件（或刚度）强度条件（或刚度） 理论设计（半经验设计）理论设计（半经验设计）1、拟订零件的设计简图、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置、确定载荷的大小及位置昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心 类比设计类比设计 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方与已有的同类产品进行比

8、较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。 经验设计经验设计 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新。缺乏创新。 模型实验设计模型实验设计用于大型、复杂零件的设计。用于大型、复杂零件的设计。昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心现代设计方法：现代设计方法： 优化设计优化设计 对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化方法求解，得出最佳设计结果。方法求解，得出最佳设计结果。 计算机辅助设计（计算机

9、辅助设计（CAD）包括分析计算和绘图。包括分析计算和绘图。 概率设计概率设计将概率论与数理统计理论运用于机械设计。将概率论与数理统计理论运用于机械设计。 有限元分析有限元分析 并行设计并行设计昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心9-3 机械零件的强度机械零件的强度一、载荷及应力的分类一、载荷及应力的分类1、载荷的分类、载荷的分类静载荷静载荷变载荷变载荷不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性变化名义载荷名义载荷计算载荷计算载荷理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷作用于零件的设计载荷作用于零件的设计载荷计算载荷计算载

10、荷名义载荷名义载荷=K 载荷系数载荷系数？昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心2、应力的分类、应力的分类静应力静应力变应力变应力不随时间改变或变化缓慢不随时间改变或变化缓慢随时间作周期性或非周期性变化随时间作周期性或非周期性变化变应力变应力稳定变应力稳定变应力周期性循环变应力周期性循环变应力非稳定变应力非稳定变应力非周期性循环变应力非周期性循环变应力稳定变应力稳定变应力非对称循环变应力非对称循环变应力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昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心 =常数常数ttmaxminammaxammaxamin对称循环

11、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昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心几个应力参数几个应力参数循环特征：循环特征：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 = 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。如的变应力。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

12、循环:m=a=max / 2昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心注意：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nP an二、静应力作用下的强度问题二、静应力作用下的强度问题主要失效形式：断裂或塑性变形主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：强度条件： 或或 塑性材料：塑性材料：sslimlim;许用应力：许用应力：lim 、lim 极限应力极限应力 s 安全系数安全系数lim = s ；lim = s脆性材料：脆性材料：lim = B ；lim = Bs、s 材料屈服极限材料屈服极限B、B 材料强度极限材料强度极限昆明理工大学现代教育技术中心昆明理工大学现代教育技术中心三、变应力作用下的强度问题三、变应力作用下的强度问题主要失效形式：疲劳破坏主要失效形式：疲劳破坏初始裂纹初始裂纹疲劳区疲劳区(光滑光滑)粗糙区粗糙区强度条件：强度条件： slimlim = ？疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关NrNrNN0疲劳曲线疲劳曲线N 应力循环次数应力循环次数rN 疲劳极限（对应于疲劳极限（对应于N）N0 循环基数循环基数r 持久极限持久极限轴轴有限寿