第1-2章机械设计概论g

1、机械设计机械设计20072007郑州航院机电工程系郑州航院机电工程系课程名称：课程名称：机械设计机械设计授课专业：机械设计制造及其自动化授课专业：机械设计制造及其自动化讲讲 授授 人：冯宪章人：冯宪章2008年年2月月机械设计机械设计20072007机械设计机械设计课程基本信息课程基本信息（一）课程名称：机械设计一）课程名称：机械设计（二）学时学分：周二）学时学分：周4学时，学时，4学分学分（三）预修课程：三）预修课程：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理机械制图、理论力学、材料力学、机械原理（四）使用教材：四）使用教材：1.龚桂义主编龚桂义主编.机械设计课程设计指导书（第三版）机械设计课程

2、设计指导书（第三版）.北京：北京： 高等教育出版社，高等教育出版社，2002。濮良贵主编濮良贵主编.机械设计机械设计.北京：高等教育出版社（第七版）北京：高等教育出版社（第七版）,2001。（五）教学参考书五）教学参考书机械设计机械设计20072007（六）教学方法：课堂讲授，启发式教学，课题讨论，当堂测试。六）教学方法：课堂讲授，启发式教学，课题讨论，当堂测试。（七）教学手段：多媒体教学，录像。七）教学手段：多媒体教学，录像。（八）考核方式：闭卷考试。八）考核方式：闭卷考试。（九）其他要求：严格考勤，注重学生课堂表现及课堂参与情况。九）其他要求：严格考勤，注重学生课堂表现及课堂参与情况。2.

3、龚桂义主编龚桂义主编.机械设计课程设计图册（第三版）机械设计课程设计图册（第三版）.北京：高等北京：高等教育出版社，教育出版社，2002。3.周开勤主编周开勤主编.机械零件手册机械零件手册(第四版第四版 ).北京北京:高等教育出版社高等教育出版社, 1994。4.邱宣怀主编邱宣怀主编.机械设计机械设计(第四版第四版 ).北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,1997。机械设计机械设计20072007第一章第一章 绪论绪论教学时数：教学时数：2学时学时教学目的与要求：教学目的与要求：理解机械及机械设计，并了解本课程理解机械及机械设计，并了解本课程的性质、内容及任务、特点及应有的学习方法。的性质

4、、内容及任务、特点及应有的学习方法。教学内容教学内容：机械及机械设计，机械设计课程的性质、内：机械及机械设计，机械设计课程的性质、内容及任务，以及特点及学习方法。容及任务，以及特点及学习方法。 教学重点：教学重点：机构的组成。机构的组成。教学难点：教学难点：如何理解零件和构件的区别与联系。如何理解零件和构件的区别与联系。机械设计机械设计20072007第一节第一节 引引 言言机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。 机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。术改

5、造的重任。 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大促进大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大促进国民经济发展的力度，加速我国的现代化建设。国民经济发展的力度，加速我国的现代化建设。人类社会的进步源于不断地创新，产品的创新首先是从设人类社会的进步源于不断地创新，产品的创新首先是从设计工作开始的。计工作开始的。 设计是生产产品的第一道工序，要想生产出好的产品，首先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。要有好的设计。机械设计是机械工程的机械设计是机械工程的“灵魂灵魂”。机械设计机械设计20072007第二节第二节 机器的基本组成要素机器的基本组成要素机械机

6、械机器和机构的总称。机器和机构的总称。 机械零件机械零件是机器的制造单元。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。 (是本课程的主要学习对象）是本课程的主要学习对象） 齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、 键、铆、焊结构件、弹簧等。键、铆、焊结构件、弹簧等。 专用零件：专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。只在某些特定的机器中才用到的。 叶片、曲轴等。叶片、曲轴等。 部件：完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。部件：完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。 例如：滚动轴承、减

7、速器等。例如：滚动轴承、减速器等。机械零件机械零件 常用泛指零件和部件常用泛指零件和部件机械设计机械设计20072007第三节第三节 本课程的性质、内容和特点本课程的性质、内容和特点一、本课程的性质和内容一、本课程的性质和内容 本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非们具有机械设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。常重要的主干课。 机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。组成部分。 本课程的基本教学

8、内容主要是通用零件的设计和计算本课程的基本教学内容主要是通用零件的设计和计算。机械设计机械设计20072007 本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。主要主要介绍通用零件的基本设计方法。介绍通用零件的基本设计方法。 本课程的最终目的本课程的最终目的在于培养同学们综合运用各种机械零在于培养同学们综合运用各种机械零件和机构以及件和机构以及 其他先修课的知识，设计其他先修课的知识，设计机械传动装置机械传动装置和简单机械的能和简单机械的能力。力。机械设计机械设计20072007本课程的性质和内容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

9、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、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一。要内容之一。 机械设计机械设计20072007三、本课程的特点三、本课程的特点 涉及面广涉及面广 关系多关系多 与诸多先修课关系密切与诸多先修课关系密切。 要求多要求多 设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、耐磨性、工艺、等各方面的要求耐磨性、工艺、等各方面的

10、要求。 门类多门类多 典型的通用零件多、类型多；各类零件，设计方法典型的通用零件多、类型多；各类零件，设计方法各有不同各有不同。 公式多公式多 除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调公式的推导用，不强调公式的推导。 图表多图表多 要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。 机械设计机械设计20072007 实践性强实践性强不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践性环节性环节。 无重点无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会又都是重点，设计工作

11、必须详尽，细小的疏忽也会 导致严重事故导致严重事故。 设计问题无统一答案设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。发展求异思维。机械设计机械设计20072007四、注意的几个问题四、注意的几个问题 着重学习零件的着重学习零件的设计方法设计方法以及零件以及零件参数的合理选择参数的合理选择。 除了理论分析和计算以外，除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习更应重视零件结构设计的学习。 设计决非只是计算设计决非只是计算。 性能要求与经济性性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理地解决永远是一对矛盾，应学会合理地解决 这一对矛盾。这一对矛

