第00章 机设基础概论.

1、机器机器(Machine)(Machine) 主要是指机械装置。如电动机、主要是指机械装置。如电动机、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等。冶金矿山机械、轻纺食品机械等。机械（机械（Machinery)Machinery) 是机器和机构统称。是机器和机构统称。 机械设计机械设计(Machine Design)(Machine Design) 即为各种机械即为各种机械 装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，功能而

2、进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。的一些基础知识。机构（机构（MechanicsMechanics） 机构是用连接副连接起来的、机构是用连接副连接起来的、有一个构件为机架的构件系统。只能传递运动和力。有一个构件为机架的构件系统。只能传递运动和力。内燃机内燃机机械设计基础课程的研究对象机械设计基础课程的研究对象机械。如：机械。如：指指南南车车破破碎碎机机带 式 运 输 机运输带电动机电动机联轴器联轴器联轴器联轴器减速器减速器索杰纳火星车索杰纳火星车它是美国国家航空航天它是美国国家航空航天局

3、于格林威治时间局于格林威治时间1997年年7月月4日日17时时07分发射分发射的火星探路者号宇宙飞的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着船成功地在火星表面着陆，该飞船携带了索杰陆，该飞船携带了索杰纳火星车，这也是一种纳火星车，这也是一种机器。机器。世世 界界 最最 小小 的的 微微 型型 机机 械械 人人Worlds smallest robot美国山迪亚国家实美国山迪亚国家实验室的科学家，成验室的科学家，成功研制了相信是世功研制了相信是世界最小的微型机械界最小的微型机械人，这微型机械人人，这微型机械人体积只有四分之一体积只有四分之一立方寸，体重小於立方寸，体重小於一盎司。一盎司。 “神舟五

4、号神舟五号”发射时的情景。发射时的情景。发射塔发射塔、运运载火箭载火箭都是庞大的都是庞大的机器机器。专用零部件专用零部件通用零部件通用零部件专用零件专用零件 是只能用于某类机械的零件如曲轴，燃气轮机的叶轮是只能用于某类机械的零件如曲轴，燃气轮机的叶轮典型机构典型机构机械零部件机械零部件控制操作系统控制操作系统机械的组成机械的组成一一. .组成组成缸体缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴曲柄滑块机构曲柄滑块机构齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构内燃机由内燃机由曲柄滑块机构曲柄滑块机构齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构组成组成凸轮凸轮推杆推杆二二. .机构及基本组成单元机构及基本组成单元 1.1.机构机构是由

5、构件以可动联接方式联接起来，是由构件以可动联接方式联接起来，用来传递运用来传递运 动和力的构件系统。如：内燃机中动和力的构件系统。如：内燃机中由由缸体缸体、活塞活塞、连杆连杆、曲轴曲轴 四构件四构件组成的曲柄滑块机构。组成的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构曲柄滑块机构缸体缸体（机架）（机架）活塞活塞（滑块）（滑块）连杆连杆曲轴曲轴（曲柄）（曲柄）曲曲 轴轴 2 2基本组基本组 成单元成单元构件（构件（linklink）构件是机构中的运动单元构件是机构中的运动单元，构，构件可以是单一的整体如活塞、曲轴，也可以是由件可以是单一的整体如活塞、曲轴，也可以是由几个零件组成的刚性结构（如：连杆）几个零件组成的

6、刚性结构（如：连杆） 零件（零件（element element ）是制造的单元，是不是制造的单元，是不可分割的最小单元。如：可分割的最小单元。如：连杆体连杆体 、连杆盖、连杆盖 、轴瓦、轴瓦螺栓螺栓 、螺母、开口销、螺母、开口销 连杆体连杆体连杆盖连杆盖轴轴瓦瓦螺螺栓栓螺母螺母开口销开口销连连 杆杆 机械：是机器和机构的总称机械：是机器和机构的总称机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量，机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量， 物料和信息。机器由若干机构组成。物料和信息。机器由若干机构组成。机构：是由构件以可动联接方式联接起来，机构：是由构件以可动联接方式联接起来，用来传递用

