第02章：机械设计总论

1、第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论2.1 2.1 机械设计的基本要求机械设计的基本要求2.2.2 2 机械设计的主要内容和一般过程机械设计的主要内容和一般过程2.2.3 3 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则2.2.4 4 机械零件的设计方法机械零件的设计方法2.2.5 5 机械零件的材料及其选用原则机械零件的材料及其选用原则2.2.6 6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性2.2.7 7 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化2.2.8 8 机械零件的强度及其设计准则机械零件的强度及其设计准则2.2.9 9 机械零件现代设计思想和方法简介机械零件现代

2、设计思想和方法简介1习题：习题：22，25，27思考题思考题2-1至至2-11第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论22.1 2.1 机械设计的基本要求机械设计的基本要求使用要求使用要求经济性要求经济性要求社会性要求舒适、方便社会性要求舒适、方便可靠性要求可靠性要求第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论3市场调研（特色、市场定位、经济与社会效益）市场调研（特色、市场定位、经济与社会效益）明确设计要求（功能、指标、限制条件）明确设计要求（功能、指标、限制条件）论证总体设计方案，把握量变与质变的关论证总体设计方案，把握量变与质变的关系系总体设计（总体结构草图、技术经济评估）总体设计（总体结

3、构草图、技术经济评估）技术设计（装配图、零件图、技术文件）技术设计（装配图、零件图、技术文件）样机试制及其试验样机试制及其试验产品定型产品定型2.2 机械设计的主机械设计的主要内容和一般步骤要内容和一般步骤主要内容主要内容确定工作原理确定工作原理进行运动学和动力学计算进行运动学和动力学计算零部件工作能力计算零部件工作能力计算总装配图与零件图设计总装配图与零件图设计第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论4第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论52.2.3 3 机械零件的机械零件的工作能力工作能力和计算准则和计算准则1. 1. 强度准则强度准则2. 2. 刚度准则刚度准则3. 3. 耐磨性

4、准则耐磨性准则4. 4. 振动与噪声准则振动与噪声准则5. 5. 散热性准则散热性准则6. 6. 可靠性准则可靠性准则工作能力工作能力 零件抵抗失效零件抵抗失效 的能力的能力失失 效效 零件失去设计零件失去设计 时预定的功能时预定的功能第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论6ASF/lim 2.4 机械零件的设计方法机械零件的设计方法（1）理论设计）理论设计 （a）设计计算）设计计算 （b）校核计算）校核计算 F/A FlimA/S （2）经验设计）经验设计（3）模型设计）模型设计SlimSAFlim第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论72.2.5 5 机械零件的机械零件的材料及其选

5、用原则材料及其选用原则表表2.1 常用钢、铸铁牌号、机械性能及其应用场合（常用钢、铸铁牌号、机械性能及其应用场合（GB/T700-1988）材料材料力学性能力学性能应用举例应用举例名称名称 牌号牌号抗拉强度抗拉强度B/MPa 屈服强度屈服强度s/MPa 硬度硬度/HBS 碳素碳素结构结构钢钢 优质优质碳素碳素钢钢 Q195Q235Q275 315390375460490610 185、195185235225275 25354550Mn 420530600 645 235315355390 111170197197217 金属结构构件，拉杆、金属结构构件，拉杆、铆钉、心轴、垫圈；铆钉、心轴、垫

6、圈；焊接件、齿轮、螺钉、焊接件、齿轮、螺钉、盖等盖等 轴、辊子、联轴器、垫轴、辊子、联轴器、垫圈、螺钉等圈、螺钉等轴、销、连杆、螺栓、轴、销、连杆、螺栓、螺母等螺母等齿轮、链轮、轴、键、齿轮、链轮、轴、键、销等销等齿轮、凸轮等齿轮、凸轮等 8表表2.2 工艺性示例工艺性示例加工工艺性示例加工工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 螺纹孔无法加工螺纹孔无法加工 轮缘上开工艺孔轮缘上开工艺孔 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性10续表续表2.2加工工艺性示例加工工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 需要两次走刀需要两次走刀 一次走刀一次走刀

7、2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性11续表续表2.2加工工艺性示例加工工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 需要两次装夹，且不易需要两次装夹，且不易保证水平方向两孔的同轴度保证水平方向两孔的同轴度 只需一次装夹，易保证水平方只需一次装夹，易保证水平方向两孔的同轴度向两孔的同轴度 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性12续表续表2.2加工工艺性示例加工工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 精车长度过长精车长度过长 减小精车长度减小精车长度 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性1302. 01002. 0102.6

