1、机械设计基础欢迎进入机械设计基础教室欢迎进入机械设计基础教室 n看一看机器的外在表现就知道其内部结构。看一看机器的外在表现就知道其内部结构。 听一听机器的声音就知道机器是否生了病并且知道病听一听机器的声音就知道机器是否生了病并且知道病根在那里。根在那里。 一旦发现需要，就能根据所需设计，甚至发明新的机一旦发现需要，就能根据所需设计，甚至发明新的机械设备。械设备。 n您是否觉得这是天方夜谈、神乎其技了。否！只要您您是否觉得这是天方夜谈、神乎其技了。否！只要您学好了本课，真正掌握了本课程所介绍的技能、方法学好了本课，真正掌握了本课程所介绍的技能、方法和知识，具备上述本领就并非难事。和知识，具备上述
2、本领就并非难事。 如何学习，如何如何学习，如何掌握？掌握？ 请跟着我们的课程走吧请跟着我们的课程走吧！ 特别忠告特别忠告 时间最公道！效率最重要时间最公道！效率最重要!付出有回报付出有回报!机械设计机械设计机械机械：机器与机构总称。：机器与机构总称。设计设计：为了满足特定功能要求而进行的：为了满足特定功能要求而进行的 创造过程。创造过程。机械设计概论机械设计概论 n1 机器的组成机器的组成 机器的发展经历了一个从简单到复杂的机器的发展经历了一个从简单到复杂的过程。人类为了满足生产及生活的需要，过程。人类为了满足生产及生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机设计和制造了类型繁多、功能各异的
3、机器。但是，只有在器。但是，只有在蒸汽机蒸汽机出现以后，机出现以后，机器才具有了完整的形态。器才具有了完整的形态。机器（三个特征）机器（三个特征）：n人为的实物组合（不是天然形成）人为的实物组合（不是天然形成） 各运动单元具有确定的相对运动；各运动单元具有确定的相对运动； 必须能作有用功，完成物流、信息必须能作有用功，完成物流、信息的传递及能量的转换。的传递及能量的转换。n机器的组成：机器的组成：原动机原动机、工作机工作机、传动部分传动部分、自动控制工作机自动控制工作机一部完整机器的组成一部完整机器的组成 n作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能作为一部完整的机器，仅具有上述
4、的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如图所示部分组成，如图所示 机机 器器 的的 组组 成成 传动部分传动部分辅助系统，例如润滑、显示照明等辅助系统，例如润滑、显示照明等 原动机部分原动机部分 执行部分执行部分 控制部分控制部分原动机部分原动机部分n是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。一是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。一般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，原动机的动力输出绝大多数呈旋转运
5、动的状态，输出一定的转矩。原动机经历了如下发展过程：输出一定的转矩。原动机经历了如下发展过程：人力、畜力人力、畜力水力机、水力机、风力机风力机蒸汽机蒸汽机、内燃机内燃机、汽轮机、汽轮机、电动机电动机 12缸V型柴油机 16缸V型柴油机轿车上用的内燃机 拖拉机上用的内燃机执行部分执行部分是用来完成机器预定功能的组是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分可以把机器的功能分解成好几个执行部分。 传动部分传动部分 用来连接原动机部分和执行部用来连接原动机部分和执行部分，用来将原动机的运动形式、运动及动
6、力参分，用来将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。力参数。 n例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转例如：把旋转运动转换为直线运动；高转速变为低转速；小转矩变为大转矩等。机器的传动部分大多数采速；小转矩变为大转矩等。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。分。随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度要求随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度
7、要求也越来越高，所以机器除了以上三个部分外，还会不也越来越高，所以机器除了以上三个部分外，还会不同程度地增加其它部分，例如控制系统和辅助系统等同程度地增加其它部分，例如控制系统和辅助系统等,比如比如汽车汽车。机构：有两特征机构：有两特征n人为的实物组合（不是天然形成的）；人为的实物组合（不是天然形成的）；各运动单元具有确定的相对运动各运动单元具有确定的相对运动，n机器和机构最明显的区别是机器和机构最明显的区别是：机器能作：机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。两者之间也有联系，机期的机械运动。两者之间也有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简