7、来传递 运动和力的构件系统。运动和力的构件系统。构件：是机构中的运动单元。构件可以是单一的整体，也可构件：是机构中的运动单元。构件可以是单一的整体，也可 是由几个零件组成的刚性结构，如内燃机的连杆。是由几个零件组成的刚性结构，如内燃机的连杆。零件：是最小的制造单元，如轴系结构中的齿轮和轴等。零件：是最小的制造单元，如轴系结构中的齿轮和轴等。结论结论机器的基本组成要素是构件和零件机器的基本组成要素是构件和零件机器与机机器与机构的区别构的区别 构件构件与与零零件件的区别的区别 机械设计基础是一门技术基础课，主要介绍机械中的常机械设计基础是一门技术基础课，主要介绍机械中的常用机构和通用零部件的工作原

8、理、用机构和通用零部件的工作原理、 结构特点、基本设计理论结构特点、基本设计理论和计算方法。和计算方法。 连杆机构连杆机构常用的机构常用的机构轮轮 系系齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构一一. . 机械设计基础主要内容机械设计基础主要内容 1 1、研究机构的组成及具有确定运动的条件；基本机构、研究机构的组成及具有确定运动的条件；基本机构的工作原理、特性和运动学设计方法。的工作原理、特性和运动学设计方法。齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构连杆机构连杆机构通用的零件设计通用的零件设计带带 传传 动动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动螺纹联接螺纹联接轴轴键键 联联 接接轴承轴承联轴器联轴器 2 、研究通用

9、机械零部件（齿轮、蜗杆、带传动，螺纹、研究通用机械零部件（齿轮、蜗杆、带传动，螺纹联接，键联接，轴、轴承、联轴器）的工作原理、特点、选联接，键联接，轴、轴承、联轴器）的工作原理、特点、选用及设计计算等。用及设计计算等。蜗杆传动蜗杆传动齿齿轮轮传传动动轮轮系系链链 传传 动动vv主动轮1传动带3从动轮2n2n11 12 2带传动带传动螺纹联接螺纹联接键键联联接接花键联接花键联接滚动轴承半联轴器 键齿轮滚动轴承轴套筒套筒轴系零部件设计轴系零部件设计轴键槽滚动滚动轴承轴承联轴器联轴器半联轴器螺栓联接柱销弹性套半联轴器二二. .机械设计基础机械设计基础课程的性质与作用课程的性质与作用机械基础课程是介入

10、基础课和专业课之间的一门机械基础课程是介入基础课和专业课之间的一门技术基础课技术基础课。三三. .机械设计基础机械设计基础课程的任务课程的任务 1 1掌握常用机构的结构、原理、运动特性的基本知识，初掌握常用机构的结构、原理、运动特性的基本知识，初步具有分析和设计常用机构的能力；步具有分析和设计常用机构的能力； 2 2掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，具有设计机械传动装置和简单机械的能力；的基本知识，具有设计机械传动装置和简单机械的能力；3 3培养学生运用各类标准、规范、手册、图册的能力；培养学生运用各类标准、规范、手册、

11、图册的能力；四先修课程四先修课程机械制图、工程力学、金属工艺学、互换性与技术测量等。机械制图、工程力学、金属工艺学、互换性与技术测量等。1）着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，）着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握， 不强调系统的理论分析；不强调系统的理论分析；2）着重理解公式建立的前提、意义和应用，）着重理解公式建立的前提、意义和应用， 不强调对公式的具体理论推导。不强调对公式的具体理论推导。两个着重、两个着重、两个不强调两个不强调5 5其他要求：环保、噪音、外观等其他要求：环保、噪音、外观等0-3 0-3 机械设计的基本要求、机械零件机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则的

12、工作能力和计算准则 一机械设计的基本要求一机械设计的基本要求1 1实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求，工作可靠；实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求，工作可靠；2 2经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产 效率高、能耗低、效率高、能耗低、 维护管理费用少维护管理费用少；3 3操作方便，运行安全；操作方便，运行安全；4 4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高产品标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高产品质量；质量；二机械零件的工作能力及计算准则二机械零件的工作能力及计算准则 一）机械零件的工作能力一）机械零件的工作能力零件

