華中科技大學機械設計1-機械設計第一章

機械設計

主講

陳繼勇（基礎篇）第一章機械設計概論§1-1本課程的主要內容及性質一、課程內容機械——機器與機構的總稱組成機械的基本單元：

機構——運動單元→機械原理

零件——制造單元→機械設計討論通用機械零部件的設計方法，如零部件的工作原理、工作能力、參數(shù)設計、結構設計等第一章概論關系：機械設計——參數(shù)設計和結構方案設計機械原理——原理方案設計零件通用零件專用零件傳動件連接件支承件其他—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺紋、鍵、花鍵、銷—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機架—水輪機葉片、活塞、曲軸機器是由機械零部件組成的整體，各個零件之間有緊密聯(lián)系。學習時應有整體的設計觀念。本課程重點討論通用機械零部件的設計方法。第一章概論－內容、性質及要求第一章概論－內容、性質及要求要學習的內容：第一章機械設計概論★★★第二章?lián)闲詡鲃釉O計★★★★第三章齒輪傳動設計★★★★★第四章蝸桿傳動設計★★★★★第五章連接設計★★★★★第六章軸設計★★★★★第七章滾動軸承的選擇與校核★★★★★第八章滑動軸承設計★★★第九章聯(lián)軸器、離合器和制動器★★★第十章彈簧設計★★二、課程的性質及重要性—設計性技術基礎課，綜合性強基礎課機械設計專業(yè)課—機械設計是影響機械產品性能、質量和成本的主要因素三、學習要求1、掌握通用機械零部件的設計方法和步驟；2、初步具備設計機械傳動裝置及簡單機械的能力；3、能在設計中運用各種技術資料（標準、規(guī)范、手冊）。第一章概論－內容、性質及要求四、學習方法1、掌握零件設計時的共性工作原理、結構、類型、應用場合受力分析、失效形式設計準則、設計計算2、不死記公式，理解并掌握基本概念著眼于分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。3、掌握機械設計的特點解的不唯一性和設計過程的反復性。第一章概論－內容、性質及要求教材及實驗指導書1、機械設計（基礎篇）張衛(wèi)國、饒芳等編，華工出版社2、機械設計課程設計唐增寶等主編，華工出版社3、機械設計現(xiàn)場教學指導書，自編，東一樓205室周、李4、機械設計實驗指導書，自編，東一樓205室周、李第一章概論－內容、性質及要求五、成績評定平時成績(30％)－作業(yè)、實驗、小測驗、考勤、課堂表現(xiàn)考試成績(70％)－閉卷考試注意：不無故缺課，不遲到、不早退；按時完成作業(yè)，杜絕抄襲第一章概論－內容、性質及要求課堂講授：28學時教

學

安

排現(xiàn)場教學：2學時地點：東一樓401＃帶傳動實驗：2學時地點：東一樓101＃周老師、李老師第1周周五7節(jié)，1105班第1周周五8節(jié)，1106班第4周周一5～6節(jié)，1105班第4周周四7～8節(jié)，1106班§1-2機械設計中的一般性問題（教材§1-3）一、設計機械零件的基本要求1、滿足功能要求能夠準確實現(xiàn)預定的功能2、工作可靠在預定的工作期限內不能失效3、成本低廉經濟、實用失效—喪失工作能力或達不到設計要求的性能， 不僅僅指破壞。失效形式主要有：—斷裂如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂—表面點蝕表面材料片狀剝落—塑性變形零件發(fā)生永久性變形—過大彈性變形—過度磨損—過大振動和噪聲、過熱等強度問題剛度問題耐磨性問題第一章概論－一般問題穩(wěn)定性問題零件的工作能力—50kN吊鉤最大起重量——50kN工作能力或承載能力——50kN第一章概論－一般問題這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為“承載能力”不失效條件下零件的安全工作限度二、承載能力判定條件（設計準則）同一零件可能發(fā)生各種不同形式的失效Fn軸可能出現(xiàn)的失效形式：斷裂強度條件： 工作應力≤許用應力