8、机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性14续表续表2.2装拆工艺性示例装拆工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 螺钉无法装入螺钉无法装入 应使应使l1l2或采用双头螺柱联或采用双头螺柱联接接 （注意扳手空间）（注意扳手空间） 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性15续表续表2.2装拆工艺性示例装拆工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 轴肩过高，轴承拆卸困难轴肩过高，轴承拆卸困难 轴肩高度小于轴承内圈高度轴肩高度小于轴承内圈高度 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性16续表续表2.2装拆工艺性示例装拆工艺性示例 合理的结构合理

9、的结构 不合理的结构不合理的结构 圆柱面配合较紧时拆卸困难圆柱面配合较紧时拆卸困难 增设拆卸螺纹孔增设拆卸螺纹孔 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性17续表续表2.2装拆工艺性示例装拆工艺性示例 合理的结构合理的结构 不合理的结构不合理的结构 装销时空气无法排出装销时空气无法排出 或在定位销上或在定位销上开设排气槽开设排气槽 开设排气孔开设排气孔 2.6 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性182.2.7 7 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化“三化三化”已被列为必须执行的技术法规已被列为必须执行的技术法规国家标准（国家标准（GBGB）、）、部颁标准（部颁标准（JB

10、JB等）等）出口产品应满足国际标准出口产品应满足国际标准ISOISO第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论（了解标准化、通用化、系列化的概念与意义）（了解标准化、通用化、系列化的概念与意义）192.2.8 8 机械零件的强度及其设计准则机械零件的强度及其设计准则2.2.8.1 8.1 机械零件的载荷机械零件的载荷2.2.8.2 8.2 机械零件的应力机械零件的应力2.2.8.3 8.3 静应力作用下的强度计算静应力作用下的强度计算2.2.8.4 8.4 变应力下的强度计算变应力下的强度计算第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论202.2.8.18.1 机械机械零件的载荷零件的载荷 载荷

11、载荷-力与力矩的总称力与力矩的总称 静载荷、变载荷静载荷、变载荷 对称应力，对称应力，r=-1r=-1 变应力变应力 非对称应力，非对称应力，-1-1r1r1 不稳定变应力不稳定变应力第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论21/maxminamammaxmin异号取同与当应力循环特性r2.2.8.3 8.3 静应力作用下的强度计算静应力作用下的强度计算整体强度：体内应力（整体强度：体内应力（ 、 ） 许用应力许用应力表面强度：表面应力（表面强度：表面应力（ H H） 相应的许用应力相应的许用应力第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论221amammaxminr应力循环特性2.2.8.3

12、 8.3 静应力作用下的强度计算静应力作用下的强度计算ssssssSSssssss2 412222其中422单向应力作用下的强度：单向应力作用下的强度： 或：或：S S S S 弯扭复合应力作用下的强度：弯扭复合应力作用下的强度：第第3 3强度理论强度理论第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论232.2.8.4 8.4 变应力作用下的强度计算变应力作用下的强度计算1 1、疲劳曲线与极限应力、疲劳曲线与极限应力2 2、材料的简化极限应力图、材料的简化极限应力图3 3、零件的简化极限应力图零件的简化极限应力图4 4、零件的极限应力、零件的极限应力5 5、稳定变应力下零件的强度计算、稳定变应力下

13、零件的强度计算6 6、规律性不稳定变应力下零件的强度计算、规律性不稳定变应力下零件的强度计算第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论241 1、疲劳曲线与极限应力、疲劳曲线与极限应力 rNN2.2.8.4 8.4 变应力作用下的强度计算变应力作用下的强度计算mNNKKNNNrNrNmrmrN002569761(10 )10280361.63MPa10计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说明计算结果计算结果 由式（由式（2.19）得）得N =106时的有时的有限疲劳极限限疲劳极限 N =105时的有限时的有限疲劳极限疲劳极限 361.63MPa 467.07MPa 59751(10 )1

14、0280467.07MPa10例例2-1 45号钢的对称循环疲劳极限号钢的对称循环疲劳极限1280MPa，设，设m9，N0107，求应力循环次数，求应力循环次数N分别为分别为106、105时的对称循环有限疲劳极限。时的对称循环有限疲劳极限。 2.2.8.4 8.4 变应力作用下的强度计算变应力作用下的强度计算26mNNKKNrNrN0,问题问题: : r=-1=-1 1,1,有无穷的应力循环有无穷的应力循环用实验的方法确定无穷的极用实验的方法确定无穷的极 限应力限应力? ?2 2/3/3、材料材料/零件的简化极限应力图零件的简化极限应力图2.2.8.4 8.4 变应力作用下的强度计算变应力作用