13、的工作能力零件的工作能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。二）机械零件的主要失效形式二）机械零件的主要失效形式 过大弹性变形过大弹性变形零件的刚度不够引起零件的刚度不够引起塑性变形塑性变形工作应力超过材料的屈服极限工作应力超过材料的屈服极限S S引起引起2 2变形变形疲劳断裂疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限工作应力超过零件的疲劳极限r r引起引起过载断裂过载断裂工作应力超过材料的强度极限工作应力超过材料的强度极限B B引起引起1 1断裂断裂压溃、过度磨损压溃、过

14、度磨损零件接触表面上的压应力零件接触表面上的压应力p p过大过大胶胶 合合 零件工作温升零件工作温升t t过高引起过高引起表面疲劳损坏表面疲劳损坏零件表面接触应力零件表面接触应力H过大引起过大引起 3 3表面表面 失效失效 计算准则计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：则。常用的计算准则有： 三）机械零件的计算准则三）机械零件的计算准则1 1强度准则强度准则针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效针对零件断裂、

15、塑性变形或表面疲劳损坏失效强度强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。强度的计算准则为：强度的计算准则为： = = 或或 = = 针对断裂或塑性变形针对断裂或塑性变形 H H H H 针对表面疲劳损坏针对表面疲劳损坏SlimSlim2 2刚度准则刚度准则 针对过大弹性变形针对过大弹性变形刚度刚度 指零件在一定载荷作用下抵

16、抗过大弹性变形的能力。指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机床正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度是保证机床正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为刚度的计算准则为:y y :y y ； ； 式中，式中，y y、和和 分别为零件工作时的挠度、偏转角分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；和扭转角； 3 3耐磨性准则耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏针对过度磨损、胶合破坏耐磨性耐磨性指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界面面的抗磨的抗磨损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。损面能力。耐

17、磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：其验算式为：p p p p 防止过度磨损防止过度磨损 pv pv pv pv 防止胶合破坏防止胶合破坏 4 4振动和噪声准则振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳（即共振）针对高速机械的振动失稳（即共振）当零件的固有振动频率当零件的固有振动频率f f等于或趋近于零件的强迫振动频率等于或趋近于零件的强迫振动频率f fp p时，时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。而振动又是产生噪声的主要原因。防止共振的条件为：防止共振的条件为：f

18、fp p 0 087 f 87 f 或或 f fp p 1 118 f18 f式中，式中，f f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度刚度 f fp p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率零件受激振源作用引起的强迫振动频率 机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力。作用于零件上的载荷和应力。一载荷和应力的类型一载荷和应力的类型一）载荷一）载荷静载荷静载荷 大小和方向均不随时间变化的载荷大小和方向

19、均不随时间变化的载荷变载荷变载荷 大小或方向随时间变化的载荷大小或方向随时间变化的载荷静应力静应力 大小和方向均不随时间变化（或变大小和方向均不随时间变化（或变 化极缓慢）的应力化极缓慢）的应力变应力变应力 大小和方向，或大小或方向随时大小和方向，或大小或方向随时 变化的应力变化的应力 二）应力二）应力0-4 0-4 许用应力和安全系数许用应力和安全系数1.1.变应力参数：变应力参数：最大应力：最大应力：maxmax 最小应力：最小应力：minmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况应力循环特征：用来表示应力的变化情况 =minmin/maxmax2.2.典型变应力及应力循环特征典型变应力及

20、应力循环特征平均应力：平均应力：2minmaxmmaxmaxmminaat t2minmaxa应力幅：应力幅：图图 1-5 应力类型应力类型a）静应力：）静应力：= +1 变应力特例变应力特例b）非对称循环变应力）非对称循环变应力 在（在（+1-1）间变化）间变化maxmaxmminaat tt t =常数常数c）对称循环变应力）对称循环变应力= -1t tamaxmaxmind）脉动循环变应力）脉动循环变应力= 0t taamaxmaxm二机械零件的强度计算二机械零件的强度计算一）零件的失效形式及强度条件式一）零件的失效形式及强度条件式静应力作用下静应力作用下过载断裂、塑性变形过载断裂、塑性

