第一章 机械设计总论

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第一章 机械设计总论
§1-1 机械设计课程简介 §1-2 机械设计概述 §1-3 机械零件的计算准则 §1-4 机械零件的标准化、系列化和通用化 §1-5 机械零件常用材料和选择原则
§1-1 机械设计课程简介
一、本课程的性质和内容
§1-2机械设计课程简介
本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题,培养同学们具有机械 设计能力的技术基础课,是机械类专业的一门非常重要的主干课。 机械零件的设计是机械设计的基础,是机械设计的重要组成部分。
〔σ〕—许用应力
σ lim —极限应力
—许用安全系数 〔S〕 注:对于切应力,只须将上述各公式中的 σ 换成 τ 即可。
S —计算安全系数
2. 极限应力的确定
机械零件的计算准则
1)静应力下的极限应力 种类不同,所取极限应力也不同。 塑性材料
机械零件的计 算准则5
在静应力下工作的零件,其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料
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;
二、本课程的特点
涉及面广
机械设计课程简介
机械设计课 程简介2
关系多─ 与诸多先修课关系密切。受力分析
材料选择 《材料与热处理》
《理论力学》 应力分析 《材料力学》
(二)表面接触强度
对于高副零件,理论上是点、线接触,但实际上在载荷作用下材料 发生弹性变形后,理论上的点、线接触变成了很小的面接触,在接触处
机械零件的计算准则7
局部会产生很高的应力,这样的应力称为表面接触应力,用 H 表示。 齿轮的接触应力是否相等?) 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例如齿轮的轮齿,
训练; 5)对机械设计的新发展有所了解。
§1-2 机械设计概述
机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。 大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器,可大大促进国民经济发展的
力度,加速我国的现代化建设。
人类社会的进步源于不断地创新,产品的创新首先是从设计工作开始的。 设计是生产产品的第一道工序,要想生产出好的产品,首先要有好的设计。 一、机器的组成
注:相互挤压表面上的挤压应力相等。
二、刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚 度不足,有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 例如:机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。
刚度条件为: 实际变形量≤[许用变形量]
机械零件的计算准则
机械零件的计算 准则10
机械零件的计算准则
2)变应力下的极限应力 计算变应力下的强度时,应取 lim
疲劳极限 rN(详见第二章)。
3. 许用安全系数 〔 S〕
合理选择许用安全系数〔S〕 是设计中的一项重要工作。 过大, 〔S〕 则机器会过于笨重;过小,可能不安全。因此,在保证安全的前提下,应 尽可能选用较小的许用安全系数。 的取值主要受下列因素的影响 〔S〕 1) 计算的准确性; 2)材料的均匀性; 3)零件的重要性。
式中:实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。 [许用变形量]--是保证正常工作所允许的变形量。 注:1)零件材料的弹性模量E越大,则其刚度越大。 2)用合金钢代替碳钢能提高零件的强度,但不能提高零件的刚度。 三、摩擦学准则 (耐磨性计算) 到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条 件性计算,通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。
(也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”,是设计零件时的 理论依据)。
机械零件的计算准则
为了防止机械零件在工作中产生失效,设计时,需要以零件的工作能 力计算准则为依据进行必要的计算,常用的计算方法(过程)有两种: 5)设计计算:先分析零件的可能失效形式,根据该失效形式的计算 准则通过计算确定零件的结构尺寸。 6)校核计算:先确定零件的结构尺寸,然后再验算零件是否满足计 算准则。如不满足,则应修改零件的尺寸。 *载荷和应力 1. 载荷 按是否随时间变化,分为: 静载荷:大小与方向不随时间变化 或随时间变化缓慢的载荷
机械零件的可能失效形式很多,主要有:整体断裂、过大的残余变形、 零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。
例如:轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。
2)工作能力: 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。(如:强度、 刚度、耐磨性、耐腐蚀性) 3)工作能力计算准则: 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。
机械零件的计 算准则3
机械零件的计算准则
(一)整体强度 1. 强度条件 有两种表示方法:
机械零件的计 算准则4
强度:指机械零件工作时抵抗破坏(断裂或塑性变形)的能力。
1) 用应力表示: 2)用安全系数表示: 式中: σ —计算最大应力
〔σ〕 σ ≤
S ≥ 〔S〕
〔σ〕=
σ lim S = σ
σ lim 其中S>1 S
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
控 制 原动机
系 统 执行机构
传动装置
润滑、显示、照明等辅助系统
参数。
机械(机器)的组成
我们以洗衣机为例,来说明机械的组成:
部件 零件 机械(机器)
图3 机械(机器)的组成(按大小分)
机械设计概述3
二、机械设计的基本程序
一部新机器,从提出设计
任务到形成定型产品,通常需 要经过四个阶段,如右图所示。
以洗衣机为例机械设计步骤
提出要求 计划阶段 洗衣机 自动进水 洗 涤 甩干(脱水) 提出尽可能多的解决方法 单 缸 双 缸 滚 筒 模糊控制 自适应控制 双模控制
本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。主要介 绍通用零件的基本设计方法。 本课程的最终目的在于培养同学们综合运用各种机械零件 和机构以及其他先修课的知识,设计机械传动装置和简单机械 的能力。
机械设计课程简介
本书讨论的具体内容是:(设计方法、步骤、原理)
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
fF。
f F <0.85 f

