北科大机械设计课件01总论

总论绪论机械设计概论绪论

一、引言二、本课程的性质与研究对象三、本课程研究的内容、特点和任务一、引言1、机械工程与科学是一门古老的学科机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力劳动中解放出来。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。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。3、机械工业的主要任务研究、设计和发展新的机械装备及仪器，以适应当前和将来的社会需要。各个产业和工程领域要求机械及其系统性能优良，以便提高能源、材料、劳动和设备的利用率，减少对环境的污染，提高安全性、可靠性和寿命；要求机械及其系统与电子技术相结合，提高自动化程度，提高生产线柔性，以便适应多品种、小批量、常变化的新生产方式。4、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②机械制造业生产管理模式的转变③制造业市场竞争围绕TQCSF展开④竞争的焦点之一是设计成功的设计赢得了市场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⑤设计在生产中的地位设计是影响产品技术与经济指标的关键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，中间在外二、本课程的性质与研究对象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。本课程的主要任务是培养学生：

·掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计一般机械的能力；

·初步具有一定机械系统方案优化及决策的能力与素质；

·培养创新意识，树立正确的设计思想；

·具有应用标准、规范、手册、图册及CAD软件等技术资料和实用软件的能力；

·对机械设计的新发展有所了解。2、研究对象机械机构(mechanism)：传递与变换运动和力的可动装置机器(machine)：转换机械能，或用机械能作功。机械的发展过程:天然工具

→简单机器→工业革命→现代机器如：火车发展蒸汽机车→内燃机车→电力机车→高速列车→磁浮列车（常导→高温超导）轿车发展红旗→桑塔纳、捷达、奥迪→别克、本田、帕萨特三、本课程研究的内容、特点和任务1、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。

2、特点性质：以通用零件为核心，论述设计理论及方法的一门设计性技术基础课。特点：综合运用已学知识，制图、力学、金属学（材料及工艺）和公差配合等。①综合性较强；②实践性；③逻辑性较差。3、任务

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；树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；具有使用标准、规范、手册、图册及查阅资料的能力；掌握典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；了解机械设计的新发展。机械设计概论

机械设计的基本要求和一般程序机械零件的工作能力和计算准则机械零件的疲劳强度机械设计新发展

摩擦、磨损及润滑概述

设计问题的综合性§1机械设计的基本要求和一般程序1.1机械设计的基本要求.

使用功能的要求.

经济性要求“三化”--标准化、系列化、通用化劳动保护要求可靠性要求其它专业要求1.2机械设计的一般程序及设计人员的素质要求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2.1机械零件的主要失效形式和工作能力1、机械零件的主要失效形式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：拉，压，弯，扭零件表面的破坏：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，胶合过大的残余应力：加工，热处理§2机械零件的工作能力和计算准则2、机械零件的工作能力零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。对载荷而言的工作能力称为承载能力。有时，零件工作能力是针对变形、速度、温度或压力而言的安全工作限度。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、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2.2机械零件的计算准则2.3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。名义载荷（F、P、T）：力学公式计算出的载荷。但：由于载荷作用的不平稳性、分布的不均匀性等因素，实际载荷大于名义载荷。——载荷系数K∴计算载荷(Fc、Pc、Tc)=载荷系数×名义载荷

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。

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。§3机械零件的疲劳强度强度准则是设计机械零件的最基本准则，即。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。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。3.1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。例：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

对称循环变应力σm=0

r=-1

σmin=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

非对称循环变应力-1<r<0

0<r<1

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。随机变应力可看作循环变应力的特例！例：定滑轮轴、自行车前轮轴的弯曲应力。σm=σmax=σmintOσ3.2疲劳曲线

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。材料的疲劳曲线（σ-N曲线）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有限寿命区有限寿命（为N）时的疲劳极限m—随应力状态而不同的指数

Nσr—循环基数ND=106~25×107

N0A´D´G´C45°45°σ0/2σ-1σ0/2σSσmσaOσaσ-1OσmσS3.3材料的极限应力线图A´D´G´Cσ0/2σSσmσaOADG3.4零件的极限应力线图3.5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2.6中M、N点；

②求该工作应力点的零件疲劳极限σ´max。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。

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

则（疲劳强度计算公式）当工作应力点N处于OGC区时：

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3、σmin=C的情况说明：

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；

例题：铆钉联接，两块钢板材料均为Q215，F=500000N，求：各部分尺寸。

解：分析失效方式及计算公式1钉剪切2板挤压3板拉断4板边剪切

F1=F2=F3=F4=F5=F由1：d=18.8取d为18

由2：S=6.6取S为7由3：b=54.7取b为55

由4：e=29.3取e为30‘等强度原则’

§4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。§5摩擦、磨损及润滑概述1、摩擦（润滑状态）干摩擦：表面间无润滑剂或保护膜的纯金属间的摩擦；边界摩擦：表面被吸附在表面的边界膜隔开；混合摩擦：流体摩擦：表面被流体完全隔开。边界摩擦：表面被吸附在表面的边界膜隔开；按边界膜形成机理，边界膜分为：物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子吸附在吸附膜金属表面而形成；化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键作用而吸附在金属表面形成；反应膜——润滑剂中以原子形式存在的S、Al、P元素与金属反应生成化合物，在金属表面形成的薄膜。反应膜具有较高的熔点，比吸附膜稳定。2、磨损按磨损机理可分为

粘附磨损：“冷焊”后，表面材料的脱离及迁移；

磨粒磨损：摩擦面间的游离颗粒，起到微切削作用；