西工大机械设计课件完整版
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第一章 机械及机械零件 设计概要
本章论述了机械设计课程教学内容总纲、设计基本 知识和一些共性问题。
一、机械（机器）的组成 二、机械设计步骤 三、零件的设计步骤 四、课程的主要内容 五、课程的特点 六、学习要求 七、达到的水平（国家教委制定）
zpofrp 2013-10-23
一、机械（机器）的组成
我们以洗衣机为例，来说明机械的组成：
其中：max—变应力最大值；min—变应力最小值；m—平均应力； a—应力幅；r—循环特性，-1 r +1。
由此可以看出，一种变应力的状况，一般地可由max、min、m、 a及r五个参数中的任意两个来确定。
zpofrp 2013-10-23
三、几种特殊的变应力
特殊点：
0
m t
5、变应力特性max、min、m、a及r等五个参数中的任意 2 来描述。
（1）一个；（2）两个；（3）三个；（4）四个。
zpofrp 2013-10-23
6、机械零件的强度条件可以写成 3 。
（1） ， 或 S S ，S S （2） ， 或 S S ，S S （3） ， 或 S S ，S S （4） ， 或 S S ，S S
Sm in
刚度准则： y y
寿命准则：（表示耐磨程度）
zpofrp 2013-10-23
下面我们以设计千斤顶立柱为例，来说明机械零件的设计步骤：
车自重W=2000kg=2吨 s为屈服极限
l d
4W
d 2
s
Sm in
由此可求出d；其中Smin根据工作环境来定。
zpofrp 2013-10-23
150
200
a
50 0 min
-100
max
m
t
zpofrp 2013-10-23
例2 已知：a= 80N/mm2，m=－40N/mm2 求：max、min、r、绘图。
解：
max m a 40 (80) 120
min m a 40 (80) 40 r min 40 1 max 120 3
进水
电动机
涡轮 排水
控制部分：正转时间 反转时间
皮带传动
图1 洗衣机机构示意图
辅助系统
原动机
传动机
工作机
zpofrp 2013-10-23
控制系统
图2 机械（机器）的组成（按功能分）
• 原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源； • 执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分； • 传动部分是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变 为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。
以上是从功能上分析机械的组成，下面从结构上看：
零件：是机械的制造单元，机器的基本组成要素就是机 械零件。 部件：按共同的用途组合起来的独立制造或独立装配的 组合体。 如减速器、离合器等。 按大小来分：
机械（机器）
部件
零件
zpofrp 2013-10-23
图3 机械（机器）的组成（按大小分）
二、机械设计步骤
计划阶段
提出要求 自动进水
洗衣机 洗 涤
方案设计
甩干（脱水） 单 缸 模糊控制
提出尽可能多的解决方法 双 缸 自适应控制 滚 筒 双模控制
筛选、决策、评价（可靠性、经济上），选出最佳方案。
技术设计
目的：确定机械中各个零部件的结构尺寸（量化） 绘图、对方案具体实施，出图。
技术文件编制： 编制设计计算说明书。
基本理论
疲劳强度理论
摩擦、磨损与润滑
五、特点
1、实践性比较强。理论性差一些，经验、半经验公式，实验得出比 较多；理论推导出的比较少，答案不唯一。
2、综合性比较强。 受力分析 《理论力学》
应力分析 《材料力学》
材料选择 《材料与热处理》 3、承上启下的作用。它是最后一门专业基础课，起到承接基础课和
专业课的桥梁作用。
例4 如图示旋转轴，求截面A上max、min、a、m及r。
Pr=6000
A
d=50
b弯曲应力
Px=3000N 150
l=300
解：Pr A：对称循环变应力
b
M W
Pr
2
l 2
d3
6000 300 0.4 503
36 N
mm2
32
Px A：静压力
c
Px
1 d 2
zpofrp 2013-10-23
三、零件的设计步骤
• 失效的定义：在正常的工作条件下，机械零件丧失工作能力或达 不到工作性能要求时，就称为零件失效。
整体断裂 机械零件的失效形式 过大的残余变形
腐蚀、磨损和接触疲劳
强度
机械零件的工作能力 刚度 寿命（耐磨性、耐腐蚀性）
机械零件计算准则
强度准则：
lim
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六、要求
以听课为主，自学为辅，考试内容以讲课和要求自学的为主， 答疑两周一次，具体时间待定。考核 20%+80% 平时作业质量、 出席情况、实验数目占20%，期末考试占80%，要求课内：课外 用时是1：2。
七、水平
1）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具 有设计机械传动装置和简单机械的能力；
么？ 4、机械零件有哪些主要的失效形式？ 5、机械零件常用的有哪些计算准则？它们是针对什么失效形式而建
立的？ 6、机械零件设计的一般步骤有哪些？
