机械设计基础绪论

：
损 量
磨
跑合磨损 稳定磨损 急剧 磨损 时间
1）磨粒磨损 2）粘着磨损(胶合磨损) 粘着磨损(胶合磨损) 3）疲劳磨损(疲劳点蚀) 疲劳磨损(疲劳点蚀) 4） 腐蚀磨损
磨损曲线
0.4
机械制造中常用材料
碳素钢( Ｓ、Ｐ量)→普通、 碳素钢(含Ｓ、Ｐ量)→普通、优质碳素钢 普通 合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢…… 合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢 低碳钢(C%) 0.10～ 中碳钢0.25 0.25～ 高碳钢＞ 低碳钢(C%) 0.10～0.25 , 中碳钢0.25～0.60, 高碳钢＞0.60
b)两球接触
F
µ1 = µ2 = 0.3, E1 = E2 = E时 σ H max = 0.388 ,
3
FE2 2 pΣ
ρ2
2c
ρΣ——综合曲率半径
1 1 1 = ± pΣ p1 p2 接 + →外 触 接触 − →内
1 2
F
1 3
说明：1）圆柱体
σ H max ∝ F
，球
σH max ∝ F
在设计过程中，这些步骤又是相互交错、反复进行的。
0.2 机械设计的内容与步骤
条件性计算：
在设计机械零件时往往是将较复杂的实际工作情况 进行一定的简化，这些计算或多或少带有一定的条件性 或假定性。
0.3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则
一、机械零件的失效形式 失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 失效 失效形式：强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 失效形式 强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、
基本组合体称为机构。 基本组合体称为机构。
0.1 机械设计的基本要求
机械设计包括以下两种设计:
应用新技术、新方法开发创造新机械； 在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。
1.1.1 设计机械零件的基本要求
工作可靠并且成本低廉; 零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能 出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。 失效:指零件由于某些原因不能正常工作。
0 绪 论
1、机械： 机械： 机械 是机器和机构的总称
机器（三个特征）： 机器
①人为的实物组合 实物组合（不是天然形成的）； 实物组合 ②各运动单元具有确定的相对运动 确定的相对运动； 确定的相对运动 ③必须能作有用功，完成物流、信息的传递及 必须能作有用功，完成物流、 必须能作有用功 能量的转换。 能量的转换。
σ (τ )
σ ca (τ ca )
0.3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 二） 机械零件的主要失效形式和设计计算准则(二 2.接触应力 2.接触应力 高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接 触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使 表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接 触应力作用下的零件强度称为接触强度 F 计算依据：弹性力学的赫兹公式 1）、接触应力 a)两圆柱体接触
0.1 机械设计的基本要求
设计机械零件要注意以下几点：
（1）合理选择材料，降低材料费用； （2）保证良好的工艺性，减少制造费用； （3）尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而 降低成本。
0.2 机械设计的内容与步骤
现代设计方法： 优化设计、可靠性设计、稳健设计、并行设计、 虚拟设计、智能设计、绿色设计 常规设计方法： 理论设计、经验设计和模型实验设计等。
0.2 机械设计的内容与步骤
机械设计的过程通常可分为以下几个阶段：
（1）产品规划 产品规划的主要工作是提出设计任务和明确设计要求。 （2）方案设计 由设计人员构思出多种可行方案进行分析比较，从中优选 出一种方案。 （3）技术设计 设计结果以工程图及计算书的形式表达出来。 （4）制造及试验 经过加工、安装及调试制造出样机，对样机进行试运行或 在生产现场试用。
y ≤ [ y ],θ ≤ [θ ], ϕ ≤ [ϕ ]
0.3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 二） 机械零件的主要失效形式和设计计算准则(二 3、刚度 零件在载荷作用下， 零件在载荷作用下，抵抗弹性变形的能力。
y ≤ [ y ], θ ≤ [θ ] , ϕ ≤ [ϕ ]
4、耐磨性
运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。 运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零 磨损 件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性 耐磨性。 件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。 磨损↑ →间隙↑ 精度↓、效率↓、 振动↑、 冲击↑、噪音↑ 冲击↑ 噪音↑ 磨损↑、 间隙↑、 精度↓ 效率↓ 振动↑ 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。 80 磨损的主要类型
∴σHmax与F不呈线性关系
σHmax σHmax
σ H max
1 pΣ 1 = 3 bF[ ] 2 2 π 1− µ1 1− µ2 + E1 E2
ρ1
0.3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 二） 机械零件的主要失效形式和设计计算准则(二 2）圆柱体