8、单的器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构机器只有一个机构。构件构件n零件零件：从制造的观点分析从制造的观点分析 机械时，零件是组成机械机械时，零件是组成机械 的最小单元体。的最小单元体。任何机械 都由许多零件组合而成的。 如内燃机中的连杆由连杆 体、连杆头、轴瓦、螺杆、 螺母和轴套等零件组成。 n构件：从运动的观点分析机械时，构件是参加运从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。动的最小单元体。构件可以是一个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。 本节重点本节重点：什么是机器、机构什么是机器、机构机器机器的三特征：的三特征：n1）由一系列的运动单元体所组成。）由一系列
9、的运动单元体所组成。 n2）各运动单元体之间都具有确定的相对运动。）各运动单元体之间都具有确定的相对运动。 n3）能转换机械能或完成有用的机械功以代替）能转换机械能或完成有用的机械功以代替或减轻人们的劳动。或减轻人们的劳动。 n具有以上具有以上1、2两个特征的实体称为两个特征的实体称为机构机构。 n构件构件由一个或多个零件连接而成的运动单由一个或多个零件连接而成的运动单元体。元体。 n零件零件机器中的制造单元体。机器中的制造单元体。 本课程的性质本课程的性质 是以一般通用零件的设计为核心的设计课程，是论是以一般通用零件的设计为核心的设计课程，是论述其基本设计理论和方法的技术基础课程述其基本设计
10、理论和方法的技术基础课程。本课程的主要任务本课程的主要任务 1）培养正确的设计思想、创新意识和协作精神；）培养正确的设计思想、创新意识和协作精神； 2）掌握通用零件的设计方法和理论，具有设计简单机械、）掌握通用零件的设计方法和理论，具有设计简单机械、以及改进、开发零件产品的能力；以及改进、开发零件产品的能力； 3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；料的能力； 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；训练； 5）了解有关的技术经济政策和发展动向）了解有关的技术经济
11、政策和发展动向。总目上一页结 束对机器的主要要求 基本要求1） 使用使用功能要求功能要求；2 2） 经济性要求经济性要求；3 3） 劳动保护和环境保护要求劳动保护和环境保护要求；4 4） 可靠性要求可靠性要求；5 5）其它专用要求其它专用要求。总目录下一页结 束0-3 设计机器的一般程序一般程序一般程序 计划阶段计划阶段方案设计阶段方案设计阶段技术设计阶段技术设计阶段技术文件编制技术文件编制对所对所设计的机器需求情况进行设计的机器需求情况进行充分调查分析，明确机器功能充分调查分析，明确机器功能及约束条件，形成设计任务书。及约束条件，形成设计任务书。分析机器功能，确定功能参数，分析机器功能，确定
12、功能参数，拟定多种方案并进行综合评价拟定多种方案并进行综合评价。确定原动机参数及各运动确定原动机参数及各运动构件的运动参数，确定主构件的运动参数，确定主要零件上的载荷大小、特要零件上的载荷大小、特性，依工作能力设计准则性，依工作能力设计准则初步完成零件基本尺寸的初步完成零件基本尺寸的确定，作出零部件装配草确定，作出零部件装配草图及总装配图，完成主要图及总装配图，完成主要零件的校核计算零件的校核计算。编制设计计算说明书、编制设计计算说明书、使用说明书及其它技术使用说明书及其它技术文件文件。机械零件的设计方法机械零件的设计方法常规设计方法* 理论设计理论设计满足工作能力要求。满足工作能力要求。 校
13、核计算：校核计算： 设计计算：设计计算：经验设计经验设计满足结构工艺要求。满足结构工艺要求。模型实验设计模型实验设计limlimFSASAF总目录上一页下一页结 束机械零件的设计方法分为两种：常规设计方法和现代设计方法机械零件的主要失效形式整体断裂整体断裂正常工作正常工作条件破坏条件破坏总目录上一页结 束过大的残过大的残余变形余变形零件的表零件的表面破坏面破坏零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生的断裂应力超过零件的强度极限而发生的断裂。零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的过大残余变形而导