第一章结束
zpofrp 2013-10-23
第二章 机械零件的疲劳强度计算
一、变应力的分类 二、变应力参数 三、几种特殊的变应力 四、疲劳曲线（对称循环变应力的—N曲线） 五、（非对称循环变应力的）极限应力图 六、影响疲劳强度的因素 七、不稳定变应力的强度计算 八、复合应力状态下的强度计算（弯扭联合作用）
zpofrp 2013-10-23
一、变应力的分类
变应力
对称
简单 脉 动
稳定
循环变应力（周期）
复合
非对称
不稳定循环变应力
随机变应力（非周期）
周期
时间t
a）稳定循环变应力
a）随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称 为稳定循环变应力。如图2-1a所示。
zpofrp 2013-10-23
8、制图：设计最后都是用图纸来表达，然后拿到工厂去加工。
这不仅是零件设计的一般步骤，而且也是讲课的顺序。
zpofrp 2013-10-23
四．课程的主要内容
概括地说，机械零件可以分为两大类： 传动件
零件
通用零件 专用零件
连接件 轴系件 其他
（如螺钉、齿轮、链轮等）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
本书讨论的具体内容是：（设计方法、步骤、原理）
min
m
a
m a max min
2
max min
2
r min max
a
0 min
max
0
m t
图2-2稳定循环变应力
min a
t m
max
规定：1、a总为正值； 2、a的符号要与m的符号保持一致。
3000
1 502
1.528N
mm2
4
4
zpofrp 2013-10-23
max b c b c 37.528
min b c b c 34.472
a b 36 m c 1.528
2）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策； 3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；
《机械设计手册》—其中的一个标准是查手册的能力； 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技术的基本训练； 5）对机械设计的新发展有所了解。
zpofrp 2013-10-23
习题
1、机器的基本组成要素是什么？ 2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例？ 3、一台完整的机器通常是由哪些基本部分组成？各部分的作用是什
zpofrp成2。013-10-23
例1 已知：max=200N/mm2，r =－0.5，求：min、a、m。 解：
min r max 0.5 200 100
m
max
min
2
200 100 2
50
a
max min
2
200 100 2
静应力
max=min=m a=0 r=+1
0
max t
对称循环变应 力
min
max=min=a
m=0
r=-1
脉动循环变应
max
力
0
min
m t
min=0 a=m=max/2
不属于上述三类的应力称为非对称循环应力r，=0 其r在+1与-1之间，
它可看作是由第一类（静应力）和第二类（对称循环应力）叠加而
0
31.2N/mm2 t
-130N/mm2
4、发动机连杆横截面上的应力变化规律如题3图所示，则其应力幅a和平
均应力m分别为 2 。
（1）a = －80.6Mpa，m = 49.4Mpa；（2）a = 80.6Mpa，m = -49.4Mpa； （3）a = 49.4Mpa，m = －80.6Mpa；（4）a = －49.4Mpa，m = － 80.6Mpa。
• 机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：
1、载荷分析（受力分析）：W
2、应力分析：
4W d 2
3、失效分析：断裂
s
4、材料的选择：45#钢、40Cr>s（手册查到）
5、确定计算准则：（依据防止断裂失效）
6、计算零件的主要尺寸：
d
4W
7、结构设计l：（根据人体的情况，操作情况）其他尺寸
a
0 min
max
0
m t
图2-2稳定循环变应力
min a
t m
max
。 图2-2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律
零件受周期性的最大应力max及最小应力min作用，其应力幅为a， 平均应力为m，它们之间的关系为
zpofrp 2013-10-23
max m a
2、下列四种叙述中 4 是正确的。
（1）变应力只能由变载荷产生；（2）静载荷不能产生变应力；（3） 变应力是由静载荷产生；（4）变应力是由变载荷产生，也可能由静 载荷产生。
zpofrp 2013-10-23
3、发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比r
为 2。
（1）0.24；（2）-0.24；（3）-4.17；（4）4.17。
250
m
max
min
2
400 100 2
150
100
0
a
m
t
-150
r min 100 1 0.25
-400
max 400 4
a
0
t＋
0
m
= 稳定循环变应力 t
zpofrp 2013-10-23