σ H max
1 ∝ 1 pΣ2
Hale Waihona Puke ，球σ H maxσmax = σm +σa σ min = σ m −σ a σmax +σmin σm =
σa = σmax −σmin
2
2
b) 稳定循环变应力种类： γ = –1 ——对称循环变应力
σmin γ= σmax
−1< γ < +1
-1< γ<+1——不对称循环变应力 γ =+1 —— 静应力
γ = 0 —— 脉动循环变应力
F(
ρ1
σH =
πb[(
1− µ 1− µ ) +( )] E E2 1
2 1 2 2
ρ∑
1
)
σHmaxσHmax
b 2a
ρ2
µ1 = µ2 = 0.3, E1 = E2 = E,σ H max = 0.418
FE bpΣ
F
0.3 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 二） 机械零件的主要失效形式和设计计算准则(二
1 ∝ 2 pΣ3
∴ρΣ越大， σHmax越小 3）同样的p1、p2下，内接触时ρΣ较小， σHmax较小，约为 外接触时的48%，∴重载情况下，采用内接触，有利 于提高承载能力或降低接触副的尺寸。 2）、失效形式 静应力: 表面压碎 ——脆性材料, 表面塑性变形——塑性材料 变应力：疲劳点蚀——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。
典型机器的分析： 典型机器的分析： 内燃机 组成： 组成
汽缸体1 汽缸体1、 排气阀4 排气阀4、 凸轮7 凸轮7、 活塞2 活塞2、 连杆5、 连杆5 顶杆8 顶杆8、 进气阀3 进气阀3、 曲轴6 曲轴6、 齿轮9 齿轮9、10
7 8
3
4
2 1 5 6
工作原理： 工作原理：
1.活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸； 活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在 活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 顶部点火燃烧； 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。 9 10
0.2 机械设计的内容与步骤
设计机械零件的一般步骤如下：
（1）根据机器的具体运转情况和简化的计算方案确定零件 的载荷。 （2）根据零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从 而确定其计算准则。 （3）进行主要参数选择，选定材料，根据计算准则求出零 件的主要尺寸，考虑热处理及结构工艺性要求等。 （4）进行结构设计。 （5）绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及 有关技术文件。
构件可由一个或几个零件组成。 构件可由一个或几个零件组成。
机架：机构中相对不动的构件 机架： 原动件：驱动力（或力矩）所作用 原动件：驱动力（或力矩）
的构件。 输入构件 的构件。→输入构件
从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。 从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。
→ 输出构件
机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架） 机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的
机构：有①②两特征。 机构： ①②两特征。 两特征
典型机器的分析
机器和机构最明显的区别是 机器和机构最明显的区别是： 区别 机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。 能实现预期的机械运动 机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。 两者之间也有联系 机器是由几个机构组成的系统， 联系， 两者之间也有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单 的机器只有一个机构。 的机器只有一个机构。
机械的组成： 机械的组成：
1.原动机：机械动力的来源 原动机： 原动机 2.工作机：能完成机械预期的动作 工作机： 工作机 3.传动部分： 传动部分： 传动部分 把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节 4.自动控制部分 自动控制部分
2、几个概念 、 构件： 构件：运动单元体 零件： 零件：制造单元体
0.7％ 常用牌号及力学性质( 一、钢: 含Ｃ量＜0.7％→常用牌号及力学性质(表0-1)
0.15～0.6）％ ）％→ 二、铸钢(ZG)：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型 铸钢(ZG)： (ZG)
铸铁: 铸铁
含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差 Ｃ＞2.06％ 易成型、价廉、吸振、 2.06
好处： 好处：
（1）由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、 由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、 降低成本； 降低成本； （2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期； 选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期； （3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具 选用参数标准化的零件， 和量具的规格； 和量具的规格； （4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。 具有互换性，从而简化机器的安装和维修。