机械设计第一篇总论

机械设计第一篇总论第1页，课件共59页，创作于2023年2月本章重点了解本课程的基本内容、性质机器的作用及组成机器的基本要素——零件

本课程的基本内容、性质、特点及学习方法主要内容

第一章绪论第2页，课件共59页，创作于2023年2月一、机械的作用1、机械工程与科学是一门古老的学科在古代人类使用杠杆、滚子、绳轮和凸轮等简单工具，后来逐渐发明了指南针、地动仪、纺织机和蒸汽机等许多机械。经过18世纪第一次工业革命，以及当今世界以知识经济为特征的产业革命的推动，人类又发明了电子计算机、数控机床、人造卫星和火星探测仪等高新技术产品。第3页，课件共59页，创作于2023年2月2、机械工业在国民经济中起着重要作用

机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。以机械科学为基础的制造业是一个国家的支柱产业，是社会的财富，也是国家富强和国防稳固的基础。据报道，美国约60%的财富来源于制造业，日本约50%的国民生产总值是由制造业创造的。据统计，80年代我国制造业的产值占工业总产值的1/4强。目前已达到38%以上。第4页，课件共59页，创作于2023年2月3、机械设计的地位与作用

①经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争工业化国家的财富60—80%是制造业创造的制造是将科技转化为财富的最后环节各发达国家重新重视制造业第5页，课件共59页，创作于2023年2月②机械制造业生产管理模式的转变第6页，课件共59页，创作于2023年2月③制造业市场竞争围绕TQCSF展开第7页，课件共59页，创作于2023年2月④竞争的焦点之一是设计设计是科技成果转化为生产力的纽带设计是引进技术实现国产化的重要环节没有现代化设计就没有现代化产品第8页，课件共59页，创作于2023年2月⑤设计是影响产品技术与经济指标的关键第9页，课件共59页，创作于2023年2月现代企业三部分开发设计制造市场销售将核心工作放在本企业，两头在内，中间在外第10页，课件共59页，创作于2023年2月二、机械的基本组成

零件：组成机器的不可拆的基本单元（即制造单元）。

部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。如：滚动轴承、联轴器。机械零件零件又分为：通用零件、专用零件机械的主体是机械系统，机械系统总是由一些机构组成，每个机构又是由许多零部件组成的。所以机械的基本组成要素就是机械零部件。第11页，课件共59页，创作于2023年2月三、本课程的性质、内容和任务1、课程的性质机械设计是培养学生具有机械设计能力的技术基础课。在机械各类专业教学培养计划中是主干课程。本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法，在培养实践能力方面重视设计构思、创新意识和设计技能的培养。

第12页，课件共59页，创作于2023年2月2、内容研究普通工作条件下，一般尺寸参数的通用零件的设计理论与方法。具体内容：

①总论：机械设计中带有共性的问题，有关设计的理论和原则；②联接零件：螺纹联接、键及花键联接等；③传动零件：带、链、齿轮、蜗杆传动等；④轴系部分：轴、轴承等；⑤其它部分：弹簧、箱体、变速器等。

第13页，课件共59页，创作于2023年2月3、任务

①培养学生掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律；②树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；③具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；④掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；⑤了解机械设计的新发展。第14页，课件共59页，创作于2023年2月本章重点机械零件的失效形式及计算准则

机器总体设计的概述机械零件的失效形式、零件的设计要求、计算准则及方法等本章难点机械零件设计的基本准则主要内容

第二章机械设计总论第15页，课件共59页，创作于2023年2月§2-1机器组成原动机传动装置—→工作机—→控制系统辅助系统（仪表、照明等）轿车组成：第16页，课件共59页，创作于2023年2月计划阶段方案设计技术设计技术文件的编制试制、试验、鉴定、生产信息反馈、修改

§2-2机械设计的一般程序第17页，课件共59页，创作于2023年2月机械零件设计的内容分析工作原理类型选择受力分析改进与发展结果分析与设计简化模型失效分析建立计算准则第18页，课件共59页，创作于2023年2月

§2-3机械设计的基本要求使用功能的要求经济性要求（设计、制造、使用全过程）“三化”--标准化、系列化、通用化劳动保护要求寿命、可靠性要求其它专业要求（精度、安装、拆卸等）第19页，课件共59页，创作于2023年2月失效零部件不能满足工作要求称为失效。机械零件的主要失效形式整体断裂（过载和疲劳）：强度极限零件表面的破坏：磨损、腐蚀、接触疲劳破坏正常工作条件引起的失效：打滑，共振，胶合过大的残余变形：屈服极限

