1、 第第1章章 绪论绪论1.1 机械的组成及本课程研究对象机械的组成及本课程研究对象 第一节第一节 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的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。重要标志。机械在国民生产中的地位、作用：机械在国民生产中的地位、作用：机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促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。进技术改造的重任。“十二五规划十二五规划”老工业基地改造：注入新的技术老工业基地改造：注入新的技术国防工业：提供新的装备国防工业：提供新的装备高技术产业：新装备高技术产业：新装备特种环境工作的机器人特种环境工作的机器人自动化生产
2、线自动化生产线人们代步用的汽车人们代步用的汽车 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。和改善劳动条件。其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等其它辅助系统：例如润滑、显示、照明等原动机原动机传动装置传动装置工作机工作机控制系统控制系统1.1.1 机械的组成：机械的组成：1 1、从功能看、从功能看三个基本部分、三个辅助部分三个基本部分、三个辅助部分机械的
3、组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成机械的组成以汽车为例：原动机-发动机（汽油机或柴油机）传动部分-离合器、变速箱、传动轴和差速器执行部分-车轮、悬挂系统及底盘控制系统-转向盘和转向系统、排档杆刹车及其踏板、离合器踏板及油门辅助装置-油量表、前后灯、车门锁等数控加工中的机器人数控加工中的机器人机械的组成机械的组成机器人焊接机器人焊接机械的组成机械的组成机器人去毛刺机器人去毛刺机械的组成机械的组成2、从制造安装方面看：、从制造安装方面看：任何机械设备都是由许多机械零部件组成的。任何机械设备都是由许多机械零部件
4、组成的。是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器，发动机。例如：轴承，联轴器，发动机。机械部件：机械部件：专用零件：专用零件：气轮机的叶片；内燃机曲轴气轮机的叶片；内燃机曲轴 通用零件：通用零件：齿轮；螺栓齿轮；螺栓 机械零件：机械零件：是机械制造过程中不可分拆的最小单元是机械制造过程中不可分拆的最小单元 1.1.2 机械设计课的研究对象：机械设计课的研究对象：简单机械的设计简单机械的设计 典型零部件的设计典型零部件的设计机械设计课的重点内容：机械设计课的重点内容：机械中一
5、般工作条件下、常用参数范围内的通机械中一般工作条件下、常用参数范围内的通用零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论、用零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论、设计计算方法。设计计算方法。（2）课程地位：工程图学、力学、金属工艺学、课程地位：工程图学、力学、金属工艺学、机械工程材料学、热处理、互换性与测量、机械原机械工程材料学、热处理、互换性与测量、机械原理是其先修课程。理是其先修课程。是机械类、近机类专业主干课程，具有承前启是机械类、近机类专业主干课程，具有承前启后的作用。后的作用。1.2 本课程的性质、地位和任务本课程的性质、地位和任务（1）课程性质：课程性质：设计性课程设计性课程 技术基
6、础课技术基础课（3）学习机械设计课的主要任务：学习机械设计课的主要任务：培养学生：培养学生：1）初步树立正确的设计思想。）初步树立正确的设计思想。2）掌握设计或选用通用机械零部件的基本知识、）掌握设计或选用通用机械零部件的基本知识、理论和方法。理论和方法。3）具有计算、绘图、查阅与运用技术资料的能力。）具有计算、绘图、查阅与运用技术资料的能力。4）掌握本课程实验知识，获得实验技能。掌握本课程实验知识，获得实验技能。5）了解机械设计的新发展，培养创新设计能力。了解机械设计的新发展，培养创新设计能力。1.3 本课程的特点和学习方法本课程的特点和学习方法 本课程：综合性、实践性很强的设计性课程。本课
