1、机械设计概论机械设计概论0 01 1 机械的组成机械的组成0 02 2 本课程的性质和任务本课程的性质和任务0 03 3 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序0 04 4 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则0 05 5 机械设计中常用材料的选择原则机械设计中常用材料的选择原则0 06 6 许用应力和安全系数许用应力和安全系数顾名思义，本课程研究对象为：顾名思义，本课程研究对象为：机械机械机械机械机器机器斜面斜面任何机械都经历了：任何机械都经历了：简单简单复杂的发展过程。复杂的发展过程。机械机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的人造的用来减轻或替代
2、人类劳动的多件实物的组合体。组合体。机构机构 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。一般而言，机械是机器和机构的总称杠杆杠杆 起重轱辘起重轱辘滑轮组滑轮组 手动手动(电动)葫芦葫芦现代起重机现代起重机起重机的发展历程：起重机的发展历程：01 机械的组成机械的组成机器机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。体。机构机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：实物的组合体。如：连杆机构连杆机构、凸轮机
3、构凸轮机构、齿轮机构齿轮机构等。等。种类有限如如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机机器、起重机等。等。机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有具有相同的基本特征相同的基本特征。典型机器的分析：典型机器的分析：1.内燃机内燃机内燃机内燃机组成：组成：65438712910汽缸体汽缸体1、活塞活塞2、进气阀进气阀3、排气阀排气阀4、连杆连杆5、曲轴曲轴6、凸轮凸轮7、顶杆顶杆8、齿轮齿轮9、10工作原理：工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入
4、汽缸；进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动设计：潘存云进气进气压缩压缩爆炸爆炸排气排气内燃机的工作过程：内燃机的工作过程：活塞的往复运动通过连杆转变为曲活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构曲柄滑块机构凸轮和顶杆用
5、来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：作，称为：齿轮机构齿轮机构各部分各部分协调动作协调动作的结果的结果：化学能化学能 机械能机械能机器的共有特征：机器的共有特征：人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有各部分有确定的相对运动确定的相对运动；代替或减轻人类劳动代替或减轻人类劳动完成有用功完成有用功或或实现能量实现能量 的转换的转换 机器的作用 机器的分类：机器的分类：原动机原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽
6、机、电动机）种类有限工作机工作机完成有用功（如机床等）完成有用功（如机床等）种类繁多工作机的组成：工作机的组成：原动部分原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。和内燃机。工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。其关系如下机械机械机器机器机构机构原动机原动机 传动传动 工作工作 控制控制 原动机原动机工作机工作机控制器控制器(控制控
7、制)电动机电动机(原动原动)带带(传动传动)减速器减速器(传动传动)波轮波轮(工作工作)分析自动洗衣机的组成：分析自动洗衣机的组成：潘存云教授研制同理，通过对典型机构进行分析可知：机构的共有特征：机构的共有特征：人造的实物组合体；人造的实物组合体；各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动；用来传递力或实现运动的转换。用来传递力或实现运动的转换。机构的分类：机构的分类：通用机构通用机构和和专用机构专用机构。通用机构通用机构-用途广泛，如用途广泛，如齿轮机构齿轮机构、连杆机构连杆机构等。等。专用机构专用机构-只能用于特定场合，如钟表的只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构擒纵机构。机器与机构的关
8、系：机器与机构的关系：由两个实例推广到一般 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素 由机器与机构的共有特征可知：由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同）同），故统称为机械。，故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动作者：潘存云教授5641213386游丝摆轮游丝摆轮45擒纵轮擒纵轮121338擒纵叉擒纵叉擒纵轮机构擒纵轮机构组成：组成：擒纵轮、擒纵叉、游丝摆轮。擒纵轮、擒纵
9、叉、游丝摆轮。工作原理：工作原理：擒纵轮受发条力矩的驱动，游擒纵轮受发条力矩的驱动，游丝摆轮系统往复摆动，带动擒纵叉丝摆轮系统往复摆动，带动擒纵叉往复摆动，卡住或释放擒纵轮，并往复摆动，卡住或释放擒纵轮，并使它间歇转动。使它间歇转动。3356412185641213385641128用于自动记录仪、时间继电器、计用于自动记录仪、时间继电器、计数器、定时器、测速器、照相机快数器、定时器、测速器、照相机快门和自拍器等。门和自拍器等。课程性质：课程性质：技术基础课技术基础课 作用作用：承前启后承前启后 本课程的特点：是本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造工程制图、工程材料及机械制造基础、理论
10、力学，材料力学、金工实习基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识等理论知识和实践技能的综合运用。和实践技能的综合运用。同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础。基础。作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械设备的能力，为们初步具备运用手册设计简单机械设备的能力，为今
11、后操作、维护、管理、革新机械设备创造条件。今后操作、维护、管理、革新机械设备创造条件。02 本课程的性质和任务本课程的性质和任务机械设计机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。进原有机械的性能。基本要求基本要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。造型美观。机械设计的内容：机械设计的内容：1.1.确定确定机械的工作原理，选择合宜的机构机械的工作原理，选择合宜的机构；2.拟定设计方案；拟定设计方案；3.进行运动
12、分析和动力分析，计算各构件上的载荷；进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。03 机械设计的基本要求和一般程序机械设计的基本要求和一般程序为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。
13、3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手 组装各种机构。组装各种机构。课程安排：课程安排：共共54学时，其中讲授学时，其中讲授48学时，实验学时，实验6学时。学时。要求：要求：1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业 量未达到规定者不能参加考试。量未达到规定者不能参加考试。2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课 外时间。外时间。04 机械零件的工作能力和计算准则机械零件的工作能力和计算准则机械设计应满足的要求：机械设计应满足的要求：在满足预
14、期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在预定使用期限内，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修安全可靠，操作方便、维修简单简单和和造型美观造型美观等。等。机械零件的失效：机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全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，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。零件的失效形式零件的失效形式:断裂或塑性变形断裂或塑性变形
