第一章、第二章(2014)机械设计

1、机械设计机械设计总总 论论机械设计及其一般性的问题机械设计及其一般性的问题第一篇第一篇绪绪 论论CHAPTER11-1 机械工业在现代化建设中的作用机械工业在现代化建设中的作用机械工业即机器装备制造业，是一个国家现代化建设水平机械工业即机器装备制造业，是一个国家现代化建设水平的重要标志。的重要标志。 机械设计是机械工业的机械设计是机械工业的“灵魂灵魂”。设计是生产产品的第一。设计是生产产品的第一道工序，要想生产出好的产品，首先要有好的设计。道工序，要想生产出好的产品，首先要有好的设计。1-3本课本课程的性质程的性质和内容和和内容和特点特点1-2 本课程的内容、性质和任务本课程的内容、性质和任务

2、一、本课程的内容一、本课程的内容二、本课程是一门以通用零件为核心的设计性课程。二、本课程是一门以通用零件为核心的设计性课程。三、本课程的任务三、本课程的任务 正确的设计思想正确的设计思想 通用零件的设计原理、方法和机械设计一般规律通用零件的设计原理、方法和机械设计一般规律 运用相关技术资料运用相关技术资料 典型试验方法典型试验方法本课程介绍机器中机械部分的设计知识。零件是机器的本课程介绍机器中机械部分的设计知识。零件是机器的基本组成要素，因此，本课程主要介绍一般尺寸和常用基本组成要素，因此，本课程主要介绍一般尺寸和常用工作参数下的通用零件的设计方法。工作参数下的通用零件的设计方法。主要内容包括

3、：主要内容包括：总论、连接、传动、轴系和其他总论、连接、传动、轴系和其他四、注意的几个问题四、注意的几个问题1、着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。、着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。2、除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。、除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。3、性能要求与经济性永远是一对矛盾，应学会合理地解决、性能要求与经济性永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。这一对矛盾。4、经验设计与现代设计二者均重要，前者是后者的基础。、经验设计与现代设计二者均重要，前者是后者的基础。注意的注意的问题问题1-2 本课程的内容、性质和任务本课

4、程的内容、性质和任务机械设计总论机械设计总论什么是机械设计什么是机械设计如何进行机械设计如何进行机械设计CHAPTER2什么是机械设计？2-1 机器的组成机器的组成1、机械：机器和机构的总称。、机械：机器和机构的总称。 2、零件：是机器的制造单元。、零件：是机器的制造单元。 分为：分为：通用零件：各种机器中常用的。通用零件：各种机器中常用的。( (本课程的研究对象）本课程的研究对象） 例如：螺栓、键、齿轮、链传动、带传动、轴、轴例如：螺栓、键、齿轮、链传动、带传动、轴、轴 承、联轴器等。承、联轴器等。 专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。 例如：叶片

5、、曲轴等。例如：叶片、曲轴等。 3、部件：为完成同一使命组合在一起并协同工作的零件。、部件：为完成同一使命组合在一起并协同工作的零件。 例如：滚动轴承、减速器等。例如：滚动轴承、减速器等。4、机械零件：常用泛指零件和部件、机械零件：常用泛指零件和部件一、关于机器的一些名称一、关于机器的一些名称本课程的性质和内容润滑、显示、照明等辅助系统润滑、显示、照明等辅助系统二、机器的组成二、机器的组成原动机原动机传动装置传动装置执行机构执行机构控制系统控制系统传动装置：传动装置：在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之

6、一。方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。 2-1 机器的组成机器的组成2-2 设计机器的一般程序设计机器的一般程序1、计划：、计划：提出任务要求提出任务要求2、方案设计：、方案设计：进行运动学设计，给出运动方案或机构简图进行运动学设计，给出运动方案或机构简图3、技术设计：、技术设计：对机器进行动力学计算，通过零件的工作能对机器进行动力学计算，通过零件的工作能力设计，给出部件及其零件的外形及基本尺寸，包括部件力设计，给出部件及其零件的外形及基本尺寸，包括部件之间的连接。绘制零件工作图、部件装配图和总装图。之间的连接。绘制零件工作图、部件装配图和总装图。即即零件和部件的设计零件和部

