华中科技大学机械设计基础

r
min max
——表示应力变化的情况
对称循环— r =
非对称循环—
－1；
脉动循环— r =
0；
+1
r≠ 0 且 | r | ≠ 1;
静应力— r =
平均应力：
m
max min
2
对称循环:σm= 0; σa=σmax 脉动循环:σm=σa=σmax / 2
应 力 幅：
a
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吊具
抓斗
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9、科学性原则

设计应当符合自然规律（科学性原则），否则 产品就没有其生存空间。如灵巧机械手、航天 飞机的发明符合科学性原则。电动机、发电机 设计遵循了电磁感应的科学原理，永动机构想 则违背能量守恒定律和转化原理，不符合科学 性原则。
运动副的分类
2）高副：点或线接触的运动副。
如:
齿轮副
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凸轮副
通用零件
传动件 联接件 支承件 其 它
—齿轮、蜗杆、带、链 —螺栓、键、花键 —轴、轴承
机械零件
专用零件
—联轴器、弹簧、机架
—水轮机叶片、活塞、曲轴
本课程重点讨论通用零件的设计。
§1-2 机械零件的工作能力和计算准则 一、设计机械零件的基本要求
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现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理 方案的设计、开发和创新产品。 现代设计已不再把时间花费在烦琐的计算推导及帄面图纸的设 计上，现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设 计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用优化 系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索 多种解决设计问题的科学途径。 在这样一个迅猛发展的时代 , 人们的要求越来越高, 也就对设计 工作者提出了更高的水准。 设计向什么方向发展, 设计如何解决现代人的需求, 已经成为重 要的研究课题。
max min
2
n
注意：
变载荷 → 变应力 静载荷 → 静应力 ？ 或变应力 n 二、静应力作用下的强度问题 主要失效形式：断裂或塑性变形 强度条件：σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ] 许用应力： 塑性材料： 脆性材料：
P
●
a
[ ]
lim
s
; [ ]
lim
s
σlim 、τlim — 极限应力 s — 安全系数
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创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果 （ 含理论、方法、技术原理等）进行创新构思设计出具有新颖性、创造性 及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。 归纳起来创新设计具有如下特点 : ①创新设计是涉及到多种学科, 包括设计学、创造学、经济学、社会学、心 理学等的复合性工作, 其结果的评价也是多指标、多角度的； ②创新设计中相当一部分工作是非数据性、非计算性的, 而是要依靠对各学 科知识 的综合理解与交融, 对已有经验的归纳与分析, 运用创造性的思维方 法与创造学的基本原理开展工作； ③创新设计不只是因为问题而设计, 更重要的是提出问题, 解决问题； ④创新设计是多种层次的, 不在乎规模的大小, 也不在乎理论的深浅, 注重的 是新颖性、独创性； ⑤创新设计必须具有实用性，其最终目的在于应用。 学起于思，思缘于疑，如生活中会出现饮水机在倒水时手推开关会把一次性 水杯压扁；台灯写字时手会遮住光线留下影子；用墨水瓶吸墨水时会把笔弄 脏；电梯按钮不适合不同身高的人，且只有视觉提示，没有考虑盲人等特殊 人群等问题，将这些问题解决就是创新设计。

机械设计基础课程在产品设计中的作用 ?
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机械设计的一般进程大体上可划分为 产品规划、概念设计、详细设计试制生产四个阶段 需要强调的是, 在概念设计阶段, 其中诸如建立功能结构、寻求 作用原理、构思总体原理解及布局造型等等, 都是最具创造性的 工作 因此也是决定新产品开发成败与否的最关键阶段。 设计进程本身是一个不断反馈循环的过程, 设计者在每一步都可 能获得新的信息, 从而反馈到前面的步骤。 因此, 一个出色的设计者往往要经历多次反复才能真正达到其最 优效果。
机械设计基础
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0.1 机械设计概述



