1、机械设计李兴华第一篇 总 论在这一篇中主要介绍本课程的主要内容、性质、任务及一般机械设计的共性问题。第一章 绪 论一、学习目的在机械原理课程中，学过机械是机构和机器的总称，机器是机构的组合体，各构件之间具有确定的相对运动，而且，可以用来代替人类的体力劳动以完成所需要的有效功或转化机械能。故机器的主要优点是：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和改善劳动条件，因此，机械工业能够起到为国民经济各部门提供技术装备和促进技术改造的作用。通过大量设计、制造和广泛使用各种各样先进的机器，就能促进国民经济的高度发展。从世界角度来看：工业化国家的物质财富
2、约60%80%来自制造业,制造业是国民经济的核心和工业化的原动力，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。而机械产品及其制造系统的创新是提高企业竞争力的关键因素。从20世纪初到60年代末，机械设计业的竞争是以成本为测度的数量扩张时代，企业核心竞争力因素是成本最低，即规模经济方式，在这种情况下，对于大多数进行工业化的国家和地区来讲，需要的不是产品创新，而是引进产品与生产设备。在70年代到80年代末它转变为产品质量的竞争。经过这几十年的成本与质量的竞争后，使多数国家和地区已经实现或可重现至今仍占主流的中低技术产品（占80%90%的世界产品）的制造，且彼此间质量的差距越来越小，而发展中国家与地区在
3、成本方面则占有优势。因此，在未来的市场竞争中，企业竞争力的主要因素将变化为新产品创新与改进的设计开发能力及其上市的速度。由此可知各国经济的竞争，归根结底是设计和制造能力的竞争。竞争的焦点之一是设计，成功的设计赢的了市场，设计是科技成果转化为生产力的纽带，设计是引进技术实现国产化的重要环节，设计是影响产品技术与经济指标的关键，制造则是将科技转化为财富的最后环节。原动部分 传动部分 执行部分 辅助部分机械系统都是由部件和零件组成：部件为完成某些功能而由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体；联轴器，减速器等。零件是组成机械的基本单元二、学习内容(一)机器的组成机器的主体部分是机械系统
4、通用零件专用零件轴系部件的构成轴齿轮键键 联轴器套筒轴承轴承(二)机器设计的主要内容1、机器工作原理的选择首先分析机器的总功能，为实现此总功能，机械常必须由若干部分组成，每部分具有一定的分功能，然后，分析利用什么工作原理可以实现这些功能。一般实现同样的功能可以有多种不同的工作原理，应根据具体情况经全面分析对比后选择其中的最优方案。2、机器的运动设计根据选定的工作原理要求，确定机器执行部分所需的运动及动力条件，然后结合预定选用的原动机类型及性能参数，进行机器的运动设计，即选择与设计机器的机构组合（传动部分）把原动机的运动转变为执行部分所预期的机械运动。3、机器的动力设计根据机器的工作特性，确定执
5、行部分的工作阻力、工作速度和传动部分的总效率等，算出机器所需的驱动功率，并结合机器的具体工作情况选定一台（或按各个传动系统的需要选定几台）合用的原动机进行驱动。4、零、部件工作能力设计根据机器传递的功率、运动特性和各个零、部件的具体工作情况，计算出任一零、部件上的载荷，进而从机器的总体出发考虑各个零、部件所需的工作能力（强度、刚度、寿命等）、体积、重量及技术经济性等一系列问题设计或选择出各个零、部件。(三)本课程的主要内容是讨论一般尺寸和参数的通用零件的设计和计算方法，主要涉及三大类零件：1、连接零件：主要任务是连接两个相对静止的零件，如螺纹连接、键连接。2、传动零件：主要任务是传递运动和动力
6、，如带传动、齿轮传动、蜗杆传动。3、轴系零件：主要任务是支承或连接传动零件，如轴、轴承、联轴器。(四)本课程的性质是以一般通用零件的设计为核心的设计性课程，而且是论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。(五)任务1、通过本课程的学习，树立正确的设计思想2、掌握一般通用零件的工作原理、特点、选用及设计理论和计算方法。3、了解机器的设计原则和主要内容4、具有设计机械传动部件和较为简单的机械的能力以及相应的分析问题与解决问题的能力。5、综合运用在先修技术课程中所学的有关知识与技能，结合设计实践进行机械工程技术人员必要的基本锻炼，为学习专业课和毕业设计打下基础。(六)在专业教学计划中的地位与作用本
