機械設計基礎概論

1、9第一章機械設計基礎概論【教學內容】：機器的組成及概念；機器和機械零件設計的基本知識及現(xiàn)代設計方法;本課程的性質、內容、任務及學習方法等?！净疽蟆浚好鞔_本課程研究的對象和內容、學習方法；掌握機械、機器、機構、構件和零件等概念的含義；了解機械零件的失效形式及設計計算準則、機械零件設計的標準化、系列化及通用化。【教學重點及難點機械、機器、機構、構件和零件等；機械零件的失效形式及設計計算準則。【教學方法:講授法多媒體教學、實訓教室現(xiàn)場教學【學時課堂教學：2學時；第一節(jié)機械工業(yè)發(fā)展概況（略）第二節(jié)機器的組成一、機器的組成1、機器和機構機器凡能實現(xiàn)確定的機械運動，又能作有用的機械功或完成能量、物料與

2、信息轉換和傳遞的裝置就稱為機器。機構一一一種用來傳遞運動和動力的可動的裝置。機器和機構最明顯的區(qū)別是：機器能作有用功，而機構不能，機構僅能實現(xiàn)預期的機械運動。兩者之間也有聯(lián)系，機器是由幾個機構組成的系統(tǒng)，最簡單的機器只有一個機構。機械機器和機構的統(tǒng)稱。2、構件和零件構件一一組成機器的各個相對運動的單元稱為構件，構件是運動的單元體。零件一一機械中不可拆的制造單元體。構件可以是單一零件，也可以是多個零件的組合體。構件是從研究機械運動觀點來看,零件是從機械制造方面來看。通用零件：螺釘、齒輪、軸、軸承、彈簧等專用零件：內燃機曲軸、活塞等。機械（器）構成層次關系：零件靜聯(lián)結動聯(lián)結機構機器例：內燃機分析3

3、、機器的分類：機器種類較多，根據(jù)用途不同，可分為：1）動力機器如：電動機、內燃機、發(fā)電機、液壓機，主要用來實現(xiàn)機械能量的轉換。2）工作機器如：軋鋼機、包裝機及各類機床、汽車、飛機、輪船、運輸機，主要用來完成有用機械功（搬運物品、變換物料）。3）信息機器如：復印機、傳真機、攝像機，主要用來獲取或處理信息。4、機器的組成部分：機器的組成如下:、本課程研究的主要內容1、各種常用機構及機器動力學的基本知識；2、通用零件的工作原理的工作原理、設計理論和計算方法；3、扼要介紹國家標準和有關規(guī)范。第三節(jié)機器應滿足的要求和設計制造程序一、機器應滿足的要求1、使用要求2、經(jīng)濟性要求3、社會要求4、可靠性要求5、

4、其他特殊要求、機器設計、制造的一般程序（一）可行性研究階段（二）方案設計階段（三）技術設計階段（四）施工設計階段（五）樣機試制階段（六）投產(chǎn)銷售階段第四節(jié)機械零件設計的基本知識一、機械零件設計的基本準則失效的概念：機械零件喪失工作能力或達不到設計要求的性能時，稱為失效。主要失效形式：破壞性失效、暫時性失效（一）強度1、體積強度強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機械零件的強度準則有兩種表示方法：1）用應力表示2）用安全系數(shù)表示SSIS=limCTI； Isl-其大小表式中：仃一最大計算應力；bL許用應力；Olim極限應力；S計算安全系許用安全系數(shù)；注：對于切應力，只須將上述

5、各公式中的仃換成T即可。對于一個具體的機械零件而言，兩差值h仃和S-S】可稱為安全裕度。示零件安全的程度。當計算應力。相同時，&越大，則越安全。I當許用應力k】相同時，仃越大，則越安全。2、表面強度1）表面擠壓強度仃p表不。當兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應力稱為擠壓應力，用在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為:仃pwOp擠壓應力過大時，接觸面將產(chǎn)生“壓潰”失效。相互擠壓表面上的擠壓應力相等。2）表面接觸疲勞強度對于高副接觸的機械零件，理論上是點、線接觸，但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處局部會產(chǎn)生很高的應力，這樣的

6、應力稱為表面接觸應力，用aH表示。實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環(huán)變化的，例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應力作用，脫離嚙合時不受應力作用。在接觸循環(huán)應力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為：仃HWH在接觸循環(huán)應力作用下，首先在金屬表面上形成很小的微裂紋，之后裂紋沿著與表面成銳角的方向發(fā)展，當?shù)竭_一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金屬剝落下來，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕是接觸應力作用下的失效形式，屬于疲勞破壞。點蝕的危害：（1） 破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。（2） 減小零件的有效工作面積。（二）剛度剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變