7、程：综合性、实践性很强的设计性课程。（1）理论联系实际。理论联系实际。（2）抓住设计主线，掌握机械零部件设计规律。抓住设计主线，掌握机械零部件设计规律。（3）努力培养解决工程实际问题的能力。努力培养解决工程实际问题的能力。（4）综合运用先修课程，解决工程实际问题。综合运用先修课程，解决工程实际问题。202.1.1 基本要求基本要求2.1 设计机械时应满足的基本要求和一般步骤1.使用功能要求2.工艺性要求3.经济性要求提高设计、制造经济性的措施运用现代设计方法，使设计参数最优化推广标准化、通用化、系列化采用新工艺、新材料、新结构改善零部件的结构工艺性第2章 机械及机械零件的设计准则 21提高使用
8、经济性的措施提高使用经济性的措施选用效率高的传动系统和支承装置提高机械生产的机械化和自动化水平，以提高生产率和产品的质量。采用适当的防护采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。224.其他要求劳动保护要求环境要求232.1.2 设计机械的一般步骤设计机械的一般步骤1.计划阶段2.方案设计阶段原动机执行部分例：设计制造螺纹的机器传动部分：方案更复杂多样243.技术设计阶段机器的运动学设计机器的动力学设计零件的工作能力设计部件装配草图及总装配图主要零件的校核254.技术文件编制阶段5、技术审定和产品鉴定阶段262.2 机械零件的载荷和应力2.2.1、载荷 静载荷：大小、方向均不随时间变化变载荷：大小、
9、方向随时间变化名义载荷F：根据原动机或工作机的额定功率计算出 的作用于机械零件上的载荷（未考虑不 均匀性及其他影响因素）。计算载荷：KFFca27随 机 变 应力静应力：大小、方向不随时间变化或变化缓慢规律性不稳定变应力2.2.2 应力1、静应力和变应力变应力：不稳定变应力：稳定循环变应力一个循环OOtt28稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数 应力循环特征ammaxammin2minmaxm2minmaxamaxminr最大应力最小应力平均应力应力幅11rb)稳定循环变应力种类：-1+1非对称循环变应力 =+1 静应力 =1 对称循环变应力=0 脉动循环变应力材料疲劳的两种类别交变应
10、力的描述m平均应力；a应力幅值max最大应力；min最小应力r 应力比（循环特性）2minmaxm2minmaxamaxminr描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。r=-1对称循环变应力r=0脉动循环变应力r=1静应力-1 r强度极限时：如螺栓被拧断，铸铁零部件冲击局部断裂 变应力下危险剖面上的应力疲劳极限时：如齿轮轮齿根部断裂 断裂是一种严重的失效形式，不但使零件失效，断裂是一种严重的失效形式，不但使零件失效，还会导致严重事故，需要在设计时严格避免。还会导致严重事故，需要在设计时严格避免。2）塑性变形塑性变形危险剖面上的应力危险剖面上的应力材料的屈服极限时：材料的屈
11、服极限时：就会造成零件的尺寸和形状产生永久的改变。就会造成零件的尺寸和形状产生永久的改变。破坏零部件之间的相互位置和配合关系，破破坏零部件之间的相互位置和配合关系，破坏机械系统的精度，导致不能正常工作。坏机械系统的精度，导致不能正常工作。如齿轮轮齿发生塑性变形导致剧烈振动和噪如齿轮轮齿发生塑性变形导致剧烈振动和噪声；阀门控制弹簧发生塑性变形导致阀门无声；阀门控制弹簧发生塑性变形导致阀门无法正常开启。法正常开启。3）过量的弹性变形过量的弹性变形会造成零件的破坏，降低机械系统的运动精度，会造成零件的破坏，降低机械系统的运动精度，导致不能正常工作。导致不能正常工作。如机床主轴的过量弹性变形会降低加工