14、致的失效过大残余变形而导致的失效。零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳而产生的表面破坏失效。而产生的表面破坏失效。如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。荷超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。机械零件的设计准则基本要求计算准则工作能力要求：强度、刚度、寿命、工作能力要求：强度、刚度、寿命、 稳定性、耐磨性；稳定性、耐磨性；结构工艺性及经济性要求。结构工艺性及经济性要求。质量小及可靠性要求质量小及可靠性要求强度准
15、则强度准则、刚度准则刚度准则 寿命准则寿命准则振动稳定性准则振动稳定性准则可靠性准则可靠性准则总目录上一页下一页结 设计机械零件时应满足的基本要求机械零件的计算准则机械零件的计算准则n（一）强度准则（一）强度准则强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即：强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即： limn考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数要除以设计安全系数(简称安全系数简称安全系数)，即：，即： lim/S 即即 式中：安全系数式中：安全系数S为大于为大于1的数，的数，S过大，虽安全但浪费材料；过大，虽
16、安全但浪费材料；S过小，虽节过小，虽节省材料但趋危险，故省材料但趋危险，故S的选取应适当。的选取应适当。称为许用应力。称为许用应力。几个参数n: 应力nlim 即为材料的极限， 对于脆性材料：取limB（强度极限）， 对于塑性材料：取limS（屈服极限） 设计安全系数(简称安全系数) ：S：称为许用应力。 载荷和载荷和应力分类应力分类n 静载荷静载荷 静应力静应力 非对称循环非对称循环 变载荷变载荷 变应力变应力 对称循环对称循环载荷载荷 脉动循环脉动循环 名义载荷名义载荷名义应力名义应力 计算载荷计算载荷计算应力计算应力按照随时间变化的情况，应力可分为按照随时间变化的情况，应力可分为静应力静
17、应力和和变应力变应力 不随时间变化的应力，称为不随时间变化的应力，称为静应力静应力，实用中将变化缓实用中将变化缓慢（使用期限内，应力变化的次数慢（使用期限内，应力变化的次数10 ）的应力也看）的应力也看作静应力。例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧作静应力。例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。螺母所引起的应力等。n随时间变化的应力，称为随时间变化的应力，称为变应力变应力。其中：随着时间的。其中：随着时间的变化，应力改变完全无规律的称为变化，应力改变完全无规律的称为随机变应力随机变应力，研究，研究随机变应力属于随机变应力属于“概率工程设计概率工程设计”的内容，本课程不予的内容
18、，本课程不予讨论讨论。应力变化具有周期性的变应力称为应力变化具有周期性的变应力称为循环变应力循环变应力n零件承受静载荷时，不仅产生静应力，有时也能产生零件承受静载荷时，不仅产生静应力，有时也能产生变应力。变应力。例如承受静载荷的回转运动或周期运动的零例如承受静载荷的回转运动或周期运动的零件将产生变应力。件将产生变应力。几个参数几个参数nmax 最大应力最大应力n min 最小应力最小应力n m 平均应力平均应力 m = (max +min )/2n n a 应力幅应力幅 a = (max - min )/2 r 应力循环特性应力循环特性 r= min /max 各种类型的变应力变化曲线如图所示
19、：各种类型的变应力变化曲线如图所示：n式中：式中：m为平均应力；为平均应力；a为应力幅。为应力幅。总目录上一页下一页结 束对称循环变应力对称循环变应力（ r=-1） max = -min 脉脉动循环变应力动循环变应力 (r =0) min =0 ，m =0 a = max =- min ，；，；max 0， 静应力静应力 （r=1 ）可看作变应力的特例，可看作变应力的特例， 其其max =min ， 理论和实践都证明，在各种循环特性的周期性理论和实践都证明，在各种循环特性的周期性变应力中，变应力中，r =-1的变应力对材料的损伤最大的变应力对材料的损伤最大。变应力的极限应力变应力的极限应力n在循环特性在循环特性r下的变应力，经过下的变应力，经过N次循环后，材料次循环后，材料不发生破坏的应力最大值称为不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限疲劳极限，用，用rN表表示。表示循环次数示。表示循环次数N与疲劳极限与疲劳极限rN间的间的关系曲线关系曲线称为疲劳曲线（称为疲劳曲线（-N曲线）。典型的疲劳曲线如图：曲线）。典型的疲劳曲线如图：总目录上一页下一页结 束