fF
>1.15 f
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 s 2 d Smin
由此可求出d;其中Smin根据工作环境来定。
机械零件的设计大体要经过以下几个步骤:
1、选择零件类型和结构。
方案设计
筛选、决策、评价(可靠性、经济上),选出最佳方案。 目的:确定机械中各个零部件的结构尺寸(量化)
技术设计 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。
机械设计概述4
三、 机械设计的基本要求
1) 功能要求 2) 可靠性要求 3) 经济性要求 4) 社会性要求
机械设计概述
四、设计者应具备的基本素质
2、载荷分析(受力分析):W应力分析:
4W d 2
3、分析失效分析,如断裂, s (依据防止断裂失效)
机械零件的计算准 则2
变载荷:大小或方向随时间变化的载 荷叫变载荷。 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。
按是否考虑动载荷的影响,载荷分为:
机械零件的计算准则
名义载荷: 在理想平稳条件下所受的载荷。(不计动载荷的影响)
计算载荷=载荷系数K×名义载荷 。 (代表机器或零件实际所受载荷) 载荷系数K:用于计入动载荷的影响。 额定载荷: 由原动机的额定功率推算出的载荷。 2 . 应力 应力分为 静应力 变应力: 注:静应力只在静载荷作用下产生,循环应力可由变载荷产生,也可 由静载荷产生。 另外,应力还分为 名义应力:根据名义载荷求得的应力 计算应力:根据计算载荷求得的应力 N.m
进水
电动机
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
控制系统
机械(机器)的组成(按功能分)
*几个名词:
机械――机器和机构的总称。 零件――是机器的制造单元。 分为:
机械设计概述
机械设计概述2
通用零件:各种机器中常用的。 (是本课程的主要学习对象) 例如:齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、 键、铆、焊结构件、弹簧等。 专用零件:只在某些特定的机器中才用到的。(在有关专业课中学习) 例如:叶片、曲轴等。 部件――为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。 例如:滚动轴承、减速器等。 机械零件 --常用泛指零件和部件
1) 掌握并能够在设计中合理应用机械设计所需的各种知识。 2) 具有创新意识和创新能力。 3) 具有认真细致、一丝不苟的工作作风。 4) 具有团结协作精神。
§1-3 机械零件的计算准则
一、强度准则
*几个名词:
§1-3机械零件的 计算准则
1)失效: 机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。 注意:a) 失效并不单纯指破坏,破坏只是失效的形式之一。
机械零件的计算准则
H 的大小用赫兹公式计算,公式见教材P35。(齿轮啮合时,大齿轮、小
接触啮合时受应力作用,脱离啮合时不受应力作用。 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。
强度条件为:
H

H
接触循环应力作用下的失效形式是: 疲劳点蚀(简称点蚀)。
点蚀的危害:
1)破坏零件的光滑表面,引起振动和噪音。 2)减小零件的有效工作面积。
机械零件的计算准则
(三)表面挤压强度 挤压应力,用
机械零件的计算准则8
两零件之间为面接触时,在载荷作用下,接触表面上产生的应力称为
p
表示。
在挤压应力作用下的强度称为挤压强度,其强度条件为:
挤压应力作用下,接触面的失效形式是--“压溃” 。
P p A
≤[
] p
P—挤压力,N; A —挤压面积,mm2;
lim 单向应力状态下: lim s ,(屈服极限)
lim 单向应力状态下:
复合应力状态下:
s
复合应力状态下: 按第三或第四强度理论计算当量应力。
脆性材料
b
,(强度极限)
lim b
按第一强度理论计算当量应力。
注:1)对于塑性材料和组织不均匀的材料(如灰铸铁),在计算静强度 时,可不考虑应力集中的影响。 2)对于组织均匀的低塑性材料(如淬火钢),在计算静强度时,应 考虑应力集中的影响。
机械设计课程简介
三、学习中注意的几个问题
着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。 除了理论分析和计算以外,更应重视零件结构设计的学习。 ──设计决非只是计算。 性能要求与经济性 ──永远是一对矛盾,应学会合理地解决这一对矛盾。 经验设计与现代设计 ──二者均重要,前者是后者的基础。
机械设计课程简介3
即 压强不超过许用值
速度不超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值 注:限制 p
p ≤[ p

≤[

υ ≤[ υ ]


υ 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量,防止温度过高。
机械零件的计算准则
四、振动稳定性准则
当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振 动频率(固有频率)时,便发生共振,导致零件失效。这种现象称之为 “失去振动稳定性”。 振动稳定性准则:使零件的自激振动频率 f 远离外力变化 的频率 即
水平
机械设计课程简介
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; 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
要求多─ 设计一个机器或零件时,应同时满足强度、刚度、耐磨性、工 艺、等各方面的要求。 门类多─ 典型的通用零件多、类型多;各类零件,设计方法各有不同。 公式多─ 除了定义式以外,对于大多数公式着重于公式的应用,不强调 公式的推导。 图表多─ 要求能看懂、会用,了解适用的范围和变化趋势。 实践性强─不仅要读懂书,还要多联系实际,要注重实践性环节。 无重点─又都是重点,设计工作必须详尽,细小的疏忽也会导致严重事故。 设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好,要注意发展求异思维。
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