第1章 机械设计概述

1、机械设计基础第一章第一章 机械设计概述机械设计概述机械设计基础一、现代一、现代制造业制造业的特点与设计的地位的特点与设计的地位面临全球性的市场、资源、技术和人员的竞争开放的国际市场更具有选择性，个性化、多样化的消费需求使得市场快速多变传统的价格与质量已不再是决定因素。柔性和响应速度的竞争，以适应全球市场的动态变化机械设计基础现代现代制造业制造业的的T、Q、C、S 、ET（Time）：）：时间、产品开发的生命周期、交货期时间、产品开发的生命周期、交货期Q（Quality ）:质量质量C（Cost ）：成本）：成本S（serve ）：服务）：服务E（Environment）：环境）：环境机械设计基

2、础二、机械零件的设计方法 理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计的设计 设计计算 用于能通过简单的力学模型进行设计的零件 校核计算 用于结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析方法（以强度为设计准则时）或变形分析方法（以刚度为设计准则时）进行计算的场合 经验设计根据已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系根据已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或工作经验用类比的方法所进行的设计式，或工作经验用类比的方法所进行的设计 对使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，很有效。例如箱体、机架、传动零件的结构要素。 模型实验设计 对尺

3、寸巨大而机构又很复杂的重要零件，尤其是重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。机械设计基础三、机械设计的一般过程社会需求社会需求设计任务设计任务 定义问题 已知条件 合适的假设方案设计方案设计结构设计结构设计 编制技术文件编制技术文件机械零件设计的步骤机械零件设计的步骤受力分析受力分析选择材料选择材料确定计算准则确定计算准则理论理论 计算计算(参数设计参数设计) 结构设计结构设计 (CAD/CAE)技术文档技术文档机械设计基础设计方案的评价标准 功能功能 作用原理作用原理 结构（最小原则）结构（最小原则） 安全可靠性安全可靠性 人机学人机学 加工制造加工制造 检验检验 装

4、配装配 运输运输 使用使用 维修维修 回收回收 费用费用 法律法律机械设计基础四、本课程的性质、任务、内容性质 机类各专业重要的技术基础课任务 树立正确的设计思想和设计方法树立正确的设计思想和设计方法 具有初步设计传动装置和简单机械的能力具有初步设计传动装置和简单机械的能力内容轿车的组成 机体组配气机构供给系飞轮 曲轴 活塞曲柄连杆机构启动系冷却系机械设计基础本课程的内容机械设计的一般理论、准则与方法，重点讨论在机械设计的一般理论、准则与方法，重点讨论在普通工作条件下工作的下工作的一般参数的的通用零部件的设计问题的设计问题重点分析的零部件分为三类：传动传动 包括带、齿轮、蜗杆等传动包括带、齿轮

5、、蜗杆等传动支承支承 包括滚动轴承、滑动轴承、轴、联轴器、离合包括滚动轴承、滑动轴承、轴、联轴器、离合器器 、制动器、弹簧、制动器、弹簧连接连接 包括螺纹连接和轴毂连接包括螺纹连接和轴毂连接机械设计基础不同的视角机器的组成机器的组成( (从运动观点看从运动观点看) )由机构组成由机构组成( (从制造观点看从制造观点看) )由零件组成由零件组成曲柄滑块机构曲柄滑块机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构机械设计基础五、机械零件的工作能力与计算准则五、机械零件的工作能力与计算准则工作能力 在一定的条件下(载荷、环境、使用期)，零件不发生失效的安全工作限度主要失效形式 断裂、过大的残余应变、表面磨损、腐

6、蚀、零件表面的接触疲劳和共振等某一结构、机器或机器零件某一结构、机器或机器零件的尺寸、形状或材料性能发的尺寸、形状或材料性能发生改变而不能满意地执行预生改变而不能满意地执行预期的功能，就称为机械失效。期的功能，就称为机械失效。据美国据美国1982年统计，断裂失效损年统计，断裂失效损失为失为ll40亿美元，其中可避免的亿美元，其中可避免的为为360亿美元；腐蚀失效损失为亿美元；腐蚀失效损失为720亿美元，可避免的为亿美元，可避免的为100亿美亿美元；其中磨损失效损失数目很大元；其中磨损失效损失数目很大还未包括在内。还未包括在内。 机械设计基础强度准则强度准则 刚度准则刚度准则 y y y y 耐