§2-4机械零件的主要失效形式第20页，课件共59页，创作于2023年2月机械零件设计的基本要求：避免在预期寿命期内失效的要求（强度、刚度、寿命、耐磨性、振动稳定性、可靠性等）结构工艺性的要求经济性要求质量小的要求可靠性要求§2-5设计机械零件的基本要求第21页，课件共59页，创作于2023年2月§2-6机械零件的计算准则第22页，课件共59页，创作于2023年2月§2-7机械零件的设计方法1、理论设计

1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。

2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。（F、P、T）

3）选择适当的材料。

4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸两种计算方法：

a）设计计算：直接求出危险截面尺寸A。第23页，课件共59页，创作于2023年2月

b）校核计算：其他方法初步设计→验算。

5）画零件图。2、经验设计

根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱体、传动件个各结构要素等3、模型实验设计把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。第24页，课件共59页，创作于2023年2月§2—8机械零件材料

一.钢：含Ｃ量＜1.4％→常用碳素钢（含Ｓ、Ｐ量）→普通、优质碳素钢合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢二.铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型三.有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…）价昂→少用四.非金属：塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、复合材料

铸铁:

含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差第25页，课件共59页，创作于2023年2月

§2—9机械零件设计中的标准化

标准化：（两重含意）

分类

使用强制性

推荐使用：

尽量选用标准件按有关标准设计机械零件

国际ISO、国家GB、部标(JB、YB、QB)、企业标准

制图、公差、形位……

标准直径→必须执行：按运用范围→第26页，课件共59页，创作于2023年2月

§2-10机械设计新发展

1、基础理论：深化、扩展—学科交叉与整合（摩擦学、弹性流体动力润滑理论、断裂力学）2、静态设计→机械系统“动态设计”

3、新设计方法：优化设计、可靠性设计、逆向设计、工业设计等。4、设计技术发展：人工→计算机辅助设计（CAD）

AutoCAD、SolidEdge、UG、SolidWork、ProE等。5、机械产品本身的转折：传统机械→机电一体化、智能化。

第27页，课件共59页，创作于2023年2月

第三章机械零件的强度本章重点变应力的种类疲劳曲线及极限应力曲线的用途

变应力的基本类型及参数疲劳曲线及极限应力曲线零件的疲劳强度及接触强度本章难点极限应力曲线的理解及应用主要内容第28页，课件共59页，创作于2023年2月

补充内容一、应力的分类静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。第29页，课件共59页，创作于2023年2月常见变应力及其基本变化规律

变应力参数Oσtσmaxσminσmσaσmax

—

最大应力σmin

—

最小应力σm

—

平均应力σa—

应力幅

r—

变应力循环特性第30页，课件共59页，创作于2023年2月

对称循环变应力σm=0

r=-1σmin=0

r=0脉动循环变应力例：火车轮轴、双向转动的齿轮轮齿的弯曲应力例：单向转动的齿轮轮齿的弯曲应力第31页，课件共59页，创作于2023年2月

非对称循环变应力-1<r<0

0<r<1

第32页，课件共59页，创作于2023年2月tOσ

r＝+1

静应力变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力；变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。随机变应力σm=σmax=σmintOσ第33页，课件共59页，创作于2023年2月

二、机械零件的疲劳强度

强度问题：

静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）

变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。疲劳破坏定义：

金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。第34页，课件共59页，创作于2023年2月疲劳破坏的特征：1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。第35页，课件共59页，创作于2023年2月§3-1材料的疲劳特性

材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加上一定循环特性r（通常是对称循环）的等幅变应力，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N。一、材料的疲劳曲线（σ-N曲线）第36页，课件共59页，创作于2023年2月σrONCDNDσrNσr∞σrNσr∞无限寿命疲劳极限持久疲劳极限对应于应力循环次数N时的弯曲疲劳极限ND分界转折点水平直线段N>ND

无限寿命区曲线段N≤ND有限寿命区应用：求有限寿命（为N）时的疲劳极限

m—

材料常数Nσr—

循环基数ND=106~25×107

N0第37页，课件共59页，创作于2023年2月A´D´G´C45°45°σ0/2σ-1σ0/2σSσmσaOσaσ-1OσmσS二、材料的极限应力线图（等寿命疲劳σa-σm曲线）安全区疲劳区塑性区CG`：塑性极限分界线A：对称循环点（0，σ-1）D：脉动循环点（σ0/2，σ0/2）C：屈服极限点（σS，0)AG`：疲劳极限分界线第38页，课件共59页，创作于2023年2月A´D´G´Cσ0/2σSσmσaOADG

§

3-2机械零件的疲劳强度计算第39页，课件共59页，创作于2023年2月例：在图示出的极限应力图中，M点为工作应力点，应力循环特性r=常数，NO线与横坐标轴间夹角＝40°。则该零件所受的应力类型为____。A、不变号的不对称循环变应力B、变号的不对称循环变应力C、对称循环变应力D、脉动循环变应力第40页，课件共59页，创作于2023年2月一、单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算