σ≤[σ]或τ≤[τ]剛度條件：實際變形量≤許用變形量

y≤[y]、θ≤[θ]、φ≤[φ]第一章概論－一般問題穩(wěn)定性條件：工作轉速n≤許用轉速[n]塑性變形過大彈性變形共振三、機械零件的設計步驟3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用承載能力判定條件，5、結構設計，繪制零件工作圖。受力分析傳統(tǒng)設計方法：

強度條件（或剛度）設計計算尺寸尺寸校核計算強度條件（或剛度）

理論設計（半經驗設計）1、擬訂零件的設計簡圖；2、確定載荷的大小及位置；第一章概論－一般問題設計出零件的主要參數(shù)；設計式校核式F

類比設計

與已有的同類產品進行比較來設計新產品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠。

經驗設計

根據(jù)實踐中歸納出的經驗公式和經驗數(shù)據(jù)進行設計，缺乏創(chuàng)新。

模型實驗設計用于大型、復雜零件的設計。第一章概論－一般問題現(xiàn)代設計方法：

優(yōu)化設計

對工程實際問題進行抽象，建立數(shù)學模型，用優(yōu)化方法求解，得出最佳設計結果。

計算機輔助設計（CAD）包括設計、繪圖和工程分析。

概率設計（可靠性）將概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論運用于機械設計。

有限元設計

并行設計第一章概論－一般問題

虛擬設計§1-3機械設計中的強度問題（教材§1-3-四）一、載荷及應力的分類1、載荷的分類靜載荷變載荷——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化名義載荷計算載荷——理想工作條件下的載荷——作用于零件的實際載荷計算載荷名義載荷=K×

載荷系數(shù)？載荷—作用于零件上的力或力矩第一章概論－機械零件的強度即：Fca

=

KF或Tca

=

KT≥12、應力的分類靜應力變應力——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化變應力穩(wěn)定變應力——周期性循環(huán)變應力非穩(wěn)定變應力——非周期性變應力穩(wěn)定變應力非對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力第一章概論－機械零件的強度載荷引起的表面應力或體積應力

σ=常數(shù)σmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσa對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力靜應力σtOσtOtσOσtO第一章概論－機械零件的強度Tσmin幾個應力參數(shù)循環(huán)特征：——表示應力變化的情況對稱循環(huán)—r=-1；脈動循環(huán)—r=0；非對稱循環(huán)—r≠0且|r|≠1;靜應力—r=+1用σr

表示循環(huán)特征為r

的變應力。如σ-1、σ0等平均應力：應力幅：對稱循環(huán):σm=0;σa

=σmax脈動循環(huán):σm=σa

=σmax

/2第一章概論－機械零件的強度注意：變載荷→變應力靜載荷→靜應力？或變應力nF●an二、靜應力作用下的強度問題(靜強度)主要失效形式：塑性變形或斷裂強度條件：σca

≤[σ]或τca

≤[τ]塑性材料：許用應力：σlim

、τlim

—極限應力

S—安全系數(shù)σlim

=σs

；τlim

=τs脆性材料：σlim

=σb

；τlim

=τbσs、τs—材料屈服極限第一章概論－機械零件的強度σmaxσminσtO●●●a●σb、τb—材料強度極限三、變應力作用下的強度問題(疲勞強度)主要失效形式：疲勞破壞初始裂紋疲勞區(qū)(光滑)粗糙區(qū)強度條件：σca≤[σ]σlim

=？疲勞破壞與零件的變應力循環(huán)次數(shù)有關NσσrNσrNN0疲勞曲線N—應力循環(huán)次數(shù)σrN—疲勞極限（對應于N）N0—循環(huán)基數(shù)σr—持久極限軸截面有限壽命區(qū)無限由此得：與應力狀態(tài)有關的指數(shù)第一章概論－機械零件的強度四、安全系數(shù)S通常S≥1變應力時，取

σlim

=σrN（有限壽命N

≤N0

）或σlim

=σr

（無限壽命N

＞N0