7、形的能力。如果零件的剛度不足，則有的零件會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機床的主軸如產(chǎn)生過大的彈性變性會影響所加工工件的精度；剛度條件為：實際變形量w許用變形量式中：實際變形量可用相關理論計算或由實驗方法確定。許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。注意：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。2）用合金鋼的代替碳鋼雖能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。（三）耐磨性耐磨性零件抗磨損的能力稱為耐磨性在滑動摩擦條件下工作的機械零件，常因為過度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復雜，因此，到目前為止對于磨損失效還沒有一個完善的計算方法。通常只進行條件性計算，通過限制影響磨損的主要條

8、件防止產(chǎn)生過大的磨損量。為防止產(chǎn)生過大的磨損應滿以下條件：壓強不超過許用值p1.15f式中：f零件的自激振動頻率fF外力變化的頻率.二、機械零件的疲勞強度（一）應力的類型和特點應力的種類一一靜應力一一變應力：周期性非周期性靜應力非對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應變應力的參數(shù)：bmax、bmin、ba、bm、r、T各參數(shù)之間的關系：（二）疲勞斷裂的特征和疲勞曲線1、疲勞斷裂：很多機械零件受變應力作用，即使變應力的0maxNa時，曲線為水平直線，對應的疲勞極限是一個定值，用仃表示。它是表征材料疲勞強度的重要指標，是疲勞設計的基本依據(jù)。在工程設計中，一般可以認為：當材料受到的應力不超過仃y時

9、，則可以經(jīng)受無限次的應力循環(huán)而不疲勞破壞。一一即壽命是無限的。2）有限壽命區(qū)：為了區(qū)別于仃y,把曲線上非水平段（NNO的疲勞極限仃網(wǎng)稱為條件疲勞極限。當材料受到的工作應力超過仃時，在疲勞破壞之前，只能經(jīng)受有限次的應力循環(huán)。即壽命是有限的。（注：不同應力比r時的疲勞曲線具有相似的形狀。但r越大，仃卬越大）。：rT仃如T、-N一-N注：大多數(shù)鋼的疲勞曲線形狀類似上圖所示。但是，高強度合金鋼和有色金屬的（仃-N）曲線沒有水平部分，不存在無限壽命區(qū)，因此，工程上常以認為規(guī)定一個循環(huán)基數(shù)n0，而將此基數(shù)N。下的條件疲勞極限作為表征材料疲勞強度的基本指標。也記為仃三、機械零件設計的一般步驟：1）根據(jù)零件的

10、使用要求，選擇零件的類型和結構；2）根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇合適的材料及熱處理方法；3）根據(jù)機器的工作要求，確定作用在零件上的載荷；4）根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，計算零件的主要參數(shù)和尺寸；5）根據(jù)工藝性和標準化等原則，進行零件的結構設計；6）仔細校核，判斷結構的合理性；7）繪制零件工作圖及編寫有關說明。四、機械零件的標準化、系列化、通用化在機械設計中應盡可能地遵循標準化的原則。機械產(chǎn)品標準化的內容包括標準化、系列化和通用化等三方面，簡稱機械產(chǎn)品的“三化”。標準化是對機械零件的種類、尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、公差配合及制圖規(guī)范等制定出相應的標準，供設計、制

11、造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、墊圈等的標準化。系列化是指產(chǎn)品按主要參數(shù)分檔，形成一定系列的產(chǎn)品，這樣可用較少規(guī)格的產(chǎn)品滿足不同的需要，如圓柱齒輪減速器系列，系列化是標準化的重要組成部分。通用化是對不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品，在設計中盡量采用相同的零件或部件，如幾種類型不同的轎車可以采用相同的輪胎。通用化是廣義的標準化。對產(chǎn)品實行標準化具有重大的意義： 在制造上可以實行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質量又能降低成本； 在設計方面可減少設計工作量，縮短設計周期； 在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換損壞的零件。五、現(xiàn)代機械設計方案簡介第五節(jié)機械零件的結構工藝性一、工藝性設計機械零件時，不僅應使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時還應當滿足生產(chǎn)要求，使所設計的零件具有良好的工藝性在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費勞動量最小，加工費用最少(工時少、設備少)的零件，就認為具有良好的工藝性。否則就可能制造不出來，或雖能制造但費工費料很不經(jīng)濟。工藝性要求包括加工工藝和裝配工藝二、工藝性的基本要求1) 毛坯選擇合理機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技術條件有關，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。2) 結構簡單合理設計零件的結構形狀時，最好采