7、件的设计4、编制技术文件、编制技术文件机械设计机械设计即是机器设计过程中的技术设计阶段即是机器设计过程中的技术设计阶段如何进行机械设计？如何进行机械设计？2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求零件和部件的设计服从机器的总体要求零件和部件的设计服从机器的总体要求1、使用功能要求、使用功能要求2、经济性要求、经济性要求3、劳动保护和环境保护要求、劳动保护和环境保护要求4、寿命和可靠性要求、寿命和可靠性要求5、其他专用要求、其他专用要求2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式零部件的设计方法决定于它们的失效形式、失效机理。零部件的设计方法决定于它们的失效形式、失效机理。2、主要失效形式

8、：、主要失效形式：整体断裂整体断裂 过大的残余变形过大的残余变形 零件的表面破坏零件的表面破坏 破坏正常工作条件引起的失效（破坏正常工作条件引起的失效（带传动打滑带传动打滑）1、失效：、失效：机械零件由于某种原因不能正常工作机械零件由于某种原因不能正常工作齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴瓦磨损轴瓦磨损齿面接触疲劳（点蚀）齿面接触疲劳（点蚀）零部件的设计方法决定于机械零件的失效形式，失效机理。零部件的设计方法决定于机械零件的失效形式，失效机理。2、主要失效形式：、主要失效形式：整体断裂整体断裂 过大的残余变形过大的残余变形 零件的表面破坏零件的表面破坏 破坏正常工作条件

9、引起的失效（破坏正常工作条件引起的失效（带传动打滑带传动打滑）3、主要失效机理：、主要失效机理：腐蚀、磨损以及各种疲劳破坏腐蚀、磨损以及各种疲劳破坏1、失效：、失效：机械零件由于某种原因不能正常工作机械零件由于某种原因不能正常工作注意注意：a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。同一种零件可能的失效形式往往有若干

10、种。 如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2-5 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求1、预期寿命要求、预期寿命要求对零件进行强度、刚度和寿命计算对零件进行强度、刚度和寿命计算强度：强度：零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。刚度：刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。寿命：寿命：零件在正常工作条件下能够持续工作的时间零件在正常工作条件下能够持续工作的时间（决

11、定于疲劳、腐蚀（决定于疲劳、腐蚀和磨损）和磨损） 。2、结构工艺性要求、结构工艺性要求对零件进行结构设计，以满足制造和装配要求对零件进行结构设计，以满足制造和装配要求3、经济性要求、经济性要求4、质量小的要求、质量小的要求5、可靠性要求、可靠性要求可靠性是指在规定的使用时间内和给定的工作环境下，零件能够正常完可靠性是指在规定的使用时间内和给定的工作环境下，零件能够正常完成其功能的概率。成其功能的概率。根据零件工作条件，通过实验以及概率统计方法，得到零件的可靠度根据零件工作条件，通过实验以及概率统计方法，得到零件的可靠度1-4机械零件的计算准则2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则设计准则

12、：设计准则：采用一定的计算方法，保证零件在一定的工作环采用一定的计算方法，保证零件在一定的工作环境下具有一定寿命而不会失效。一般决定于零件的失效形式。境下具有一定寿命而不会失效。一般决定于零件的失效形式。一、强度准则一、强度准则即保证零件承受的应力不得超允许的限度。一般表达式：即保证零件承受的应力不得超允许的限度。一般表达式：式中：式中： ：计算最大应力；：计算最大应力； ：许用应力；：许用应力；lim：极限应力：极限应力S ：设计安全系数：设计安全系数注：注：对于切应力，只须将上述各公式中的对于切应力，只须将上述各公式中的换成换成即可。即可。 Slim 其中其中二、刚度准则二、刚度准则即保证

13、零件工作条件下的弹性变形量即保证零件工作条件下的弹性变形量y在工作条件下不会超在工作条件下不会超过其允许值过其允许值y，避免因为零件因产生过大的弹性变形而失，避免因为零件因产生过大的弹性变形而失效。表达式效。表达式 yy式中：式中：y可用相关理论计算或由实验方法确定。可用相关理论计算或由实验方法确定。 y依不同使用场合，根据理论或经验确定。依不同使用场合，根据理论或经验确定。 注：注：1）零件材料的弹性模量）零件材料的弹性模量 E 越大，则其刚度越大。越大，则其刚度越大。 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。零件的刚度。 2

