第2章机械设计总论hm-资料
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2020/7/27
2-6 机械零件的设计准则
零件工作 —→承受载荷 —→
载荷欲使零件失效 零件据自身结构、材料反抗失效
—→反抗失效＞失效 —→解决办法：合理设计 遵循设计准则
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则 以及相应的设计计算方法。
2020/7/27
强度准则
确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。
市场态势（竞争形势、供求状况、交货期、资
境 金回收等）；
生产条件（设备、技术、人员、工作环境、资 金筹措等）； 法律、法规与政策。
人 操作人员的技术状况及操作熟练程度； 员 操作人员及周边人员的健康与安全要求（操
作轻便性、舒适性、宜人性，产品的造型设 计，安全保护与防护措施等）。
• 机械产品从计划、设计、制造、安装、运行直至报废所经历的时间称为寿命周期 。
2020/7/27
修改
试验
• 机械系统本身是人-机-环境系统的组成部分。
功能的合理性
与性能的先进性；
执行预期功能
机
的安全性（强度、 刚度、寿命、稳定
性等）；
可靠性；
械 经济性；
工艺性；
操作性；
维修性。
环境状况（振动,噪声,粉尘、废水、废气、废 物排放与治理，对周围机械设备的影响等）；
环 资源利用（能源、原材料、水、土地等）；
包括原动机及其配套装置，是实现能量转换，为机 械系统提供动力的部分。 （1）电动机：普通电动机(交流和直流)、 特种电机（隔爆型 、起重冶金用、船用、纺织用、木工用、潜水泵用）、控 制电动机（步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动 机）。
（2）内燃机：柴油机、汽油机。
（3）液压泵：齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。
（4）空气压缩机。 2020/7/27
二、执行部分
执行系统是利用机械能（或液压能或气压能）完成机 械系统预定工作任务的装置。
运动：直线、回转、间歇 动力：力（F)、力矩(MT)、功率(P)
三、传动系统
通常原动机的运动和动力不能直接满足执行系统的要 求，传动系统就是把原动机的运动和动力进行适当变换后 传递给执行系统的中间装置，其主要功能包括减速或增速 、变速；改变运动规律或运动形式；起动、制动和反向； 传递功率、转矩或力等。
三、劳动保护和环境保护要求 四、寿命与可靠性的要求
2五020/7、/27 其他专用要求
2-4 机械零件的主要失效形式
失效:零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。 常见失效形式: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。 （一）整体断裂
整体断裂是指零 件在载荷作用下，其 危险截面的应力超过 零件的强度极限而导 致的断裂，或在变应 力作用下，危险截面 发生的疲劳断裂。
刚度准则
确保零件不发生过大的弹性变形。
寿命准则
通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
振动稳定性准则
高速运转机械的设计应注重此项准则。
可靠性准则
当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。
2020/7/27
一、强度准则
零件危险截面中的最大应力不超过材料许用应力。
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。
方法： [] lim S
[ ] lim
S
S ——安全系数，S＞1 —→
2020/7/27
• 机械产品传统的设计——制造过程
2020/7/27
2-3 对机器的主要要求
一、使用功能要求
实现预定功能，工作可靠。
二、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。
2020/7/27
齿轮轮齿断裂
轴承内圈断裂
（二）过大的残余变形
当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生 残余变形。
齿轮齿面塑形变形
2020/7/27
轴承外圈塑性变形
（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
轴瓦磨损
2020/7/27
齿面接触疲劳
（四）破坏正常工作条件引起的失效
2020/7/2红7 旗 —→桑塔纳、捷达、奥迪 —→别克、本田、帕萨特
2020/7/27
蒸汽机车
内燃机车
Βιβλιοθήκη Baidu
电力机车
2020/7/27
高速列车
磁浮列车
2020/7/27
机器组成： 轿车组成：
辅助系统 （如仪表、照明等）
执行部分 原动机 — 传动装置 — （工作机）
控制系统
2020/7/27
一、原动机部分
2020/7/27
四、操纵和控制系统
操纵系统和控制系统是使动力系统、传动系统和执行 系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。
五、辅助系统
冷却、润滑、电系、指示等。
2020/7/27
2-2 设计机器的一般程序
一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶 段是决定机器好坏的关键。
机器设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下： 设计任务 调——研 总体设计 ——技术设计 ——试制 ——投产
第二章 机械设计总论
2-1 机器的组成
机械
机构：构件间运动规律 机器：转换机械能，或用机械能作功。
天然工具 ——→简单机器 ——→工业革命 ——→现代机器 改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。
如：火车发展：
蒸汽机车 —→内燃机车 —→电力机车 —→高速列车 —→磁浮列车（常导—→高温超导）
轿车发展：
统计结果表明: 一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素 引起。
2020/7/27
2-5 设计机械零件时应满足的基本要求
1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命） 强度：零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度 不足。 刚度：零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度。 寿命：零件正常工作延续的时间。 2、结构工艺性要求（便于加工、装配） 3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级） 4、质量小的要求（节约材料、↓惯性力） 5、可靠性要求
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：
液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间 隔才能正常工作。
零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很 多因素有关。