R=－1对称循环
R=＋1静应力
周期 t
b）不稳定循环变应力
b）若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图2-1b所示，则称为 不稳定循环变应力。
尖 峰 应 力
C）随机变应力 图2-1变应力的分类 c）如果变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图 2-1c所示。
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二、变应力参数
图2-2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。
40
0 -40
-120 zpofrp 2013-10-23
min a
t m
max
例3 已知：A截面产生max=－400N/mm2，min=100N/mm2
求：a、m，r。
Fr
a Fa
Fa
b弯曲应力
Fr
A
M
解：
a
max min
2
400 100 2
250
r 0.919
36
b
0
t ＋0
c
-1.528
-36
Pr（对称循环）
zpofrp 2013-10-23
Px（静应力）
34.472 a
=0
m
t
t
-37.528
合成后（稳定循环变应力 ）
第二章 机械零件的疲劳强度计算（习题）
一、选择题 1、机械设计课程研究的内容只限于 3 。
（1）专用零件和部件；（2）在高速、高压、环境温度过高或过低 等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件；（3） 在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件；（4）标准化 的零件和部件。
1） 传动部分—带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及螺旋传 动等；
2） 联接部分—螺纹联接，键、花键及无键联接，销钉联接，铆接 、焊接、胶接与过盈配合联接等；
3） 轴系部分—滑动轴承、滚动轴承、联轴器与离合器以及轴等； 4） 其他部分—弹簧、机座与箱体、减速器等；
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本章论述了机械设计课程教学内容总纲、设计基本 知识和一些共性问题。
一、机械（机器）的组成 二、机械设计步骤 三、零件的设计步骤 四、课程的主要内容 五、课程的特点 六、学习要求 七、达到的水平（国家教委制定）
zpofrp 2013-10-23
一、机械（机器）的组成
我们以洗衣机为例，来说明机械的组成：
其中：max—变应力最大值；min—变应力最小值；m—平均应力； a—应力幅；r—循环特性，-1 r +1。
由此可以看出，一种变应力的状况，一般地可由max、min、m、 a及r五个参数中的任意两个来确定。
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三、几种特殊的变应力
特殊点：
0
m t
5、变应力特性max、min、m、a及r等五个参数中的任意 2 来描述。
（1）一个；（2）两个；（3）三个；（4）四个。
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6、机械零件的强度条件可以写成 3 。
（1） ， 或 S S ，S S （2） ， 或 S S ，S S （3） ， 或 S S ，S S （4） ， 或 S S ，S S
Sm in
刚度准则： y y
寿命准则：（表示耐磨程度）
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下面我们以设计千斤顶立柱为例，来说明机械零件的设计步骤：
车自重W=2000kg=2吨 s为屈服极限
l d
4W
d 2
s
Sm in
由此可求出d；其中Smin根据工作环境来定。
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150
200
a
50 0 min
-100
max
m
t
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例2 已知：a= 80N/mm2，m=－40N/mm2 求：max、min、r、绘图。
解：
max m a 40 (80) 120
min m a 40 (80) 40 r min 40 1 max 120 3
进水
电动机
涡轮 排水
控制部分：正转时间 反转时间
皮带传动
图1 洗衣机机构示意图
辅助系统
原动机
传动机
工作机
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控制系统
图2 机械（机器）的组成（按功能分）
• 原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源； • 执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分； • 传动部分是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变 为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。
