华中科技大学机械设计基础篇课件

静应力 变应力
——不随时间改变或变化缓慢 ——随时间作周期性或非周期性变化
变应力
稳定变应力——周期性循环变应力 非稳定变应力——非周期性变应力
稳定变应力
对称循环变应力 脉动循环变应力
非对称循环变应力
机械设计
T
第一章 概论－机械零件的强度
对称循环变应力
脉动循环变应力
非对称循环变应力
静应力
机械设计
几个应力参数
机械设计
要学习的内容：
第一章 概论－内容、性质及要求
第一章 机械设计概论
★★★
第二章 挠性传动设计
★★★★
第三章 齿轮传动设计
★★★★★
第四章 蜗杆传动设计
★★★★★
第五章 连接设计
★★★★★
第六章 轴设计
★★★★★
第七章 滚动轴承的选择与校核 ★ ★ ★ ★ ★
第八章 滑动轴承设计
★★★
第九章 联轴器、离合器和制动器 ★ ★ ★
三、变应力作用下的强度问题(疲劳强度)
初始裂纹
主要失效形式：疲劳破坏
强度条件：σca≤ [σ]
lim
S
轴截面
σlim = ？
疲劳区 (光滑)
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关
粗糙区
N — 应力循环次数 与有σr应 关N —力的状指疲态数劳极限（对应于N）
N0 — 循环基数
σr — 持久极限
m rN
第一章 概论－机械零件的强度
循环特征： r
min max
——表示应力变化的情况
对称循环 — r = -1； 脉动循环 — r = 0；
非对称循环 — r≠ 0 且 | r | ≠ 1; 静应力 — r = +1
用σr 表示循环特征为 r 的变应力。如 σ-1、σ0 等
平均应力： m
max
min
机械设计
第一章 概论－一般问题
★ 类比设计
与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方 法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。
★ 经验设计 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，
缺乏创新。
★ 模型实验设计
用于大型、复杂零件的设计。
机械设计
现代设计方法：
第一章 概论－一般问题
★ 优化设计 对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化
第十章 弹簧设计
★★
机械设计
第一章 概论－内容、性质及要求
二、课程的性质及重要性
—设计性技术基础课，综合性强
基础课
机械设计
专业课
—机械设计是影响机械产品性能、质量和成本的主要因素 三、学习要求 1、掌握通用机械零部件的设计方法和步骤； 2、初步具备设计机械传动装置及简单机械的能力； 3、能在设计中运用各种技术资料（标准、规范、手册）。
同一零件可能发生各种不同形式的失效
nF
轴可能出现的失效形式： 断裂 塑性变形 过大弹性变形 共振
强度条件： 工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件： 实际变形量≤许用变形量 y ≤[y]、 θ ≤[θ] 、φ ≤ [φ]
稳定性条件： 工作转速 n ≤许用转速 [n]
机械设计
三、机械零件的设计步骤
2
对称循环:σm= 0; σa =σmax
应
力
幅： a
max
min
2
脉动循环:σm=σa =σmax / 2
机械设计
注意： 变载荷 → 变应力 静载荷 → 静应力 ？或 变应力
第一章 概论－机械零件的强度
n
nF ●
●a
●
●
二、静应力作用下的强度问题(静强度)
主要失效形式：塑性变形或断裂
强度条件：σca ≤ [σ] 或 τca ≤ [τ]
强度问题
刚度问题 耐磨性问题 稳定性问题
机械设计
第一章 概论－一般问题
零件的工作能力 —
不失效条件下零件的安全工作限度
这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，
所以又常称为“承载能力”
吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN
50 kN
机械设计
第一章 概论－一般问题
二、承载能力判定条件（设计准则）
机械设计
其他通用零件
联 轴 器
第一章 概论
弹 簧
机 架
机械设计
专用零件
第一章 概论
活塞
曲轴
平时成绩(30％)－ 作业、实验、小测验、考勤、课堂表现
考试成绩(70％)－ 闭卷考试 注意：不无故缺课，不迟到、不早退；
按时完成作业，杜绝抄袭
教材及实验指导书
