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1、机械设计基础,朱爱华 主讲,机电学院,欢迎同学们学习本课程,本课程48学时，为技术基础课和必修课教材：机械设计基础参考书：机械设计基础等考试：考查课成绩评定：平时作业，出勤，实验、测验等综合评定。电话：7029692（家）,2023年10月26日,0.0 导 言0.1 机械的组成及特征0.2 本课程的内容、性质和任务0.3 学习方法,绪 论,导 言,早年的杠杆、滑轮，近代的汽车、轮船，到现代的机器人、航天器，机械不断更新换代，发展日新月异，在生产力发展中一直扮演着重要角色。,不论传统产业还是新兴产业，其进步与发展都离不开机械技术的支持。机械是国民经济发展的基础技术，是衡量国家经济实力和科技水平
2、的重要标志。,导 言,机械设计是一种创造性思维活动。按照设计目标，进行分析、计算、决策，并通过文字、数据、图形等信息形成机械产品的设计方案。,0.1 机械的组成及特征,实例,1.内燃机,功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器,组成：,0.1 机械的组成及特征,活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸,工作过程：,0.1 机械的组成及特征,2.颚式破碎机,功用压碎物料,组成,0.1 机械的组成及特征,电动机,工作过程：,0.1 机械的组成及特征,机器：既能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如,半自动钻床实现确定的机械运动，又作有用的机械功,内燃机
3、转换能量,机械手传递物料,照相机传递信息,一般机器包含四个主要组成部分：动力部分、传动部分、控制部分和执行部分。,动力部分：为机器运转提供动力。常用的原动机有电动机、内燃机、液压机、气动机等。,传动部分：把原动机的运动和动力传递给执行机构。如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。,0.1 机械的组成及特征,机器的组成,控制部分：用来处理机器各组成部分之间，以及与外部其它机器之间的工作协调关系，它通常由各种计算机和控制器组成。,执行部分：它是一部机器中最接近作业工作端的机构，通过执行构件与被作业件相接触，来完成作业任务。如：起重机中的起重吊运机构和挖掘机中的挖掘机构。,0.1 机械的组成及
4、特征,机器的类型,0.1 机械的组成及特征,动力机器实现机械能与其他形式能量之间的转换（如内燃机、蒸汽机、电动机、液压泵等），种类有限。,2.加工机器用来改变物料的状态、性质、结构和形状。（如金属切削机床、粉碎机、压力机、织布机、轧钢机、包装机等）种类繁多。,0.1 机械的组成及特征,3、运输机器：用来改变人或物料的空间位置。如：汽车、机车、缆车、轮船、飞机、电梯、起重机、输送机。,4、信息机器：用来获取或处理各种信息。如复印机、打印机、绘图机、传真机、数码机等。,机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构。,凸轮机构,连杆机构,0.1 机械的组成及特征,齿轮机构,间歇
5、机构,是一个具有相对机械运动的构件系统，用来传递与变换运动和力的可动装 置。它是机器的重要组成部分。,机构,机构,具有机器的前两个特征。,0.1 机械的组成及特征,机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还包含电气、液压等其它系统。（即一部机器可以包含一个或若干个机构）机构只用来传递运动和力，而机器除传递运动和力外，还具有变换或传递能量、物料和信息的功能。,机构和机器的区别,0.1 机械的组成及特征,0.1 机械的组成及特征,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，如钟表的机构。,0.1 机械的组成及特征,构件：组成机械的各个相
6、对运动的实物。是机器运动单元。,单一零件曲轴,多个零件的刚性组合连杆,0.1 机械的组成及特征,零件：机械中不可拆的制造单元体。,构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。,零件可分为两类：,通用零件,例如：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器、滚动轴承、滑动轴承、螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。,0.1 机械的组成及特征,专用零件：,例如：叶片、犁铧、枪栓等。,部件：若干个零件的装配体,是机器的装配单元。,0.1 机械的组成及特征,0.2 课程的内容、性质和任务,一、内容,阐述常用机构的工作原理、运动特性及设计方法。,阐述常用零部件
7、的工作原理、结构特点及设计方法。,介绍机械系统的设计思路和设计方法。,二、性质,本课程是一门技术基础课。旨在培养工程技术人员从事机械设计所需的基本知识、理论和技能，使之具备分析、设计、运行和维护机械设备和机械零件的能力，为今后解决生产实际问题及学习有关新的科学技术打下基础。,0.2 课程的内容、性质和任务,二、性质,本课程综合运用数学、力学、制图、金属材料及热处理、互换性与技术测量、算法语言等课程的知识，去解决常用机构和通用零部件的设计问题。涉及的知识面广，实践性强，侧重于工程实际。,三、任务,使学生了解常用机构及通用零、部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。,使学生掌握常用机构的基本理
8、论及设计方法，掌握通用零、部件的失效形式、设计准则与设计方法。,使学生具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。,0.2 课程的内容、性质和任务,0.3 学习方法,本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点，应注意几个特点：,1.本课程将多门先修课程的基本理论应用到实际中去。,2.本课程的各部分都是按照工作原理、结构、强度计算、使用维护的顺序介绍的。,0.3 学习方法,3.常采用很多经验公式、参数以及简化计算（条件性计算）。,4.计算步骤和计算结果不像基础课那样具有唯一性。,5.逐步培养把理论计算与结构设计、工艺等结合起来解决设计问题
9、的能力。,1.1 机械设计的基本要求1.2 机械设计的内容与步骤1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化,第1章 机械设计概述,1.1 机械设计的基本要求,机械设计包括以下两种设计:,应用新技术、新方法开发创造新机械；,在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。,1.1.1 设计机械零件的基本要求,1、功能要求,机械设计的目的就是要使所设计的机械实现预期的功能。,1.1 机械设计的基本要求,2、可靠性要求,3、经济性要求,总之工作可靠并且成本低廉;,机械应在预定的使用期限能安全可靠工作。即机械在使用中不发生破坏，不因零件的过度磨损或变形而失效，不能产
10、生强烈的振动和冲击而损害机器的工作性能，更不能因一些零部件的破坏而引起人身和财产安全事故。,4、标准化要求,设计机械零件要注意以下几点：,（1）合理选择材料，降低材料费用；,（2）保证良好的工艺性，减少制造费用；,（3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。,1.1 机械设计的基本要求,1.2 机械设计的内容与步骤,现代设计方法：,常规设计方法：,优化设计、可靠性设计、有限元设计、模块设计、计算机辅助设计,理论设计、经验设计和模型实验设计等。,机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：,（1）产品规划,（2）方案设计,产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。,由设计人员构思
11、出多种可行方案进行分析比较，从中优选出一种方案。,1.2 机械设计的内容与步骤,（3）技术设计,（4）制造及试验,设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。,经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或在生产现场试用。,1.2 机械设计的内容与步骤,1.2 机械设计的内容与步骤,设计机械零件的一般步骤如下：,（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件的载荷。,（2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则。,（3）进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。,1.2 机械设计的内容与步骤,（4）进行结构设计。,（
12、5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。,在设计过程中，这些步骤又是相互交错、反复进行的。,1.2 机械设计的内容与步骤,在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况进行一定的简化，这些计算或多或少带有一定的条件性或假定性。,条件性计算：,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象。,机械零件的失效,进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,4.磨损,机械零件常见的失效形式有如下几种：,1.