以上是从功能上分析机械的组成，下面从结构上看：
零件：是机械的制造单元，机器的基本组成要素就是机 械零件。 部件：按共同的用途组合起来的独立制造或独立装配的 组合体。 如减速器、离合器等。 按大小来分：
机械（机器）
部件
零件
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图3 机械（机器）的组成（按大小分）
二、机械设计步骤
计划阶段
提出要求 自动进水
洗衣机 洗 涤
方案设计
甩干（脱水） 单 缸 模糊控制
提出尽可能多的解决方法 双 缸 自适应控制 滚 筒 双模控制
筛选、决策、评价（可靠性、经济上），选出最佳方案。
技术设计
目的：确定机械中各个零部件的结构尺寸（量化） 绘图、对方案具体实施，出图。
技术文件编制： 编制设计计算说明书。
基本理论
疲劳强度理论
摩擦、磨损与润滑
五、特点
1、实践性比较强。理论性差一些，经验、半经验公式，实验得出比 较多；理论推导出的比较少，答案不唯一。
2、综合性比较强。 受力分析 《理论力学》
应力分析 《材料力学》
材料选择 《材料与热处理》 3、承上启下的作用。它是最后一门专业基础课，起到承接基础课和
专业课的桥梁作用。
例4 如图示旋转轴，求截面A上max、min、a、m及r。
Pr=6000
A
d=50
b弯曲应力
Px=3000N 150
l=300
解：Pr A：对称循环变应力
b
M W
Pr
2
l 2
d3
6000 300 0.4 503
36 N
mm2
32
Px A：静压力
c
Px
1 d 2
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三、零件的设计步骤
• 失效的定义：在正常的工作条件下，机械零件丧失工作能力或达 不到工作性能要求时，就称为零件失效。
整体断裂 机械零件的失效形式 过大的残余变形
腐蚀、磨损和接触疲劳
强度
机械零件的工作能力 刚度 寿命（耐磨性、耐腐蚀性）
机械零件计算准则
强度准则：
lim
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六、要求
以听课为主，自学为辅，考试内容以讲课和要求自学的为主， 答疑两周一次，具体时间待定。考核 20%+80% 平时作业质量、 出席情况、实验数目占20%，期末考试占80%，要求课内：课外 用时是1：2。
七、水平
1）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具 有设计机械传动装置和简单机械的能力；
么？ 4、机械零件有哪些主要的失效形式？ 5、机械零件常用的有哪些计算准则？它们是针对什么失效形式而建
立的？ 6、机械零件设计的一般步骤有哪些？
第一章结束
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第二章 机械零件的疲劳强度计算
一、变应力的分类 二、变应力参数 三、几种特殊的变应力 四、疲劳曲线（对称循环变应力的—N曲线） 五、（非对称循环变应力的）极限应力图 六、影响疲劳强度的因素 七、不稳定变应力的强度计算 八、复合应力状态下的强度计算（弯扭联合作用）
zpofrp 2013-10-23
一、变应力的分类
变应力
对称
简单 脉 动
稳定
循环变应力（周期）
复合
非对称
不稳定循环变应力
随机变应力（非周期）
周期
时间t
a）稳定循环变应力
a）随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的变应力称 为稳定循环变应力。如图2-1a所示。
zpofrp 2013-10-23
8、制图：设计最后都是用图纸来表达，然后拿到工厂去加工。
这不仅是零件设计的一般步骤，而且也是讲课的顺序。
zpofrp 2013-10-23
四．课程的主要内容
概括地说，机械零件可以分为两大类： 传动件
零件
通用零件 专用零件
连接件 轴系件 其他
（如螺钉、齿轮、链轮等）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
本书讨论的具体内容是：（设计方法、步骤、原理）
min
m
a
m a max min
2
max min
2
r min max
a
0 min
max
0
m t
图2-2稳定循环变应力
min a
t m
max
规定：1、a总为正值； 2、a的符号要与m的符号保持一致。
3000
1 502
1.528N
mm2
4
4
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max b c b c 37.528
min b c b c 34.472
a b 36 m c 1.528
2）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策； 3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；
《机械设计手册》—其中的一个标准是查手册的能力； 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技术的基本训练； 5）对机械设计的新发展有所了解。
zpofrp 2013-10-23
习题