步骤：

①根据零件载荷及结构情况，求σmin、σmax及σa、σm，并将其标在零件的极限应力线图中，如图中M、N点；②求该工作应力点的零件疲劳极限σ´max。？如何寻找极限应力第41页，课件共59页，创作于2023年2月说明：应遵循与工作应力变化规律相一致的原则，一般工作应力有三种变化情况：

r=C（机器中转轴的应力状态）；

σm=C（加载振动弹簧）；

σmin=C（受轴向力的紧螺栓联接）。但通常采用r=C来进行疲劳强度计算。③建立计算安全系数的计算公式，进行计算。第42页，课件共59页，创作于2023年2月

1、r=C的情况当r=C时，找出一个与工作应力变化规律相同的极限应力。

直线OM´1方程：直线AG方程：联解可求出σ´ae、σ´me，于是M´1点的零件极限应力第43页，课件共59页，创作于2023年2月

则（疲劳强度计算公式）

当工作应力点N处于OGC区时：

第44页，课件共59页，创作于2023年2月2、σm=C的情况联解直线MM´2和AG方程，可得M´2点的坐标σ´ae、σ´me，于是M´2点的零件极限应力

则第45页，课件共59页，创作于2023年2月3、σmin=C的情况（自学）说明：

①具体设计零件时，如果难于确定应力可能变化的规律，在实践中往往采用r=C时的公式；②对于剪切变应力，只需把以上各公式中的正应力符号σ改为切应力符号τ即可；第46页，课件共59页，创作于2023年2月一、接触应力的产生——点或线接触所产生的应力§3—4机械零件的接触强度接触应力局部应力，不同与挤压应力二、接触应力的性质1、接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大2、两物体上应力大小相等第47页，课件共59页，创作于2023年2月赫兹公式三、接触应力的计算公式影响接触应力的因素：曲率半径材料接触线长度第48页，课件共59页，创作于2023年2月本章重点摩擦的分类及弹性流体动力润滑的基本原理

摩擦的分类及机理磨损的种类及过程流体动力润滑的基本知识本章难点弹性流体动力润滑的基本原理主要内容第四章摩擦、磨损及润滑概述第49页，课件共59页，创作于2023年2月摩擦：两个接触表面作相对运动或有相对运动趋势时，在表面间会产生抵抗相对运动的阻力的自然现象。

摩擦具有二重性：

一方面，摩擦是有利的；

此时摩擦约束条件是：摩擦必须足够大，即摩擦系数或摩擦力矩或摩擦力应大于规定的许用值，以保证机器工作的可靠性；

另一方面，摩擦是有害的，会带来能量损耗、工作温度上升，还会产生振动和噪声；

此时摩擦约束条件是：摩擦系数、温升不超过许用值，效率不低于许用值或摩擦的能耗不超过许用值等。第50页，课件共59页，创作于2023年2月摩擦的分类：

内摩擦与外摩擦；静摩擦与动摩擦；滑动摩擦与滚动摩擦。

根据摩擦副的表面润滑状态，滑动摩擦可分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。

§4—1摩擦第51页，课件共59页，创作于2023年2月1.干摩擦：两摩擦面间无任何润滑剂，固体表面直接接触。摩擦、磨损大ｆ＝0.30～0.35

分子—机械理论：粘着作用和刨犁作用2.边界摩擦：两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜隔开的摩擦ｆ＝0.01～0.1边界膜：物理吸附膜、化学吸附膜化学反应膜第52页，课件共59页，创作于2023年2月3.液体摩擦：两摩擦完全被液体油膜隔开的摩擦ｆ＝0.001～0.008

油膜：静压油膜和动压油膜4.混合摩擦：干、边界、液体摩擦并存最常见

第53页，课件共59页，创作于2023年2月影响摩擦的主要因素

(1)表面膜的影响：用自然或人工的方法在金属表面上形成一层很薄的膜，可以降低摩擦；

(2)摩擦副材料性质的影响：互溶性较大的金属摩擦副，摩擦系数较大；反之，摩擦系数较小。材料的硬度对摩擦系数也有一定的影响，一般而言，硬度越高，摩擦系数越小。

(3)摩擦副表面粗糙度的影响：表面粗糙度数值减小，摩擦系数越低。

(4)摩擦表面间润滑的影响：干摩擦的摩擦系数一般大于0.1；边界摩擦、混合摩擦次之，通常约在0.01～0.1之间；液体摩擦的摩擦系数最小，油润滑时最小可达0.001～0.008第54页，课件共59页，创作于2023年2月§4—2磨损磨损量一、定义和过程磨损：由于表面的相对运动使工作表面的物质不断损失的现象。磨损过程：磨合磨损阶