7、课程是机械类专业教学计划中的主干课程之一，要求学生结合本课程的学习，能够综合运用所学的基础理论和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，设计出合用的零部件及简单的机械。本课程是从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，具有从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。本课程所讨论的内容都是通用机械零部件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法，都是一般机械工程技术人员必备的基础。三、学习方法因本课程所涉及的理论范围和实际知识均较广泛，所研究零件的类型多、特点多，而且进行分析与设计的方法也较多，所遇到的问题比较复杂，所以与基础课程的性质及学习方法有很大差别。1、零件的类型、结构2、工作
8、原理、工作条件3、工作情况分析运动、力、应力分析4、判定失效形式设计（承载能力）准则（正常工作条件）5、推导出具体计算式（设计性、校核性）6、设计步骤7、合理结构设计材料、热处理维护基本技能基本理论基本知识第二章 机械及机械零件设计概要2-1对机器的主要要求及设计程序设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。一般有以下要求：一、要求(一)使用功能要求所设计制造的机器必须具有预定的解决生产或生活问题的功能。(二)经济性要求1、设计制造的经济性：机器的成本要低2、使用经济性：高生产率，高效率，较少的消耗能源，原材料和辅助材料以及低的管理和维护费用。(三)劳动保护要
9、求1、安全方便减少操作手柄，合适的操作位置，合理的操作力，操作方式等2、改善工作环境符合劳动保护法规的要求(四)可靠性要求可靠性要求是在机器的组成日趋复杂的背景下发展起来的。机器的可靠度R是指在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境条件下，机器能够正常地完成其功能的概率。(五)其他专用要求 对不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。P10二、设计程序传统设计法降噪废气废水废液处理开发性设计法 P51、计划阶段2、方案设计阶段3、技术设计阶段4、技术文件编制阶段确定任务要求计划阶段提出任务分析对机器的要求组合几种可能的方案方案设计阶段机器功能分析提出可能的解决办法评价决策-选定方案选择材料、决定
10、尺寸技术设计阶段明确构形要求结构化评价决策-确定结构形状及尺寸零件设计、部件设计、总体设计编制技术文件技术文件编制阶段2-2 机械零件设计的一般步骤一、对零件的要求（一）避免在预定寿命期内失效的要求强度、刚度、寿命（二）结构工艺性要求在既定的生产条件下，能方便而经济地生产出来，并便于装配成机器。（三）经济性要求零件的生产成本要低（四）质量小的要求可以节约材料；可以减小惯性降低惯性载荷；（五）可靠性要求二、设计步骤1、选定类型2、工作情况分析3、失效分析4、材料选择工作能力计算准则5、设计性公式、校核性公式6、主要参数和尺寸7、结构设计8、零件工作图影响因素2-3 机械零件的主要失效形式、计算准
11、则和设计方法一、机械零件的主要失效形式 机械零件由于某些原因不能正常工作时称为失效。失效形式零件本体失效零件表面失效强度无相对运动有相对运动受力表面不受力表面腐蚀失效振动：弹性变形过大失效共振失效、噪声超过标准压杆失稳失效静载断裂失效疲劳断裂失效冲击断裂失效（带）打滑失效（螺栓）松脱失效磨损失效疲劳点蚀失效过度发热（胶合）失效挤压强度失效（压溃）稳定性：刚度：二、机械零件的计算准则（一）强度准则强度-零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。，（二）刚度准则刚度-零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。y y（三）寿命准则（四）振动稳定性准则（五）可靠性准则三、机械零件的设计和计算方法1、理论设计
12、根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计杆的拉伸强度计算FF强度条件：（1）设计计算:确定构件的主要参数 slimFA 或 F/A （2）校核计算：判断构件是否安全 F/A 或 sScalim2、经验设计根据某些零件长期以来的设计与使用经验归纳出经验公式或者设计者根据经验用类比法的方法所进行的设计如：箱体、机架、传动零件的结构要素等。3、模型实验设计对于尺寸巨大而结构复杂的重要零件，把初步设计的零、部件或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。4、现代设计方法计算机辅助设计，优化设计，可靠性设计，P202-4