1、机械设计（基础篇） 张卫国、饶芳等编，华工出版社 2、机械设计课程设计 唐增宝等主编，华工出版社 3、机械设计现场教学指导书 ，自编，东一楼205室 周、李 4、机械设计实验指导书，自编， 东一楼205室 周、李
机械设计
第一章 概论－一般问题
§1-2 机械设计中的一般性问题 （教材§1-3）
一、设计机械零件的基本要求
1、满足功能要求 能够准确实现预定的功能
2、工作可靠 在预定的工作期限内不能失效
3、成本低廉 经济、实用
失效—丧失工作能力或达不到设计要求的性能， 不仅仅指破坏。失效形式主要有：
—断裂 如轴、齿轮轮齿发生断裂 —表面点蚀 表面材料片状剥落 —塑性变形 零件发生永久性变形 —过大弹性变形 —过度磨损 —过大振动和噪声、过热等
N
常数
rmN0
由此得： rN r m N0 / N
σ
疲劳曲线
σrN σr
N
N
N0
有限寿命区
无限
机械设计
第一章 概论－机械零件的强度
变应力时，取 σlim =σrN（有限寿命 N ≤ N0 ）
或 σlim =σr （无限寿命 N ＞ N0 ）
则 [ ] rN 或 r
S
S
各种材料的σr 可从有关设计手册中查取
机械设计
第一章 概论－内容、性质及要求
四、学习方法
1、掌握零件设计时的共性
工作原理、结构、
受力分析、
类型、应用场合
失效形式
设计准则、 设计计算
2、不死记公式，理解并掌握基本概念 着眼于分析问题和解决问题能力的培养。
3、掌握机械设计的特点 解的不唯一性和设计过程的反复性。
机械设计
五、成绩评定
第一章 概论－内容、性质及要求
方法求解，得出最佳设计结果。 ★ 计算机辅助设计（CAD）
包括设计、绘图和工程分析。
★ 概率设计（可靠性） 将概率论与数理统计理论运用于机械设计。
★ 有限元设计
★ 并行设计
★ 虚拟设计
机械设计
第一章 概论－机械零件的强度
§1-3 机械设计中的强度问题 （教材§1-3-四）
一、载荷及应力的分类
1、载荷的分类 载荷—作用于零件上的力或力矩
机械设计
机械设计（基础篇）
主讲 陈继勇
机械设计
第一章 概论
第一章 机械设计概论
§1-1 本课程的主要内容及性质 一、课程内容
机械——机器与机构的总称
组成机械的基本单元：
机构——运动单元 → 机械原理 零件——制造单元 → 机械设计 关系： 机械原理——原理方案设计
机械设计——参数设计和结构方案设计 讨论通用机械零部件的设计方法，如零部件的 工作原理、工作能力、参数设计、结构设计等
许用应力：[ ] lim ; [ ] lim
S
S
塑性材料：σlim = σsБайду номын сангаас；τlim = τs
脆性材料：σlim = σb ；τlim = τb
σlim 、τlim — 极限应力 S — 安全系数 σs、τs — 材料屈服极限 σb、τb— 材料强度极限
机械设计
第一章 概论－机械零件的强度
机械设计
第一章 概论－内容、性质及要求
教学安排
课堂讲授：28 学时
现场教学：2 学时 地点：东一楼 401＃ 第 2 周周三7节，1205班 第 2 周周三8节，1206 班
带传动实验：2 学时 地点：东一楼101 ＃ 周老师、李老师 第 3 周周四5～6节，1205班 第 3 周周四7～8节，1206 班
静载荷 变载荷
——不随时间改变或变化缓慢 ——随时间作周期性或非周期性变化
名义载荷 ——理想工作条件下的载荷
计算载荷 ——作用于零件的实际载荷
计算载荷
？
=
K×
名义载荷
载荷系数 ≥1
即：Fca = KF 或 Tca = KT
机械设计
第一章 概论－机械零件的强度
2、应力的分类 载荷引起的表面应力或体积应力
四、安全系数 S 通常 S ≥ 1
重要情况下或受力分析等精确性较差时 S 取大些；
否则， S 取小些。
结束
机械设计
传动件
第一章 概论
齿轮传动
蜗杆传动
链螺 传旋 动传
动
带传动
机械设计
连接件
螺纹连接
花 键 连 接
第一章 概论
键 连 接
销 连 接
机械设计
滚 动 轴 承
支承件
第一章 概论
轴
滑 动 轴 承
机械设计
零件
通用零件
第一章 概论－内容、性质及要求
传动件 —齿轮、蜗杆、带、链 连接件 —螺纹、键、花键、销 支承件 —轴、轴承 其 他 —联轴器、弹簧、机架
专用零件 —水轮机叶片、活塞、曲轴 本课程重点讨论通用机械零部件的设计方法。
机器是由机械零部件组成的整体，各个零件之间有紧密联系。 学习时应有整体的设计观念。
第一章 概论－一般问题
F
1、拟订零件的设计简图； 2、确定载荷的大小及位置；
受力分析
3、选择材料； 4、根据失效形式选用承载能力判定条件，
设计出零件的主要参数；
5、结构设计，绘制零件工作图。
传统设计方法：
★ 理论设计（半经验设计） 强度条件（或刚度） 设计计算
尺寸
设计式
尺寸 校核计算 强度条件（或刚度） 校核式