7、磨性准则耐磨性准则 p pp pvp pvpvpv振动稳定性准则振动稳定性准则耐热性准则耐热性准则机械零件的计算准则机械零件的计算准则机械设计基础六、常用材料的选用原则使用要求使用要求 载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况 零件的工作情况零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温零件的工作情况零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等度、摩擦磨损的程度等 工艺要求工艺要求 零件的尺寸及质量零件的尺寸及质量 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性零件结构的复杂程度及材料的加工可能性 经济效益经济效益 材料的经济性材料的

8、经济性 材料的供应状况材料的供应状况 机械设计基础七、载荷、应力、安全系数七、载荷、应力、安全系数1、载荷、载荷 静载荷：大小或方向不随时间变化或变化极缓慢 变载荷：大小或方向随时间变化的载荷：载荷：工作载荷：机械正常工作时所受的实际载荷(比较难以确定)名义载荷：近似地按原动机的功率通过计算求得的载荷计算载荷：计及零部件工作中所受的各种附加载荷得到的载荷 FcKF， TcKT载荷：力和力矩载荷：力和力矩机械设计基础2、应力、应力应力应力 静应力：不随时间而变的应力 变应力：随时间而变的应力稳定循环：稳定循环：不稳定循环：不稳定循环：随机：随机：maT不随时间变不随时间变maT之一随时间之一随时

9、间变变变化无规律变化无规律仅讨论稳定循环变应力仅讨论稳定循环变应力nP an注意注意：变载荷：变载荷 变应变应力力静载荷静载荷 静应力静应力 ？或变应力或变应力变应力作用下变应力作用下零件的主要失零件的主要失效形式：效形式：疲劳疲劳破坏破坏机械设计基础(1) (1) 稳定循环变应力稳定循环变应力应力变化的周期、应力变化的幅度或平均应力变化的周期、应力变化的幅度或平均值，其中之一随时间而变化值，其中之一随时间而变化 应力随时间按一定规律周期性变化，而应力应力随时间按一定规律周期性变化，而应力变化的幅度和平均值保持常数变化的幅度和平均值保持常数 (2) (2) 非稳定循环变应力非稳定循环变应力规律

10、性非稳定变应力规律性非稳定变应力 随机性非稳定变应力随机性非稳定变应力 稳定循环变应力稳定循环变应力1）变应力的种类）变应力的种类机械设计基础max最大应力最大应力min最小应力最小应力2minmaxa应力幅应力幅2minmaxm平均应力平均应力maxminr循环特征循环特征11r已知已知 2 2 个参数个参数确定其余参数确定其余参数变应力参数变应力参数 ( ( 以正应力以正应力为例、可将为例、可将替换替换) )ma max、 min：绝对值最大和绝对值最小的应力绝对值最大和绝对值最小的应力 max、 min在横坐标轴在横坐标轴同侧同侧时，时，r取取正正号；在号；在异侧异侧时，时，r取取负负号

11、号2）稳定循环变应力各参数之间关系机械设计基础几种稳定循环变应力几种稳定循环变应力(1) (1) 对称循环变应力对称循环变应力(2) (2) 脉动循环变应力脉动循环变应力(3) (3) 静应力静应力minmax0mminmaxa1r)(110min2maxma0r)(000amminmax1r)(11脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力静应力静应力(4) (4) 非对称循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力maxaminm机械设计基础Slim正应力：正应力：Slim剪应力：剪应力：极限应力极限应力)(BB脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限)(SS塑性材

12、料取屈服极限塑性材料取屈服极限由零件的强度条件由零件的强度条件(1) (1) 静应力下的极限应力静应力下的极限应力与材料性能有关与材料性能有关BS3）零件的极限应力）零件的极限应力机械设计基础(2) (2) 变应力下的极限应力变应力下的极限应力与材料、循环次数与材料、循环次数N N、循环特征循环特征r r 等有关等有关在循环特征为在循环特征为r r的变应力作用下对一组的变应力作用下对一组试样作疲劳试验试样作疲劳试验一个一个值、值、记录下试样破坏的记录下试样破坏的N N 值值当当值小到某一数值时，值小到某一数值时，“无数无数”次循环试样都不会次循环试样都不会疲劳破坏，则用疲劳破坏，则用0N替代替代“无数无数”次。次。与与对应的应力对应的应力0N0N：r：当为对称循环变应力时，取其持久极限应力当为对称循环变应力时，取其持久极限应力当为脉动循环变应力时，取其持久极限应力当为脉动循环变应力时，取其持久极限应力)(1