机械设计概论

一个循环

O
t
O
t
规律性不稳定变应力
随机变应力
静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静
载荷产生。
σ 0
a
t
作用在转动心轴上的载荷是静载荷， 产生的应力却属于变应力。
三）变应力参数及典型变应力 1. 变应力参数 最大应力：σ 最小应力：σ
max min
σ σa
m max min 平均应力： 2
σa
σmin
σ
σm
max
应力幅：
max min a 2
二、工艺性能的要求 工艺要求是指所选材料的冷、热加工性能好，热处理
工艺性好。
三、经济性的要求 在满足使用性能的前提下，尽量选用低价格的材料，减少
材料的消耗，是零件材料选择的主要原则。
各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机 械设计手册中查得。 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。
p p
— 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和
刚度
p
— 零件受激振源作用引起的强迫振动频率
§0－5 机械设计中常用材料的选择原则
选材因素： 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。
零件材料
选用原则： 一、使用性能的要求 使用要求是指用所选材料做成的零件，在给定的工况
条件下和预定的寿命期限内能正常工作。
Fc KF
式中，K——考虑各种附加载荷的载荷系数。
二）应力 根据名义载荷求出的应力称为名义应力。
根据计算载荷求出的应力称为计算应力。
按照应力随时间的变化情况，应力也可分为静应力和变 应力。 静应力——不随时间变化或变化很小的应力。 变应力——随时间变化的应力。 σ
σ=常数
o t
稳定循环变应力 规律性不稳定变应力 不稳定循环变应力 随机变应力
内燃机车
电力机车
高速列车
磁浮列车
机构
机械 机器 机构－能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件
实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、
齿轮机构等。 机器－根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合
体。
如: 缝纫机、洗衣机、数控车床、发射塔等。 机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有 相同的基本特征。
过大弹性变形——零件的刚度不够引起 压溃、过度磨损——零件接触表面上的压应力p过大
表面疲劳损坏——零件表面接触应力σ H过大引起
胶
合—— 零件工作温升△t过高引起
二、机械零件的计算准则
计算准则 — 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依 据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用 相应的计算准则。常用的计算准则有： 1．强度准则——针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效 强度——指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。 强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够， 不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全 事故。 强度的计算准则为：σ ≤ [σ ] MPa 或 τ ≤ [τ ] 针对断裂或塑性变形
内燃机
3.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，废气体被排出气缸。
内燃机的工作过程： 进气 压缩 爆炸
排气
内燃机各部分的作用： 活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连 续转动，该组合体称为：曲柄滑块机构 凸轮和推杆用来启闭进气阀和排气阀，将 凸轮的连续转动转变为推杆的往复移动， 称为： 凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，改变 转速的大小和方向，称为： 齿轮机构 各部分协调动作的结果： 热能 机械能
本课程的特点：是工程制图、工程材料、金属工艺学、理 论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综 合运用。 学习本课程时应注意以下几点： 1）要学会具体问题具体分析的方法。
2）本课程的术语、符号、公式较多，必须给以足够 的
注意。
3）要有工程观点。
通过本课程的学习，应达到的基本要求是： 1）掌握机构的结构原理、运动特性和机械动力学的基本知 识，初步具有分析和设计基本机构的能力，并对机械运动方 案的确定有所了解。 2）掌握通用机械零件的工作 原理、特点、选用和设计计算 的基本知识，并初步具有设计 一般简单机械及常用机械传动 装置的能力。 3）具有运用标准、规范、手
根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成：
原动部分－是机器的动力来源，最常见的是电动机和内燃机。 工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分－使机器的原动部分、传动部分、工作部分按一定的 顺序和规律运动，完成给定的工作循环。保证机器 的启动、停止和正常协调动作。
任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。 天然工具 →简单机器 →工业革命 →现代机器
如：火车的发展：
蒸汽机车→内燃机车→电力机车→高速列车 →磁浮列车 起重机的发展: 斜面→杠杆→起重轱辘→滑轮组→手动(电动)葫芦→现代 起重机（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉
车、电梯－电脑控制）
蒸汽机车
工作载荷——机械正常工作时所受的载荷（一般难以 确定）。
名义载荷——在理想的平稳工作条件下作用在零件上的 载荷，按原动机的功率求得。
P T 9.55 10 ( N mm) n 式中，P——原动机的额定功率（kW），
6
n——额定转速（r/min）。
计算载荷——载荷系数与名义载荷的乘积。
Tc KT
辅助系统（如仪表、照明等）
原动部分 — 传动部分 控制系统
— 工作部分
轿车组成：
机器的共有特征： ①人造的实物组合体；
②各部分有确定的相对运动； ③代替或减轻人类劳动，完成有用功或实现能量的
转换。 根据工作类型，机器可分为： 动力机器－实现能量转换 工作机器－完成有用功
信息机器－获取或处理各种信息
按用途分，零件可分为专用零件和通用零件。
专用零件—只在一定类型机器中使用的零件，如内 燃机的活塞、曲轴等。 通用零件—各种机器中普遍使用的零件，如螺钉、 轴、齿轮等。 标准件—制定了国家标准，并由专门工厂生产 的零件。如：螺母、螺栓等。 零件 → 构件 →机构 →机器
§0－2 本课程的内容、性质和任务
册、图册等有关技术资料的
能力。
§0－3 机械设计的基本要求和一般程序
一、机械设计的基本要求 机械设计---规划和设计实现预期功能的新机械或改
