机械设计基础课件第一章总论

同济大学机械学院第一章总论§1－1本课程研究的对象和内容§1－2机械设计的基本要求和一般程序§1－3机械零件的强度§1－4机械制造常用材料和钢的热处理§1－5机械零件的结构工艺性同济大学机械学院顾名思义，本课程研究对象为：机械机械机器斜面任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。机械－人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。

机构

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。一般而言，机械是机器和机构的总称→杠杆→起重轱辘→滑轮组→手动(电动)葫芦→现代起重机起重机的发展历程：§1－1本课程研究的对象和内容同济大学机械学院机器－根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体。机构－能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、

齿轮机构等。种类有限如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。

机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。同济大学机械学院典型机器的分析：1.内燃机内燃机组成：654387129101、汽缸体2、活塞3、进气阀4、排气阀5、连杆6、曲轴7、凸轮8、顶杆9和10、齿轮工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动同济大学机械学院进气压缩爆炸排气内燃机的工作过程：活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：齿轮机构各部分协调动作的结果：化学能机械能同济大学机械学院机器的共有特征：①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换

机器的作用

机器的分类：原动机－实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限工作机－完成有用功（如机床等）

种类繁多同济大学机械学院工作机的组成：原动部分－是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。

传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。

控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。

其关系如下机械机器机构原动机传动工作控制原动机工作机同济大学机械学院皮带（传动）电机（原动）定时器（控制）叶轮（工作））试分析洗衣机的各组成部分同理，通过对典型机构进行分析可知：机构的共有特征：①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③用来传递力或实现运动的转换。机构的分类：通用机构和专用机构。

通用机构---用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。专用机构---只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。同济大学机械学院机器与机构的关系：由两个实例推广到一般任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同），故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动课程性质：技术基础课作用：承前启后本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。同济大学机械学院同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础，通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。同济大学机械学院机械设计---规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。机械设计的内容：1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；2.拟定设计方案；3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。§1－2机械设计的基本要求和一般过程同济大学机械学院为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。

3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手组装各种机构。课程安排：共56学时，其中讲授52学时，实验4学时。要求：

1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业量未达到规定者不能参加考试。

2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课外时间。同济大学机械学院强度是保证机械零件工作能力的最基本要求。§1－3机械零件的强度设计机械零件必须满足强度条件：σ≤[σ]式中：σ为零件危险剖面上的最大应力；

[σ]为零件材料的许用应力。载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。计算应力-----按名义载荷计算所得之应力：名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。强度判定条件：σ、τ[σ]=、[τ]-----许用应力S-----安全系数σlim、τ

lim-----极限应力，由实验方法测定。同济大学机械学院一、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力otσ变应力的循环特性:σmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例同济大学机械学院二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料，取屈服极限σS作为极限应力,许用应力为：脆性材料：取强度极限σB作为极限应力,许用应力为：三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：

1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;2)

疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)

疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。

不管脆性材料或塑性材料，同济大学机械学院1、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当N>N0时,试件将不会断裂。N0----循环基数N0对应的应力称为：当N<N0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。同济大学机械学院2、许用应力

在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：σ0

为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，有限寿命时，用σ-1N代入得：同济大学机械学院四、安全系数

安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5同济大学机械学院§1－4机械制造常用材料和钢的热处理机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%铁碳合金特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。一、机械制造常用材料同济大学机械学院选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表1-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分我国资源丰富

同济大学机械学院3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流