0. 1.1 设计的本质 设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明 的源泉。 设计就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资 金等形态存在的资源，创造出满足预先设想功能要求 的物质实体， 设计是人类进行的一种有目的、有意识、有计划的创 造活动。
武器 枪
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6、技术规范原则
技术规范是有关开发产生技术的知识、领域、方法和规 定的总和。技术规范有强制性的，也有推荐性的；技术 规范是随科学技术发展而发展的。机械产品设计中要求 系列化、通用化、标准化，以便满足零部件之间方便互 换的要求，如螺栓、螺母、垫片与港口运货的集装箱 （图0.9）、标准齿轮等，都满足技术规范原则。而各种 手机电池、充电器没有采用统一技术标准，给用户使用 中带来许多麻烦。
8、编写设计计算说明书
许用应力和安全系数 一、载荷及应力的分类 1、载荷的分类 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 工作载荷 名义载荷 计算载荷
——实际工作条件下的载荷
——根据原动机功率求得的载荷 ——对名义载荷进行修正得到的近似值
计算载荷
？
=
K × 名义载荷 载荷系数
破坏。主要有：
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
二、承载能力判定条件 同一零件可能发生各种不同形式的失效 轴可能的失效形式： F 断裂、过大弹性变形、塑性变形、共振
σlim = σs ；τlim = τs σlim = σB ；τlim = τB
σs、τs— 材料屈服极限 σB、τB— 材料强度极限
三、变应力作用下的强度问题 主要失效形式：疲劳破坏 强度条件：σ≤ [σ]
初始裂纹
轴

lim
s
σlim = ？
疲劳区 (光滑)
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关 N — 应力循环次数 与应力状态有关 σrN — 疲劳极限（对应于N） 的指数 N0 — 循环基数 σ
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“不以规矩、不成方圆”
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1、创新原则
创新就是通过引入新概念、 新思想、新方法、新技术等．或对已有产 品的革新来创造具有相当社会价值的事物 或形式。
创新概念
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【案例分析】 洗 衣 机 的 发 展 与 创 新
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本课程的基本学习方法
1 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握， 不强调系统的理论分析； 2 着重理解公式建立的前提、意义和应用,不 强调对理论公式的具体推导； 3 注意密切联系生产实际，努力培养解决工程 实际问题的能力。
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机械(machinery) 机器
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二、运动副及其分类
运动副：机构中两构件直接接触的可动联接。
运动副元素：两构件上参加接触而构成运动副
的部分，如点、线、面。
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运动副的分类
根据运动副的接触形式，运动副归为两类 1）低副：面接触的运动副。如 :
转动副 移动副
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第 一 台 手 摇 洗 衣 机
第 一 台 电 动 洗 衣 机 双 缸 半 自 动 洗 衣 机
全 自 动 滚 筒 洗 衣 机
单 缸 单 洗 洗 衣 机
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雪地自行车
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【案例分析】 3、经济原则
疲劳曲线
粗糙区
σrN σr
σr — 持久极限
N
m
rN N 常数 r N 0
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。
失效—丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指
—断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂 —表面点蚀。工作表面片状剥落 —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 刚度问题 耐磨性问题 强度问题
白 色 污 染
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太阳能汽车
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8、安全原则

安全是人类对产品最基本的需求，产品设计必须考虑 安全问题。机械安全基本要求是有足够的抗破坏能力、 良好的可靠性和对环境的适应性，可靠有效的安全防 护，履行安全人机学的要求，通过选用适当的设计结 构尽可能避免或减少危险，采用本质安全技术，避免 锐边、尖角和凸出部分，防止超载应力 ，避免交变应 力，进行回转件的平衡，采用机械化和自动化技术， 减少操作者涉入危险区的时间，并设置安全装置。
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螺栓
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7、可持续发展原则
技术设计的可持续性发展原则是指产品的设计 既满足当代发展的需求，又考虑未来发展的需 求，不以牺牲后人的利益和长远的利益为代价 来满足当代人的需求，产品的设计要考虑到人 类长远的发展，资源与能源的合理利用，生态 的平衡等可持续发展的因素。
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