2-6 机械零件的设计准则
零件工作 —→承受载荷 —→
载荷欲使零件失效 零件据自身结构、材料反抗失效
—→反抗失效＞失效 —→解决办法：合理设计 遵循设计准则
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则 以及相应的设计计算方法。
2020/7/27
强度准则
确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。
市场态势（竞争形势、供求状况、交货期、资
境 金回收等）；
生产条件（设备、技术、人员、工作环境、资 金筹措等）； 法律、法规与政策。
人 操作人员的技术状况及操作熟练程度； 员 操作人员及周边人员的健康与安全要求（操
作轻便性、舒适性、宜人性，产品的造型设 计，安全保护与防护措施等）。
• 机械产品从计划、设计、制造、安装、运行直至报废所经历的时间称为寿命周期 。
2020/7/27
修改
试验
• 机械系统本身是人-机-环境系统的组成部分。
功能的合理性
与性能的先进性；
执行预期功能
机
的安全性（强度、 刚度、寿命、稳定
性等）；
可靠性；
械 经济性；
工艺性；
操作性；
维修性。
环境状况（振动,噪声,粉尘、废水、废气、废 物排放与治理，对周围机械设备的影响等）；
环 资源利用（能源、原材料、水、土地等）；
包括原动机及其配套装置，是实现能量转换，为机 械系统提供动力的部分。 （1）电动机：普通电动机(交流和直流)、 特种电机（隔爆型 、起重冶金用、船用、纺织用、木工用、潜水泵用）、控 制电动机（步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动 机）。
（2）内燃机：柴油机、汽油机。
（3）液压泵：齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。
（4）空气压缩机。 2020/7/27
二、执行部分
执行系统是利用机械能（或液压能或气压能）完成机 械系统预定工作任务的装置。
运动：直线、回转、间歇 动力：力（F)、力矩(MT)、功率(P)
三、传动系统
通常原动机的运动和动力不能直接满足执行系统的要 求，传动系统就是把原动机的运动和动力进行适当变换后 传递给执行系统的中间装置，其主要功能包括减速或增速 、变速；改变运动规律或运动形式；起动、制动和反向； 传递功率、转矩或力等。
三、劳动保护和环境保护要求 四、寿命与可靠性的要求
2五020/7、/27 其他专用要求
2-4 机械零件的主要失效形式
失效:零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。 常见失效形式: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。 （一）整体断裂
整体断裂是指零 件在载荷作用下，其 危险截面的应力超过 零件的强度极限而导 致的断裂，或在变应 力作用下，危险截面 发生的疲劳断裂。
刚度准则
确保零件不发生过大的弹性变形。
寿命准则
通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
振动稳定性准则
高速运转机械的设计应注重此项准则。
可靠性准则
当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。
2020/7/27
一、强度准则
零件危险截面中的最大应力不超过材料许用应力。
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。
方法： [] lim S
[ ] lim
S
S ——安全系数，S＞1 —→
2020/7/27
• 机械产品传统的设计——制造过程
2020/7/27
2-3 对机器的主要要求
一、使用功能要求
实现预定功能，工作可靠。
二、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。
2020/7/27
齿轮轮齿断裂
轴承内圈断裂
（二）过大的残余变形
当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生 残余变形。
齿轮齿面塑形变形
2020/7/27
轴承外圈塑性变形
（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
轴瓦磨损
2020/7/27
齿面接触疲劳
（四）破坏正常工作条件引起的失效
2020/7/2红7 旗 —→桑塔纳、捷达、奥迪 —→别克、本田、帕萨特
2020/7/27
蒸汽机车
内燃机车
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电力机车
2020/7/27
高速列车
磁浮列车
2020/7/27
机器组成： 轿车组成：
辅助系统 （如仪表、照明等）
执行部分 原动机 — 传动装置 — （工作机）
控制系统
2020/7/27
一、原动机部分
2020/7/27
四、操纵和控制系统
操纵系统和控制系统是使动力系统、传动系统和执行 系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。
五、辅助系统
冷却、润滑、电系、指示等。
2020/7/27
2-2 设计机器的一般程序
一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶 段是决定机器好坏的关键。
机器设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下： 设计任务 调——研 总体设计 ——技术设计 ——试制 ——投产
第二章 机械设计总论
2-1 机器的组成
机械
机构：构件间运动规律 机器：转换机械能，或用机械能作功。
天然工具 ——→简单机器 ——→工业革命 ——→现代机器 改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。
如：火车发展：
蒸汽机车 —→内燃机车 —→电力机车 —→高速列车 —→磁浮列车（常导—→高温超导）
轿车发展：
统计结果表明: 一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素 引起。
2020/7/27
2-5 设计机械零件时应满足的基本要求
1、避免在预期寿命内失效的要求（强度、刚度、寿命） 强度：零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度 不足。 刚度：零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度。 寿命：零件正常工作延续的时间。 2、结构工艺性要求（便于加工、装配） 3、经济性要求（材料、加工方法、精度等级） 4、质量小的要求（节约材料、↓惯性力） 5、可靠性要求
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：
液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。 带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。 高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间 隔才能正常工作。
零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很 多因素有关。