12、精度、如机床主轴的过量弹性变形会降低加工精度、电机主轴的过量弹性变形会改变定子与转子间电机主轴的过量弹性变形会改变定子与转子间隙，影响电机性能。隙，影响电机性能。4）表面失效表面失效主要是指磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、主要是指磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等。压溃和腐蚀等。表面失效会改变零部件的配合关系、降低精度、表面失效会改变零部件的配合关系、降低精度、产生噪声和振动等，严重时导致零件卡死、零产生噪声和振动等，严重时导致零件卡死、零件被扭断等恶性失效。件被扭断等恶性失效。5）破坏正常工作条件引起的失效破坏正常工作条件引起的失效如带传递的载荷超过带与带轮接触面间的最大如带传递的
13、载荷超过带与带轮接触面间的最大摩擦力时就会产生打滑，使带传动失效；摩擦力时就会产生打滑，使带传动失效；高速回转零件转速与系统固有频率接近时就会高速回转零件转速与系统固有频率接近时就会发生共振，使振幅增大，以致引起断裂失效；发生共振，使振幅增大，以致引起断裂失效；润滑不良时轴承会发生剧烈温升或卡死，润滑润滑不良时轴承会发生剧烈温升或卡死，润滑不良时蜗轮表面会发生剧烈磨损等。不良时蜗轮表面会发生剧烈磨损等。注意：同一零件可能有多种失效形式注意：同一零件可能有多种失效形式例如对于载荷稳定、一般用途的转轴，疲劳断例如对于载荷稳定、一般用途的转轴，疲劳断裂是主要失效形式；裂是主要失效形式；对于机床精密主
14、轴，过量的弹性变形是主要失对于机床精密主轴，过量的弹性变形是主要失效形式；效形式；高速回转的轴，共振、丧失振动稳定性可能是高速回转的轴，共振、丧失振动稳定性可能是主要失效形式。主要失效形式。3.1.2 机械零件的工作能力和设计准则机械零件的工作能力和设计准则应优先保证承载能力较小的零件的承载能力，应优先保证承载能力较小的零件的承载能力，按照承载能力的最小值设计。按照承载能力的最小值设计。1.强度设计准则强度设计准则强度是零、部件在载荷作用下抵抗断裂、塑性强度是零、部件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效的能力，是机械零件首先应该变形及表面失效的能力，是机械零件首先应该满足的基本要求。满足的
15、基本要求。)(剪切强度或拉伸强度ca应使危险剖面上的最大工作应力不超过许用应力应使危险剖面上的最大工作应力不超过许用应力:满足强度要求的另一表达式是使危险剖面上的满足强度要求的另一表达式是使危险剖面上的实际安全系数不超过许用安全系数实际安全系数不超过许用安全系数:limlimSSSS单向应力状态时22SSSSSS复杂应力状态时2.刚度设计准则刚度设计准则刚度是零、部件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度是零、部件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。yy 弹性变形量对于一般用途的轴，最大许用弯曲变形量可取为：对于一般用途的轴，最大许用弯曲变形量可取为：Ly)0005.00003.0(L为轴的跨距，单
16、位为为轴的跨距，单位为mm。3.精度设计准则精度设计准则精度是零、部件的基本指标。精度是零、部件的基本指标。精度指标用尺寸误差和形状位置误差值进行控制和保证。精度指标用尺寸误差和形状位置误差值进行控制和保证。4.寿命设计准则寿命设计准则影响零、部件实际寿命的主要因素：是材料的疲劳影响零、部件实际寿命的主要因素：是材料的疲劳和磨损及腐蚀引起的表面失效。和磨损及腐蚀引起的表面失效。为防止疲劳失效：按材料的疲劳极限进行疲劳强度计算。为防止疲劳失效：按材料的疲劳极限进行疲劳强度计算。为防止磨损：一方面应合理润滑，另一方面可采用条件性为防止磨损：一方面应合理润滑，另一方面可采用条件性计算，如限制压强计算
17、，如限制压强p、速度、速度v及及pv值。值。为防止腐蚀：选用耐腐蚀材料，采用表面镀层、喷涂漆膜及为防止腐蚀：选用耐腐蚀材料，采用表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等表面保护措施。表面阳极化处理等表面保护措施。5.振动稳定性准则振动稳定性准则主要是避免共振。主要是避免共振。应使零部件的固有频率应使零部件的固有频率f与激振频率与激振频率fp错开，即应满足错开，即应满足ppffff15.185.0或6.可靠性设计准则可靠性设计准则可靠性表示系统、机器或零、部件等在规定时间内能可靠性表示系统、机器或零、部件等在规定时间内能正常工作的能力。可靠性用可靠度正常工作的能力。可靠性用可靠度R来表示。来表示。3