14、-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则三、寿命准则三、寿命准则寿命的影响因素：腐蚀、磨损和疲劳。寿命的影响因素：腐蚀、磨损和疲劳。目前还没有提出腐蚀寿命有效的计算方法，对磨损产生机目前还没有提出腐蚀寿命有效的计算方法，对磨损产生机理也未完全明晰，本课程只讨论疲劳寿命的计算。理也未完全明晰，本课程只讨论疲劳寿命的计算。四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则共振：共振：作用在零件上的周期性的激振源的频率与零件的固有作用在零件上的周期性的激振源的频率与零件的固有频率重合或呈整数倍时，零件产生剧烈震动，导致零件失效频率重合或呈整数倍时，零件产生剧烈震动，导致零件失效或工作不正常。或工作不正常。振动稳

15、定性准则：振动稳定性准则：使零件的自激振动频率使零件的自激振动频率 f 远离激振源的远离激振源的频率频率 fF 。即即 fF 0.85 f 或或 fF 1.15 f2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则刚度准则及振动稳定性五、可靠性准则五、可靠性准则可靠度：可靠度：N0 个零件，在一定工作条件下试验，经过个零件，在一定工作条件下试验，经过 t 时间时间后，仍有后，仍有 N 个正常工作，零件在该工作环境下经过个正常工作，零件在该工作环境下经过 t 时间时间 的可靠度的可靠度 R ： R=N / N0失效率：失效率：在在 t 到到 t + dt 间隔，如果有间隔，如果有 dN 个零件失效，则

16、在个零件失效，则在此时间间隔破坏的比率：此时间间隔破坏的比率： (t) = - ( dN / dt ) / N tdtteR0)( 可靠度和失效率的关系：可靠度和失效率的关系： 2-6 机械零件的设计准则机械零件的设计准则耐磨性计算lim SFA ,limSAF 一、理论设计：一、理论设计：根据长期总结出来的设计理论和实验数据根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计所进行的设计2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法有有常规（或传统）设计和现代设计方法常规（或传统）设计和现代设计方法，仅介绍前者，仅介绍前者1）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形）设计计算：先分析零件的

17、可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 2）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。 SAFlim F：作用于拉杆上的外载荷；：作用于拉杆上的外载荷；A：拉杆的横截面面积：拉杆的横截面面积,limSAF ,limSSca S limSca：计算安全系数：计算安全系数耐磨性计算二、经验设计：二、经验设计：根据对某类零件已有的设计与使用实践而根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出

18、的经验关系式所进行的设计。归纳出的经验关系式所进行的设计。三、模型设计：三、模型设计：对尺寸大、结构复杂且特别重要的零件，对尺寸大、结构复杂且特别重要的零件，制作其小比例模型，并通过实验手段获取其试验参数并进制作其小比例模型，并通过实验手段获取其试验参数并进行不断完善的设计方法。行不断完善的设计方法。2-7 机械零件的设计方法机械零件的设计方法耐磨性计算1、零件的载荷和应力、零件的载荷和应力2、零件的工作条件、零件的工作条件3、零件的尺寸和质量、零件的尺寸和质量4、零件的结构及加工工艺、零件的结构及加工工艺5、材料的经济性、材料的经济性6、材料的供应状况、材料的供应状况2-8 机械零件的选材机械零件的选材材料的选择原则材料的选择原则耐磨性计算2-9 机械零件设计的标准化机械零件设计的标准化一、零件的标准化：一、零件的标准化：制定出关于零件尺寸、结构要素、材制定出关于零件尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等的必须共同遵料性能、检验方法、设计方法、制图要求等的必须共同遵守的标准。守的标准。二、标准化的优越性：二、标准化的优越性：1、方便于专业化生产，提高质量，降低成本；、方便于专业化生产，提高质量，降低成本；2、统一材料和零件性能指标，具有可比