21、变形 变应力作用下变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故疲劳破坏约占零件损坏事故 中中的的80% 80% 。 1 1零件失零件失 效形式效形式2 2零件强度条件式：零件强度条件式： = = limlim / / S S 材料的极限应力材料的极限应力安全系数安全系数二）极限应力及安全系数确定方法二）极限应力及安全系数确定方法 脆性材料制造的零件：脆性材料制造的零件：lim =b 塑性材料制造的零件：塑性材料制造的零件：lim =S 1 1静应力作用下静应力作用下 零件极限应力零件极限应力 2 2变应力作用下零件极限应力变应力作用下零件极限应力 limlim = = NN疲劳极限疲劳极限1 1）疲劳

22、极限）疲劳极限N 在给定应力循环特征在给定应力循环特征的条件下，经的条件下，经 过过N次循环后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。次循环后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。 2 2）疲劳极限）疲劳极限NN的决定的决定用疲劳曲线求得用疲劳曲线求得3 3）疲劳曲线）疲劳曲线表示应力循环次数表示应力循环次数N N和疲劳极限和疲劳极限NN间的间的 关系曲线，其横坐标为应力循环次数关系曲线，其横坐标为应力循环次数N N，纵坐标为疲，纵坐标为疲 劳极限劳极限NN图图1-6 疲劳曲线疲劳曲线无限寿命区无限寿命区有限寿命区有限寿命区N0N1N1N2N2NN NN0 图中：图中：N1、N2 N应力循应力循环次数环

23、次数N = 60 n th 每转受载次数每转受载次数使用寿命（使用寿命（h）N1N1、N2N2 N N 对应于对应于N N1 1、N N2 2 N N时材料有限寿命时材料有限寿命 疲劳极限疲劳极限 N N0 0 应力循环基数，材料试验时规定的应力循环次数，应力循环基数，材料试验时规定的应力循环次数，N N0 0的的具体数值随材料性质不同而变化，如中低碳钢通常取具体数值随材料性质不同而变化，如中低碳钢通常取N N0 0=10=106 610107 7。 疲劳极限（或称持久疲劳极限），是对应于疲劳极限（或称持久疲劳极限），是对应于N N0 0时的疲劳时的疲劳极限。极限。-1-1、0 0、+1+1

24、均可由机械设计手册中根据材料牌号查出。均可由机械设计手册中根据材料牌号查出。 转速（转速（r/min）N1N1N2N2NN NN0 无限寿命区无限寿命区有 限 寿 命有 限 寿 命区区N04 4）用疲劳曲线求取疲劳极限）用疲劳曲线求取疲劳极限NN的方法的方法有限寿命区（有限寿命区（N NN N0 0) )疲劳曲线方程：疲劳曲线方程：无限寿命区（无限寿命区（NNNN0 0） 疲劳曲线方程：疲劳曲线方程： NN = = 疲劳极限：疲劳极限：k kN N = 1 = 1 ，NN = = rNmrrNKNN0疲劳极限疲劳极限: :k kN N 寿命系数寿命系数 三）安全系数三）安全系数S S 安全系数

25、的取值对零件的结构尺寸、工作的可靠性均有影安全系数的取值对零件的结构尺寸、工作的可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、载载荷计算荷计算的准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。的准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。CNN0mrmrNm-m-与应力状态有关的指数；与应力状态有关的指数；本章内容小结本章内容小结 机器机器 由机构和零件组成，能由机构和零件组成，能 作功或完成能量转换作功或完成能量转换机构机构 由构件和零件组成，只由构件和零件组成，只 能传递运动和动力能传递运动和动力一机械是一机械是的总称的总称零件零件 是制造的单元是制造的单元构件与零件的区别构件与零件的区别 构件构件 是相对运动单元是相对运动单元二机械二机械 零件零件 失效形式失效形式 断裂、塑性变形、过大弹性断裂、塑性变形、过大弹性变形、变形、压溃、过度磨损、疲劳点蚀压溃、过度磨损、疲劳点蚀及及胶合。胶合。 计算准则计算准则强度准则强度