12、盾。 经验设计与现代设计经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。二者均重要，前者是后者的基础。 机械设计机械设计20072007第四节第四节 机械零件的计算准则机械零件的计算准则一、几个名词：一、几个名词：1）失效失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。注意注意：a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之。失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之。 机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、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。刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度

13、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种。轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。机械设计机械设计200720072）工作能力：）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。3）承载能力：）承载能力： 对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力）示的工作能力）4）工作能力计算准则：）工作能力计算准则： 为防止机械零件发生某种失效而应为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。满足的条件。 （也

14、可以理解为是机械零件不发生失效的也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件安全条件”，是设计零件时的理论依据是设计零件时的理论依据）。机械设计机械设计20072007 为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：算方法（过程）有两种： 5）设计计算设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该：先分析零件的可能失效形式，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。失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 6

15、）校核计算校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算：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，则应修改零件的零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。尺寸。 机械设计机械设计20072007二、载荷和应力二、载荷和应力1 载荷载荷由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。动载荷。 静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷分为：按是否随时间变化，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：机械设计机械设计20072007载荷载荷和应和应力力2 2名义载荷：名义载荷： 在

16、理想平稳条件下所受的载荷。在理想平稳条件下所受的载荷。 （不考虑动载荷的影响）（不考虑动载荷的影响）计算载荷载荷系数计算载荷载荷系数K K名义载荷名义载荷 。 （代表机器或零件实际所受载荷）（代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数载荷系数K K：用于计入实际工作中受到的各种动载荷的影响。：用于计入实际工作中受到的各种动载荷的影响。额定载荷：额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。由原动机的额定功率推算出的载荷。机械设计机械设计200720072 应力应力应力分为应力分为静应力静应力循环应力：循环应力：2minmaxm2minmaxa max最大应力；最大应力； min最小应力最小应力 m平

17、均应力；平均应力； a应力幅应力幅值值r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）maxminr循环应力循环应力机械设计机械设计20072007对称循环对称循环脉动循环脉动循环循环应力：循环应力：对称循环应力对称循环应力r = -1、 m0脉动循环应力脉动循环应力 r=0、 min0静应力静应力 r=1静应力（静应力（可看作是循环应力的一个特例可看作是循环应力的一个特例）机械设计机械设计20072007注：注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。产生，也可由静载荷产生。应力还分为应力还分为名义应力：根据名义载荷求得的应

18、力名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力机械设计机械设计20072007三、强度准则三、强度准则强度：机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。强度：机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 1 1） 用应力表示：用应力表示： Slim2 2）用安全系数表示：）用安全系数表示：SSlimS式中：式中：计算最大应力计算最大应力lim极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数S S 许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成换成 即可。即可。机械设计机械

19、设计200720071 1 静应力下的强度静应力下的强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。塑性塑性单向应力：单向应力： slimslim，复合应力：复合应力： 按第三或第四强度理论计算当量应力。按第三或第四强度理论计算当量应力。 机械设计机械设计20072007脆性脆性复合应力状态下：复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。按第一强度理论计算当量应力。 注：注：1 1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），）对于塑性材料和组织不均匀的材

20、料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 2 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。算静强度时，应考虑应力集中的影响。单向应力状态下：单向应力状态下： ，blimblim机械设计机械设计200720072 循环应力下的强度循环应力下的强度计算变应力下的强度时，应取疲劳极限计算变应力下的强度时，应取疲劳极限 limrN3 3 许用安全系数许用安全系数 合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。安全系合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。安全系数过大

21、，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保数过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。 安全系数的取值主要受下列因素的影响安全系数的取值主要受下列因素的影响S机械设计机械设计20072007 1 1） 计算的准确性；计算的准确性； 2 2）材料的均匀性；）材料的均匀性； 3 3）零件的重要性。）零件的重要性。4 表面接触疲劳强度表面接触疲劳强度 对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变

22、成荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处。了很小的面接触，在接触处。机械设计机械设计20072007接触接触强度强度2 2 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。力作用。 局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用用 表示。表示。 的大小用赫兹公式计算。的大小用赫兹公式计算。HH 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。在接

23、触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为：强度条件为： HH机械设计机械设计20072007接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。点蚀的危害：点蚀的危害： 1 1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2 2）减小零件的有效工作面积。）减小零件的有效工作面积。 机械设计机械设计20072007挤压强挤压强度及刚度及刚度准则度准则5 5 表面挤压强度表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应

24、力，用生的应力称为挤压应力，用 表示。表示。 p 在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： pp 挤压应力作用下，接触面的失效形式是挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃压溃” 。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。机械设计机械设计20072007四、刚度准则四、刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。失效。 例如：机床

25、主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。度。机械设计机械设计20072007刚度刚度准则准则及振及振动稳动稳定性定性刚度条件为：刚度条件为：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。 许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。 注：注：1 1）零件材料的弹性模量）零件材料的弹性模量E E越大，则其刚度越大。越大，则其刚度越大。 2 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

26、的强度，但不能提高零件的刚度。零件的刚度。 机械设计机械设计20072007五、振动稳定性准则五、振动稳定性准则 当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振零件的自激振 动频率（固有频率）时，便发生共振，导致动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性失去振动稳定性”。 振动稳定性准则：使零件的自激振动频率振动稳定性准则：使零件的自激振动频率 f 远离外力变化远离外力变化 的频率的频率 。 即即 0.85 0.85 f 或或 1.151.15 fFfFfFf机械设计机械设计20072007六六