18、.2 设计机械零件应满足的基本要求及其设计方设计机械零件应满足的基本要求及其设计方法法3.2.1 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求1.工作可靠：规定使用寿命内不发生各种失效。工作可靠：规定使用寿命内不发生各种失效。2.结构工艺性好结构工艺性好3.成本低廉，经济性好成本低廉，经济性好3.2.2 机械零件的设计方法机械零件的设计方法1.理论设计：（理论设计：（1）设计计算；（设计计算；（2）校核计算。校核计算。2.经验设计：是根据已有设计与实际使用而归纳出的经经验设计：是根据已有设计与实际使用而归纳出的经验公式和数据，或用类比法进行的设计。简单方便。验公式和数据，或用类
19、比法进行的设计。简单方便。3.模型实验设计：对尺寸较大、结构复杂、工况条件特模型实验设计：对尺寸较大、结构复杂、工况条件特殊又难以进行理论计算的重要零部件，为提高设计可殊又难以进行理论计算的重要零部件，为提高设计可靠性，即做出小模型或小尺寸的样机，通过模型或样靠性，即做出小模型或小尺寸的样机，通过模型或样机的实验，考核其性能并取得必要数据，然后根据实机的实验，考核其性能并取得必要数据，然后根据实验结果修改原初步设计，逐步完善。该方法费时、费验结果修改原初步设计，逐步完善。该方法费时、费钱，只适用于特别重要的设计中。钱，只适用于特别重要的设计中。4.虚拟样机技术虚拟样机技术随着计算机技术的发展，
20、出现了许多现代设计方法，如随着计算机技术的发展，出现了许多现代设计方法，如可靠性设计、最优化设计、计算机辅助设计（可靠性设计、最优化设计、计算机辅助设计（CAD）、）、并行设计等，并已形成机械结构设计、性能分析和结构并行设计等，并已形成机械结构设计、性能分析和结构优化的一体化技术和软件，实现了整机设计阶段的可视优化的一体化技术和软件，实现了整机设计阶段的可视化，即虚拟样机技术，强化了设计阶段对产品性能的预测化，即虚拟样机技术，强化了设计阶段对产品性能的预测手段，如虚拟设计和装配集成、三维设计和有限元分析手段，如虚拟设计和装配集成、三维设计和有限元分析集成等。集成等。使设计更科学、更完善，大大缩
21、短了机械产品的开发周期、使设计更科学、更完善，大大缩短了机械产品的开发周期、减少了开发费用，是未来设计方法的发展方向。减少了开发费用，是未来设计方法的发展方向。3.3 机械零件的强度和刚度设计方法机械零件的强度和刚度设计方法机械零件的强度和刚度设计方法主要是保证危险截面上的机械零件的强度和刚度设计方法主要是保证危险截面上的应力小于许用应力、最大变形或转角在允许的范围内。应力小于许用应力、最大变形或转角在允许的范围内。静强度和刚度设计方法只适用于静载或瞬时大载荷冲击；静强度和刚度设计方法只适用于静载或瞬时大载荷冲击；交变载荷作用下：需要进行疲劳强度和动态刚度设计；交变载荷作用下：需要进行疲劳强度
22、和动态刚度设计；多种复合载荷作用下：先按单一载荷计算产生的应力，多种复合载荷作用下：先按单一载荷计算产生的应力，再采用合适的强度理论进行合成计算。再采用合适的强度理论进行合成计算。3.4 机械零件的精度设计方法机械零件的精度设计方法3.4.1 公差对机械零件的影响公差对机械零件的影响精度设计的目标：将总公差合理分配到每一个尺寸上，使精度设计的目标：将总公差合理分配到每一个尺寸上，使所有零件的精度协调、公差值合理、成本和质量恰到好处。所有零件的精度协调、公差值合理、成本和质量恰到好处。3.4.2 公差分析方法：极值法和统计法。公差分析方法：极值法和统计法。3.4.3 公差分配原则与公式：等公差值法和等公差等级法。公差分配原则与公式：等公差值法和等公差等级法。3.4.4 公差设计的依据和步骤公差设计的依据和步骤3.5 机械零件的动态性能设计方法机械零件的动态性能设计方法主要内容包括：主要内容包括：1 建立符合实际的动力学模型。建立符合实际的动力学模型。2 选择有效的动态优化设计方法。选择有效的动态优化设计方法。3.6 机械零件的可靠性设计方法（略）机械零件的可靠性设计方法（略）