13、机械零件材料的选用原则一、常用的材料是：P17静载荷塑性材料、脆性材料变载荷疲劳强度高，对应力集中敏感性小的塑性材料冲击载荷冲击韧性好的塑性材料二、选用原则：1、使用要求强度的要求金属材料：钢、铁、有色金属高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 陶瓷材料：复合材料：2、制造工艺要求毛坯制造耐磨性要求采用适合于表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等在高温下工作 采用抗蠕变性能好的铬钼钢或含铬、铝、硅的耐热不起皮钢大型零件大批量生产铸造毛坯小批量生产焊接毛坯中小型零件锻造毛坯大批量模锻小批量自由锻形状复杂零件铸造毛坯铸件：应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁、球墨铸铁焊件：应选用焊接性能好的材料，如普通碳
14、素钢锻件：应选用可塑性高的材料，如低碳钢机械加工：选用具有良好的切削性能易断屑、加工表面光滑、刀具磨损小等热处理：材料的可淬性、淬火变形倾向性等3、经济性要求 P19材料本身的相对价格材料的加工费用材料的利用率采用组合结构节约稀有材料材料的供应状况2-5 机械零件设计中的标准化零件的标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等制定出各式各样的大家共同遵守的标准。优越性：1.能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量、降低成本。2.统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性。3.采用了标准结构及零、
15、部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量。同时也简化了机器的维修工作。我国现行的标准有：国家标准（GB）、行业标准和企业标准三个等级。对于出口产品按国际标准（ISO）。目前，国家标准已靠近国际标准。系列化：对于同一产品，为了符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列。第三章 机械零件的强度3-1 强度计算中的载荷与应力一、强度计算中的载荷载荷：进行强度计算所依据的作用于零件上的外力F、弯矩M、扭矩T等。1.静载荷与变载荷静载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷变载荷随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷2.公称载荷与计算载荷 Fca=
16、K*Fn二、强度计算中的应力1.工作应力与计算应力2.极限应力与许用应力=lim/S3.静应力与变应力静应力应力的大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力变应力应力的大小和方向随时间变化的应力变应力稳定变应力周期、应力幅和平均应力保持为常数的变应力规律性不稳定变应力随机变应力 静应力tFA 周期变应力 tammin max最大应力：max最小应力：min平均应力：m=(max+min)/2应力幅：a=(max-min)/2应力比（循环特性）：g=min/max故变应力的大小可以用其中任二个参数表示。非稳定变应力t非规律非稳定变应力t规律性非稳定变应力对于稳定变应力的基本参数有：应力比=-1 对称
17、循环变应力应力比=0 脉动循环变应力应力比=1 静应力静应力：由静载荷产生。变应力：可由变载荷产生，也可能由静载荷产生。对称循环变应力tFwAA 脉动应力tA3-2 静应力时机械零件的强度计算强度准则是设计机械零件的最基本准则。静应力强度变应力强度 在零件的整个工作寿命期间，当应力的变化次数103时的通用机械零件，其失效形式为塑性变形或断裂，应进行静应力强度计算。ca在材料力学中有较详细的介绍。机械零件的强度3-3 变应力时机械零件的强度计算一、材料疲劳的两种类别应力循环次数在103 104时的疲劳破坏：称为应变疲劳也叫低周疲劳。应力循环次数 104时的疲劳破坏：称为高周疲劳。零件在变应力下工
