华理工机械设计课件01机械设计总论

第一章机械设计总论§1-1

机械设计概§1-2

机械设计课程简介§1-3机械零件的计算准则§1-4机械零件的标准化、系列化和通用化§1-5机械零件常用材料和选择原则§1-1机械设计概述§1-1机械设计概述◆

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术改

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

要有好的设计。

一、机器的组成原动机传动装置执行机构控制系统润滑、显示、照明等辅助系统

传动装置――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一。

机械设计概述机械――机器和机构的总称。机械零件――是机器的制造单元。分为：

通用零件：各种机器中常用的。(是本课程的主要学习对象）例如：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。

专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。

（在有关专业课中学习）如：叶片、曲轴等。

部件――为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、减速器等。机械零件－－常用泛指零件和部件＊几个名词：机械设计概述二、机械设计的方法和基本程序1.机械设计的方法内插式设计外推式设计开发性设计2.机械设计的基本程序一部新机器，从提出设计任务到形成定型产品，通常需要经过四个阶段，如右图所示。机械设计概述3机械设计概述三、机械设计的基本要求1）功能要求2）可靠性要求3）经济性要求4）社会性要求四、设计者应具备的基本素质1）掌握并能够在设计中合理应用机械设计所需的各种知识。2）具有创新意识和创新能力。3）具有认真细致、一丝不苟的工作作风。4）具有团结协作精神。机械设计概述§1-2机械设计课程简介§1-2机械设计课程简介一、本课程的性质和内容

机械零件的设计是机械设计的基础，是课程的重要组成部分。

课程性质：一门适用性广、实用性强的设计性课程，培养同学们具有机械设计能力的技术基础课，

也是机械类专业的一门非常重要的主干课。

教学内容：通用零件的设计和计算。课程目的：培养同学综合运用各种机械零件和机构以及其他

先修课的知识，设计机械传动装置和简单机械的能力。

■研究对象：机械装置和机械系统的设计问题。二、本课程的特点机械设计课程简介2

机械设计课程简介▲涉及面广

▲实践性强─只有理论知识不行，要多联系实际，要注重实践性环节。▲设计结果不唯一─强调个性化，没有最好，只有更好。关系多─因与诸多先修课关系密切。要求多─强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多─各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多─计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图表多─结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。三、学习中注意的几个问题◆着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。◆除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。

──

设计决非只是计算。◆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。◆经验设计与现代设计

──二者均重要，前者是后者的基础。

机械设计课程简介§1-3机械零件的计算准则§1-3机械零件的计算准则一、强度准则机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。例如：发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。整体断裂;过大的残余变形;工作表面的过度磨损或损伤;破坏正常的工作条件;零件的失效形式

如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为机械零件失效的实例齿轮轮齿折断轴承内圈破裂

轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形机械零件的计算准则机械零件的计算准则2机械零件的计算准则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，常用的计算方法（过程）有两种：■设计计算：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。

■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，应修改零件的尺寸。＊载荷和应力1.载荷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。静载荷变载荷按是否随时间变化，分为：按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：机械零件的计算准则3名义载荷:在理想平稳条件下所受的载荷。（不计动载荷的影响）计算载荷＝载荷系数K×名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）

载荷系数K：用于计入动载荷的影响。额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。2.应力应力分为静应力变应力机械零件的计算准则注：静应力只在静载荷作用下产生，变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。另外，应力还分为名义应力：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机械零件的计算准则4（一）整体强度强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。1.强度条件

有两种表示方法：应力表示：≤＝安全系数表示：≥＝式中：

—计算最大应力—极限应力

—计算安全系数—许用应力—许用安全系数机械零件的计算准则注：对于切应力，只须将上述各公式中的换成即可。1）静应力下的极限应力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。塑性材料

单向应力状态：，复合应力状态：按第三或第四强度理论计算当量应力。脆性材料单向应力状态：，复合应力状态：按第一强度理论计算当量应力。机械零件的计算准则注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。

2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应虑应力集中的影响。2.极限应力的确定2）变应力下的极限应力计算变应力下的强度时，应取

疲劳极限

（详见第2章）。

3.许用安全系数

1）

计算的准确；

2）材料的均匀；

3）零件的重要性。(二）表面接触强度

机械零件的计算准则

合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。过大，则机器会过于笨重；

过小，可能不安全。在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。

的取值主要受下列因素的影响:

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、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用表示。机械零件的计算准则7

的大小用赫兹公式计算，公式见教材。机械零件的计算准则

实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。

在接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：≤

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：

1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。

2）减小零件的有效工作面积。

机械零件的计算准则（三）表面挤压强度

两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为挤压应力，用表示。

在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：

≤［］

挤压应力作用下，接触面的失效形式是－－“压溃”。注：相互挤压表面上的挤压应力相等。二、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。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失效。

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。机械零件的计算准则刚度条件为：实际变形量≤［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。

［许用变形量］－－是保证正常工作所允许的变形量。注：1）零件材料的弹性模量E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，但不能提高零件的刚度。三、摩擦学准则（耐磨性计算）

到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。即压强不超过许用值p≤［p］速度不超过许用值≤[］压强与速度乘积不超过许用值p≤［p］机械零件的计算准则四、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零件的自激振动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。振动稳定性准则：使零件的自激振动频率f

远离外力变化的频率。

即

＜0.85f

或＞1.15

f注：限制p

值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。§1-3机械零件的计算准则§1-4机械零件的标准化，系列化和通用化标准化----对零件尺寸、结构要素、材料等方面的要求，制定的标准。系列化----指按尺寸的不同制定一系列的通用零件。缩短设计周期;便于大规模生产;提高互换性，便于维修和回收利用;便于改进和增加产品品种;三化的意义

通用化----在系列产品内部或跨系列的产品之间采用同一结构和尺寸的零件。黑色金属有色金属铸铁钢金属材料一、常用材料灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5)…低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）…铝合金(LY12)铜合金(ZCuSn10P1)铸铁--灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。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。§1-5机械零件的常用材料和选择原则机械零件的常用材料和选择原则钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。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动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜高分子材料复合材料陶瓷非金属材料-