15、;过大的弹性变形过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动；联接的松弛发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。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对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度准则：强度准则：计算应力计算应力许用应力；许用应力；机械零件设计的步骤：机械零件设计的步骤：1)拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图;5)绘制工作图并标注必要的技术条件。绘制工作图并标注必要的技术条件。防止失效的判定条件是：防止失效的判定条件是：计算量计算量许用量许用量-工作能力
16、计算准则。工作能力计算准则。2)确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷;3)选择合适的材料选择合适的材料;4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状条件，确定零件的形状;注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整 失效原因失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。刚度准则：刚度准则：变形量变形量2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。良好的液态流动性，可
17、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）、成本低较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应
18、用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表0-1 0-1 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235（3342）1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢（合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢（耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 3.3.铜合金铜合金-铜锌合
19、金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具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。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1.1.橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带常用作联轴器或减震器的弹性元件、
20、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。2.2.塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。机械制造中其应用日益广泛。3.3.其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据
21、零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工艺性能机械工艺性能、经济经济性。性。零件材料零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。的品种。表表0-2 0-2 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材 料料 力力 学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极
22、限B B 屈服极限屈服极限S S 延伸率延伸率%mm%mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素优质碳素结构钢结构钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-57
23、0 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 -灰铸铁灰铸铁HT200 195 -HT250 240 -壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚30200载荷系数载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。的载荷。06 许用应力和安全系数许用应力和安全系数 计算载荷计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。载荷系数与名义载
24、荷的乘积。计算应力计算应力-按名义载荷计算所得之应力：按名义载荷计算所得之应力：名义应力名义应力-按名义载荷计算所得之应力。按名义载荷计算所得之应力。强度判强度判 定条件：定条件：其中、=、-许用应力许用应力S-安全系数安全系数lim、lim-极限应力，由实验方法测定。极限应力，由实验方法测定。SSlimlim然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入一、载荷和应力一、载荷和应力应力的种类应力的种类ot =常数常数 max脉动循环变应力脉动循环变应力r=0m静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化2minmaxm平均应力平均应力:2minmaxa应力幅应力幅:Tm
25、axminaam循环变应力循环变应力ot变应力的循环特性变应力的循环特性:maxminrmaxminaa对称循环变应力对称循环变应力r=-1ot-脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1=0=0 +1 +1-静应力静应力otaaminr=+1静应力是变应力的特例二、静应力下的许用应力二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：静应力下，零件材料的破坏形式：断裂断裂或或塑性变形塑性变形塑性塑性材料，取材料，取屈服极屈服极限限S S 作为极限应力作为极限应力,许用应力为：许用应力为：脆性脆性材料：取强度材料：取强度极极限限B B 作为极限应力作为极限应力,许用
26、应力为：许用应力为：SsSB三、变应力下的许用应力三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：具有以下特征：1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低低，甚至比屈服极限低;2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未
27、断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。不管脆性材料或塑性材料，1 1、疲劳曲线、疲劳曲线NO-1N0-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当 NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力应力与应力循环次数与应力循环次数N N 之间之间的关系曲线称为：的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线当当NNNN0 0 时时,试件将不会断裂。试件将不会断裂。N N0 0-循环基数循环基数N N0 0 对应的应
28、力称为：对应的应力称为：CNNmmN011当当NNNN0 0 时时,有近似公式：有近似公式：对应于对应于N N 的弯曲疲劳极限：的弯曲疲劳极限：疲劳极限疲劳极限用用-1表示材料在对称循环应力下的表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。弯曲疲劳极限。mNNN0112 2、许用应力、许用应力 在变应力，应取材料的在变应力，应取材料的疲劳极限疲劳极限作为作为极限应力极限应力。同。同时还应考虑零件的时还应考虑零件的切口和沟槽切口和沟槽等截面突等截面突变、变、绝对尺寸绝对尺寸和和表面状态表面状态等影晌，为此引人应力集中系数等影晌，为此引人应力集中系数k、尺寸尺寸系数系数和表面状态系数和表面状态系数等。等。Sk11当应力是当应力是对称循环对称循环变化时，许用应力为：变化时，许用应力为：当应力是当应力是脉动循环脉动循环变化时，许用应力为：变化时，许用应力为：Sk000 0 为材料的为材料的脉动循环疲劳极限，脉动循环疲劳极限，S S为安全系数。以上为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，mNNSk011有限寿命时，用有限寿命时，用-1N-1N代入得：代入得：