18、作时，将因材料疲劳而产生断裂、零件疲劳断裂的进程：首先是金属表面滑移形成裂纹、继而扩展、终至断裂。零件在变应力作用下的疲劳强度破坏的判断指标是：疲劳极限。零件的疲劳极限是通过试验决定的，在材料的标准试件上加上应力比为的等幅变应力，通常是加上应力比=-1的对称循环变应力或=0的脉动循环的等幅变应力，并以循环的最大应力max表征材料的疲劳极限。通过试验记录出在不同的最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N，即得材料疲劳曲线。NmNKNNggg0AN BCD高周疲劳低周疲劳1/4103104N0循环基数无限寿命区lgg NlgNlgNlggNCDlgN0lggm1有限寿命区材料疲劳曲线CD曲
19、线上任何一点所代表的材料疲劳极限均称为有限寿命疲劳极限ND点所代表的是材料的无限寿命疲劳极限也称为持久疲劳极限有限寿命疲劳极限CNmNgggN疲劳强度设计有无限寿命和有限寿命二种不同的设计方法：1、无限寿命设计：要求零件在无限长的使用期内（NN0）不发生疲劳破坏。即取材料的无限寿命疲劳极限作为极限应力进行的强度设计。2、有限寿命设计：要求零件在一定的使用期内（NN0）不发生疲劳破坏。即取材料的有限寿命疲劳极限N作为极限应力进行的强度设计。对于钢材，受弯曲时中等尺寸：取m=9，N0=5*106较大尺寸：取m=9，N0=107二、极限应力线图（等寿命疲劳曲线）对同一种材料，采用不同的循环特性进行试
20、验，求得疲劳极限，并将其绘在m-a坐标系上，所得的曲线称为 极限应力线图amADA(0,-1)D(0/2,0/2)C(s,0)CGE曲线上任一点（m，a）的纵横坐标值之和即为某一应力比下的疲劳极限=m+a对于塑性材料，为了便于工程计算，常以简化的极限应力线图代替实际的极限应力线图直线AG的方程：ma-1直线CG的方程：试件的材料常数0012-mas失效形式的分析三、影响零件疲劳强度的因素应力集中、绝对尺寸、表面质量、强化处理1、应力集中的影响)1(111-qkk零件的有效应力集中系数 P412、绝对尺寸的影响零件的尺寸系数 P42111-d3、表面质量的影响零件的表面质量系数 P43111-4
21、、强化处理的影响零件的强化系数 P44111-qq5、综合影响系数qkK-111材料无限寿命疲劳极限零件的简化极限应力线图综合影响系数主要影响零件的疲劳极限应力幅。m CaADG450A(0,-1)，D(0/2,0/2)，C(s,0)ADGGA(0,-1/k),D(0/2,0/2k)，C(s,0)零件无限寿命疲劳极限A(0,kN-1/k),D(kN0/2,kN0/2k)，C(s,0)零件有限寿命疲劳极限AD零件疲劳极限方程：meaeK-1smeae 屈服极限方程：四、单向稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算 S=lim/maxSBamC AN1.工作应力的典型增长规律1)应力循环特性为常数 g=
22、C2)平均应力为常数 m=C3)最小应力为常数 min=C2.注意：1）设计零件时，如难以确定应力增长规律，往往采用=C的公式。2）非对称循环变应力时，应注意验算静强度。1)g1)g常数常数FwAAamNtg常数=(1-a/m)/(1+a/m)=常数即：a/m=常数M安全系数1maxmaxlimSKSmaca-maxlimSSamsscagmin/max=(m-a)/(m+a)2)m 常数常数MN amtamminmaxmaxmin安全系数：)1maxmaxlimSKKSmamca-1aamaaeaSKS-min=常数常数MNamtminminmin 常数m-a=常数安全系数：)22minmi
23、n1maxmaxlimSKKSaca-)min1aaaaeaSKS-例1、已知：一单向旋转的转轴由45号钢制成（-1=380MPa、s=650MPa、B=900MPa、=0.1），转轴的弯曲疲劳综合影响系数K=2.0，试解答：（1）确定材料及零件的极限应力（am）图中A，B，A，B，C各点的坐标；以及角的大小？（2）如转轴在图中、四种情况下工作，则各应验算什么强度？又转轴在此时是否安全？例2：今有一合金钢制零件，已知其抗拉强度极限B=1000MPa，屈服极限S=800MPa，对称循环疲劳极限-1=485MPa，脉动循环疲劳极限0=650MPa，零件的有效应力集中系数k=1.26，零件的尺寸系数=0.78，零件的表面质量系数=1，零件的强化系数q=1，材料常数=0.2，如该零件承受工作变应力max=360MPa，min=100MPa。问：1）绘制此零件材料的简化极限应力图（a-m），在简单加载情况下，将零件的工作应力点N和材料的强度极限点E在图中标出。2）当疲劳许用安全系数S和静强度许用安全系数SS均为1.5，校验此零件的强度是否安全？