15、下的强度计算2711 1 0 1- amammaxminrr静应力脉动循环对称循环应力循环特性不可能不可能能否用某些特殊的极限力能否用某些特殊的极限力 ( ( -1-1、 0 0、 s s ) )表示任意表示任意 情况下的极限应力？情况下的极限应力？1352 2、3 3、材料材料/零件的简化极限应力图零件的简化极限应力图2.2.8.4 8.4 变应力作用下的强度计算变应力作用下的强度计算284 4、零件的极限应力、零件的极限应力( (简单加载与复杂加载简单加载与复杂加载) )第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论 m m 60 120 180 240 60 120 180 240 3003

16、00 360 420 480 540 600 660 720 360 420 480 540 600 660 720 a a 20 40 60 80 20 40 60 80 100100 120 140 160 180 200 220 240 120 140 160 180 200 220 240r r .5 .5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 .5.5 m m 60 120 180 240 60 120 180 240 300300 360 420 480 540 600 660 720 360 420 480 540 6

17、00 660 720 a a 10 30 50 75 10 30 50 75 100100 130 160 190 225 260 300 360 130 160 190 225 260 300 360r r .7 .6 .57 .52 .5 .47 .45 .43 .41 .40 .38 .33.7 .6 .57 .52 .5 .47 .45 .43 .41 .40 .38 .33复复杂杂加加载载简简单单加加载载294 4、零件的极限应力、零件的极限应力第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论135mareK130MM1工作点工作点M（ m ， a ）极限点极限点M1（ ）/,am = m

18、+ a/amre5 5、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度aKs)1（最大工作应力极限应力aDKs)1（最大工作应力极限应力（1 1）r=-1-1, ,单向应力单向应力 r=-1-1 m m=0, =0, 只有只有 a a 第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论31（2 2）r=-1-1, ,弯扭复合应力弯扭复合应力aDKs)1（aDKs)1（ 4111221221SSsssssseq其中复合应力复合应力第第3 3强度理论强度理论 - -1 1/ / - -1 1=2=25 5、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度第第2

19、 2章：机械设计总论章：机械设计总论32masS最大工作应力极限应力（3 3）r r -1-1, ,单向应力单向应力在在OGCOGC区域区域5 5、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论33135maremaaemereKSK11 , 工作应力极限应力安全系数工作应力极限应力（3 3）r r -1-1, ,单向应力单向应力在在OGAOGA区域区域5 5、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论34135maDmaDKSKS)11（22sssss（4

20、4）r r -1-1, ,复合应力复合应力5 5、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论355 5、稳定循环变应力下、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度例例2-2 合金钢合金钢18CrMnTi的屈服极限的屈服极限S950MPa，疲劳极限，疲劳极限-1550MPa，试绘制其简化极限应力图，并求当循环特性，试绘制其简化极限应力图，并求当循环特性r0.5时的极限应力。时的极限应力。 10020030040050060070080090010020030040050060036作极限应力图作极限应力图 例例2-

21、2计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说明计算结果计算结果 求求0 916.67MPa 如图如图2.10所示所示:1) 连接连接A 点点(0，550)和和 D (458.34，458.34)并延长之；并延长之；2) 从从C(950，0)作斜线，使其与横轴成作斜线，使其与横轴成135夹角；夹角；3) 此二直线交于此二直线交于G 点，则点，则 和和 即为即为18CrMnTi的简化极限应力图。的简化极限应力图。 AGGC根据根据25页页15行取行取0.21022 550916.67MPa11 0.25 5、稳定循环变应力下、稳定循环变应力下机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度371tan=31

22、rram1tan =31rra -1=- 例例2-2计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说明计算结果计算结果 确定工作项目确定工作项目 求极限应力求极限应力 1) 71342)过坐标原点过坐标原点O引射线引射线,其其 7134， 与直线与直线AG交于交于M，故极限应力点在，故极限应力点在AG段段(即即OAGO区区)。 1)因为因为 ,所以所以a3 m2)由于由于 3)联立以上二式得联立以上二式得m171.87MPa, a515.82MPa4)687.69MPa 7134maxma=(171.87+515.82)MPa =687.69MPa5 5、稳定循环变应力下、稳定循环变应力下机械零件

23、的疲劳强度机械零件的疲劳强度386 6、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论 问题问题: :r r不变，每次的应力不变，每次的应力 1 1、 2 2、 n n大小不同大小不同 解决的理论解决的理论( (MinerMiner假设假设) )1111111, (1)NNNNN的寿命损失了的作用下零件认为在际的循环次数次，如果实可循环单独作用下最多由于应力由于应力 4 r可不可不考虑它对强度的影响考虑它对强度的影响39222/ (2)NN失了的作用下零件的寿命损在1 (3)2211n21nnNNNNNN