进原有机械的性能。 基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、 成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。
具体说来，主要有以下几方面： 1、使用要求 实现预定功能，工作可靠
由机器与机构的共有特征可知：
机构主要用来传递和变换运动；机器主要用来传
递和变换能量。 从结构和运动学的角度分析，机器和机构之间并无区别， 都是具有确定相对运动的各种实物的组合，所以，通常将 机器和机构统称为机械。 从制造的角度来看，任何机器都是由许多零件组合而成的。 零件—组成机器的最小单元，也是机器的制造单元。 若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件 。
— 防止胶合破坏
4．振动和噪声准则——针对高速机械的振动失稳（即共振） 当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频 率f p时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成 破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。 防止共振的条件为：f ≤ 0．87 f 或 f ≥ 1．18 f 式中，f f
缝纫机
控制器(控制)
波轮(工作)
潘存云教授研制
电动机(原动)
带(传动)
洗衣机
减速器(传动)
数控车床
发射塔、运载火箭都是庞大的机器。
3
内燃机
组成：
4 2
气缸体1、 排气阀4、 凸轮7、
工作原理：
活塞2、
连杆5、 推杆8、
进气阀3、
8 7
1 5 6
曲轴6、 齿轮9、10
9
10
1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入气缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点火燃烧；
机械设计概论
§0-1 §0-2 §0-3 §0-4 §0-5 §0-6 机械的组成 本课程的内容、性质和任务 机械设计的基本要求和一般程序 机械零件的工作能力和计算准则 机械设计中常用材料的选用原则 许用应力和安全系数
§0-1
机械的组成
顾名思义，本课程研究对象为：机械
机械－人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。
从运动的角度来看，机器是由若干可以相对运动的构件组装
而成的。
构件—机器中最小的运动单元。 构件可以是单一的零件（如曲轴），也可以是由若干个零件
组成的刚性结构。如内燃机中的连杆和齿轮装置。
曲 轴
内 燃
机
中 连 杆
构件
零件1
零件2
零件3
由三个零件组成的构件
构件与零件的区别：
构件是机器的运动单元； 零件是机器的制造单元。
机构的共有特征： ①人造的实物组合体； ②各部分有确定的相对运动； ③用来传递力或实现运动的转换。
机构的分类：通用机构和专用机构。
通用机构---用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。 专用机构---只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。 机器与机构的关系： 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合 而成的。
2、经济性要求
三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。
措施： 1）设计中采用“三化”零部件；
标准化、系列化、通用化 2）应用成熟的新技术、新材料。 3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。 3、操作方便，运行安全可靠 4、环保、外观造型要求 颜色、造型，噪音、废气、废液。
5、其他专用要求
二、机械设计的一般程序 机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程
§0－6 许用应力和安全系数
一、载荷和应力 一）载荷
载荷——构件或零件工作时所承受的外力。 根据载荷性质的不同，可分为静载荷与变载荷。 静载荷——大小和方向均不随时间变化或变化缓慢的载荷。 变载荷——大小或方向随时间变化的载荷。 稳定循环载荷 循环变载荷 不稳定循环载荷 随机变载荷
也可分为工作载荷、名义载荷与计算载荷。
σ
H
≤ [σ
H
] 针对表面疲劳损坏
强度计算准则： 1） [ ] 或 [ ]
[ ]
lim
S
[ ]
lim
S
σ—零件பைடு நூலகம்工作正应力；
[σ]—材料的许用正应力；
lim—材料的极限正应力；
—零件的工作切应力；
[ ] —材料的许用切应力；
lim —材料的极限切应力；
2） S
lim [S ]
S
lim [S ]
S——安全系数，S＞1 —→
S↑：安全，浪费材料 S↓：经济，不安全
2．刚度准则——针对过大弹性变形 刚度——指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能
力。刚度是保证机器正常工作，提高机床加工产品质量的基
本要求。 刚度的计算准则为：y ≤[y ]； θ ≤[θ ]； υ ≤[υ ] 式中，y、θ 和υ —— 分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角； 由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所以， 一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。
序如下：
调研 技术设计 —— 试制 —— 设计任务 ——总体设计 —— 投产
修改
试验
§0－4 机械零件的工作能力和计算准则
一、机械零件的工作能力 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。 工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。 通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力 机械零件的主要失效形式 过载断裂——工作应力超过材料的强度极限σ B引起 1．断裂 疲劳断裂——工作应力超过零件的疲劳极限σ 引起 r 2．变形 3．表面 失效 塑性变形——工作应力超过材料的屈服极限σ S引起
一、本课程的内容 主要阐述机械设计的一般原则和程序、机械的组成、 常用的机械传动（如V带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传 动和连杆机构、凸轮机构、步进传动机构等）以及通用的 联接零件、轴系零件的工作原理、特点和基本设计方法或 选用原则。 二、本课程的性质和任务 课程性质：技术基础课 研究组成一般机械的常用机构、通用零件和在机械设计中 一些常遇到的基本共性问题。
齿轮轴的弯曲挠度过大会影响一对齿轮的正确啮合。 机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。
3．耐磨性准则——针对过度磨损、胶合破坏
耐磨性 — 指零件在载荷作用下相对运动的两零件接 触界的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正 常工作的基本要求。其验算式为： p ≤ [p] — 防止过度磨损
pv ≤ [pv]