13、断裂,2.过量变形（弹性和塑性变形）,3.表面失效（点蚀）,5.失去振动稳定性,1.3.1 失效形式,1982年3月12日，1522次货物列车运行至川黔线石门坎至岔滩处，车轮崩裂造成重大事故。,内裂及异型偏析,严重疏松,由于内在冶金缺陷造成的崩轮,2004年7月25日，京沪线济南局管内因货车辐板孔裂纹造成崩轮事故。,踏面擦伤,由于辐板孔裂纹造成车轮裂损,载荷和应力1,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，常用的计算方法有两种：,1）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。,2）校核计算：先确定
14、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，则应修改零件的尺寸。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,载荷和应力1,二、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,按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,载荷和应力2,名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）,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：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。,额定载荷：由原动机的额定功率推算出的载荷。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,载荷和应力
15、2,2 应力,循环应力,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,载荷和应力3,对称循环,脉动循环,常见的循环应力:,静应力（是循环应力的一个特例）,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,载荷和应力3,注：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。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,强度准则,三、强度准则,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1）用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中 换成 即可。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,静应力下的强度,1 静应力下的强度
16、,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。,复合应力状态下：,按第三或第四强度理论计算当量应力。,复合应力状态下:按第一强度理论计算当量应力。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,静应力下的强度,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，应考虑应力集中的影响。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,接触强度,2 循环应力下的强度,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。因此，在保证安
17、全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,3.许用安全系数,接触强度,1）计算的准确性；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。,4 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。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,安全系数的取值主要受下列因素的影响,接触强度2,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。,1.3 机械零件的失效形
18、式及设计计算准则,接触强度2,接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀。,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。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,挤压强度及刚度准则,5 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”。,相互挤压表面上的挤压应力相等。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,挤压强度及刚度准则,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。如果零件的刚度不足，有些零件
19、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。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,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。,刚度准则及振动稳定性,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。,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
20、离外力变化 的频率。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,6.耐磨性准则,磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报废。,单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。,耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。,3-2磨 损,一、典型宏观磨损过程,一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：,1）磨合阶段,磨合（跑合）：是指新零件在运转初期的磨损。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,磨 损1,新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此
21、运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。,2）稳定磨损阶段,这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,磨 损1,3）剧烈磨损阶段,零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。,注：应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,磨 损2,二、磨损的类型,按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为 四种基本类型：,1）粘着磨损也称胶合,2）疲
22、劳磨损即疲劳点蚀,摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。,是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,磨 损2,3）磨粒磨损也称磨料磨损,4）腐蚀磨损,是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。,摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,磨 损3,三、减小磨损的主要方法,（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。,（2）合理选择摩擦副材料,（3）进行表面处理,（4）注意控制摩擦副的工作条件等,除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他形式，由于时间关系，不多讲。,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则,1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化,标准件：按规定标准生产的零件。,好处:,（1）由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本；,（2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；,1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化,（3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格；,（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。,标准化：有不少零件，由于应用范围广、用量大，已经高度标准化形成标准件。,