1、机器的基本组成要素是什么？ 2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例？ 3、一台完整的机器通常是由哪些基本部分组成？各部分的作用是什
zpofrp成2。013-10-23
例1 已知：max=200N/mm2，r =－0.5，求：min、a、m。 解：
min r max 0.5 200 100
m
max
min
2
200 100 2
50
a
max min
2
200 100 2
静应力
max=min=m a=0 r=+1
0
max t
对称循环变应 力
min
max=min=a
m=0
r=-1
脉动循环变应
max
力
0
min
m t
min=0 a=m=max/2
不属于上述三类的应力称为非对称循环应力r，=0 其r在+1与-1之间，
它可看作是由第一类（静应力）和第二类（对称循环应力）叠加而
0
31.2N/mm2 t
-130N/mm2
4、发动机连杆横截面上的应力变化规律如题3图所示，则其应力幅a和平
均应力m分别为 2 。
（1）a = －80.6Mpa，m = 49.4Mpa；（2）a = 80.6Mpa，m = -49.4Mpa； （3）a = 49.4Mpa，m = －80.6Mpa；（4）a = －49.4Mpa，m = － 80.6Mpa。
• 机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：
1、载荷分析（受力分析）：W
2、应力分析：
4W d 2
3、失效分析：断裂
s
4、材料的选择：45#钢、40Cr>s（手册查到）
5、确定计算准则：（依据防止断裂失效）
6、计算零件的主要尺寸：
d
4W
7、结构设计l：（根据人体的情况，操作情况）其他尺寸
a
0 min
max
0
m t
图2-2稳定循环变应力
min a
t m
max
。 图2-2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律
零件受周期性的最大应力max及最小应力min作用，其应力幅为a， 平均应力为m，它们之间的关系为
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max m a
2、下列四种叙述中 4 是正确的。
（1）变应力只能由变载荷产生；（2）静载荷不能产生变应力；（3） 变应力是由静载荷产生；（4）变应力是由变载荷产生，也可能由静 载荷产生。
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3、发动机连杆横截面上的应力变化规律如图所示，则该变应力的应力比r
为 2。
（1）0.24；（2）-0.24；（3）-4.17；（4）4.17。
250
m
max
min
2
400 100 2
150
100
0
a
m
t
-150
r min 100 1 0.25
-400
max 400 4
a
0
t＋
0
m
= 稳定循环变应力 t
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R=－1对称循环
R=＋1静应力
周期 t
b）不稳定循环变应力
b）若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图2-1b所示，则称为 不稳定循环变应力。
尖 峰 应 力
C）随机变应力 图2-1变应力的分类 c）如果变化不呈周期性，而带有偶然性，则称为随机变应力，如图 2-1c所示。
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二、变应力参数
图2-2给出了一般情况下稳定循环变应力谱的应力变化规律。
40
0 -40
-120 zpofrp 2013-10-23
min a
t m
max
例3 已知：A截面产生max=－400N/mm2，min=100N/mm2
求：a、m，r。
Fr
a Fa
Fa
b弯曲应力
Fr
A
M
解：
a
max min
2
400 100 2
250
r 0.919
36
b
0
t ＋0
c
-1.528
-36
Pr（对称循环）
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Px（静应力）
34.472 a
=0
m
t
t
-37.528
合成后（稳定循环变应力 ）
第二章 机械零件的疲劳强度计算（习题）
一、选择题 1、机械设计课程研究的内容只限于 3 。
（1）专用零件和部件；（2）在高速、高压、环境温度过高或过低 等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件；（3） 在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件；（4）标准化 的零件和部件。
1） 传动部分—带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动以及螺旋传 动等；
2） 联接部分—螺纹联接，键、花键及无键联接，销钉联接，铆接 、焊接、胶接与过盈配合联接等；
3） 轴系部分—滑动轴承、滚动轴承、联轴器与离合器以及轴等； 4） 其他部分—弹簧、机座与箱体、减速器等；
zpofrp 2013-10-23