24、失效时有的作用下零件刚刚、在疲劳损伤积累假设疲劳损伤积累假设Miner假设假设406 6、规律性不稳定单向循环、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度变应力下机械零件的疲劳强度 rNN40+0NNmrmrN 1 2 2 033022011NNNNNNmrmmrmmrm3 , 2 , 1 ,)(0iNNmiri6 6、规律性不稳定单向循环、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度变应力下机械零件的疲劳强度222/ (2)NN失了的作用下零件的寿命损在1 (3)2211n21nnNNNNNN失效时有的作用下零件刚刚、在0111NNNNmrniiminiii设一稳定变应力设一稳定变应力

25、 q，它产生的损伤效果与它产生的损伤效果与所有变应力的效果同所有变应力的效果同niimqiqqmqniimiNNNN11)(40+3 , 2 , 1 ,)(0iNNmiri6 6、规律性不稳定单向循环、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度变应力下机械零件的疲劳强度qrqqrqSS等效应力等效应力 q 等效循环次数等效循环次数Nq 6 6、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度、规律性不稳定单向循环变应力下机械零件的疲劳强度niimqiqqmqniimiNNNN11)(mmrqqr0NN0rqrNrqmNKN当循环次数为当循环次数为Nq时，由图时，由图2.11b可知其相应可知其

26、相应得等效疲劳极限为得等效疲劳极限为rq，由疲劳曲线可知，由疲劳曲线可知 对称循环对称循环r=-1脉动循环脉动循环r=0第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论41例例 2-3 一转轴受规律性不一转轴受规律性不稳定对称循环应力，如右稳定对称循环应力，如右图所示，转轴工作时间图所示，转轴工作时间th=200h，转速，转速n=100r/min，材料为，材料为45钢钢调质，硬度为调质，硬度为200HBS，-1=270 MPa，S=1.5。求寿命系数求寿命系数KN、等效疲、等效疲劳极限劳极限-1q和实际安全系和实际安全系数数S。 第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论4211hh32003020

27、tttht例例2-3计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说明计算结果计算结果 选定等效稳定变应力选定等效稳定变应力 各变应力工作时间各变应力工作时间 q=2=800 MPa 800MPa 30h100h 22hh10200=100h 20tttt各应力循环次数各应力循环次数1251h52h6060 100 301.8 106060 100 1006 10NntNnt1.81056105第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论432q1q95957()1000800()1.8 10()6 108008000.195 10miiiNN 例例2-3计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说

28、明计算结果计算结果 等效循环次数等效循环次数 由式（由式（2.31） 寿命系数寿命系数 由式（由式（2.33）970N7q101.1990.195 10mNKN1.199 0.195107第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论44例例2-3计算项目计算项目 计算公式或说明计算公式或说明计算结果计算结果 等效疲劳极限等效疲劳极限 安全系数安全系数 由式（由式（2.32）324MPa 由式（由式（2.34）1qq3240.405800SS S不不 安全安全 1qN11.199 270=324MPaK第第2 2章：机械设计总论章：机械设计总论452.2.8.28.2 机械零件的应力机械零件的应力

29、应力情况应力情况单向应力单向应力复合应力复合应力强度条件强度条件备注备注静应力静应力r = +1 ， S S S S，见式见式(2.12)见式见式(2.13) 22422 S SSSSS 见式见式(2.14)见式见式(2.15)对塑性对塑性材料材料整体强度整体强度 表表2.3 各种应力情况下的强度条件各种应力情况下的强度条件m=max=min , a= 0 46 续表续表2.3应力情况应力情况强度条件强度条件单向应力单向应力复合应力复合应力备注备注整体强度整体强度变应力变应力稳定稳定对称对称r = 1m= 0 , a=max= min 22422 S SSSSS见式见式(2.14) 对塑性对塑性材料材料m (max+min)/2 a (max-min) /2 2.2.8.28.2 机械零件的应力机械零件的应力47 11SKKSama 11SKKSama 续表续表2.3应力情况应力情况强度条件强度条件单向应力单向应力复合应力复合应力备注备注整体强度整体强度变应力变应力稳定稳定脉动脉动r = 01 amSSK 1amSSK 对塑对塑性材性材料简料简单加单加载载 maxmamin022.2.8.28.2 机械零件的应力机械零件的应力48 续表续表2.3应力情