1、第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)總論1-1 機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介1-2 機(jī)械設(shè)計(jì)概述1-3 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1-4 機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化1-5 機(jī)械零件常用材料和選擇原則1-2機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介1-1 機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介 一、本課程的性質(zhì)和內(nèi)容一、本課程的性質(zhì)和內(nèi)容 本課程是研究機(jī)械裝置和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，培養(yǎng)同學(xué)們具有機(jī)械本課程是研究機(jī)械裝置和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，培養(yǎng)同學(xué)們具有機(jī)械 設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)非常重要的主干課。設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)非常重要的主干課。 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)械零件的設(shè)

2、計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分。 本課程是一門(mén)適用性廣、實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程。本課程是一門(mén)適用性廣、實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程。主要介主要介紹通用零件的基本設(shè)計(jì)方法。紹通用零件的基本設(shè)計(jì)方法。 本課程的最終目的本課程的最終目的在于培養(yǎng)同學(xué)們綜合運(yùn)用各種機(jī)械零件在于培養(yǎng)同學(xué)們綜合運(yùn)用各種機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)以及其他先修課的知識(shí)，設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)以及其他先修課的知識(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力。的能力。本書(shū)討論的具體內(nèi)容是：（設(shè)計(jì)方法、步驟、原理） 1） 傳動(dòng)部分帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng)等； 2） 聯(lián)接部分螺紋聯(lián)接，鍵、花鍵及無(wú)鍵聯(lián)接，銷(xiāo)釘聯(lián)接，鉚接、

3、焊接、膠接與過(guò)盈配合聯(lián)接等； 3） 軸系部分滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器與離合器以及軸等； 4） 其他部分彈簧、機(jī)座與箱體、減速器等；機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介二、本課程的特點(diǎn) 涉及面廣 關(guān)系多 與諸多先修課關(guān)系密切。受力分析 理論力學(xué) 應(yīng)力分析 材料力學(xué) 材料選擇 材料與熱處理 要求多 設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器或零件時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性、工 藝、等各方面的要求。 門(mén)類(lèi)多 典型的通用零件多、類(lèi)型多；各類(lèi)零件，設(shè)計(jì)方法各有不同。 公式多 除了定義式以外，對(duì)于大多數(shù)公式著重于公式的應(yīng)用，不強(qiáng)調(diào) 公式的推導(dǎo)。 圖表多 要求能看懂、會(huì)用，了解適用的范圍和變化趨勢(shì)。 實(shí)踐性強(qiáng)不僅要讀懂書(shū)，還要多聯(lián)系實(shí)際，要注重實(shí)踐

4、性環(huán)節(jié)。 無(wú)重點(diǎn)又都是重點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。 設(shè)計(jì)問(wèn)題無(wú)統(tǒng)一答案更多地談?wù)撜l(shuí)設(shè)計(jì)得更好，要注意發(fā)展求異思維。機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介2 機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介三、學(xué)習(xí)中注意的幾個(gè)問(wèn)題 著重學(xué)習(xí)零件的設(shè)計(jì)方法以及零件參數(shù)的合理選擇。 除了理論分析和計(jì)算以外，更應(yīng)重視零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。 設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算。 性能要求與經(jīng)濟(jì)性 永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾，應(yīng)學(xué)會(huì)合理地解決這一對(duì)矛盾。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì) 二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介3 機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介水平水平1）掌握通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)原理、方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力；2）樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，

5、了解國(guó)家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策；3）具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力；機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)其中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是查手冊(cè)的能力；4）掌握典型機(jī)械零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本訓(xùn)練；5）對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的新發(fā)展有所了解。機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介1-2 機(jī)械設(shè)計(jì)概述機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)志。 大量地設(shè)計(jì)制造和廣泛采用各種先進(jìn)的機(jī)器，可大大促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度，加速我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)。人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步源于不斷地創(chuàng)新，產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設(shè)計(jì)工作開(kāi)始的。設(shè)計(jì)是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序，要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，首先要有好的設(shè)計(jì)。一、機(jī)器的組成原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)潤(rùn)滑、顯示、照明等輔

6、助系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)部分原動(dòng)機(jī)部分是驅(qū)動(dòng)整部機(jī)器以完成預(yù)定功能的動(dòng)力源； 執(zhí)行部分執(zhí)行部分是用來(lái)完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分； 傳動(dòng)部分傳動(dòng)部分是把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)。我們以洗衣機(jī)為例，來(lái)說(shuō)明機(jī)械的組成：電動(dòng)機(jī)進(jìn)水排水渦輪皮帶傳動(dòng)控制部分：正轉(zhuǎn)時(shí)間 反轉(zhuǎn)時(shí)間圖1 洗衣機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖機(jī)械（機(jī)器）的組成（按功能分）原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)工作機(jī)輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)概述2機(jī)械機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。 零件是機(jī)器的制造單元。 分為： 通用零件：各種機(jī)器中常用的。 (是本課程的主要學(xué)習(xí)對(duì)象） 例如：齒輪、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、軸、聯(lián)軸器軸承、螺栓、 鍵、鉚、焊結(jié)構(gòu)件、彈簧等。

7、專(zhuān)用零件：只在某些特定的機(jī)器中才用到的。（在有關(guān)專(zhuān)業(yè)課中學(xué)習(xí)） 例如：葉片、曲軸等。 部件為完成同一使命在結(jié)構(gòu)上組合在一起并協(xié)同工作的零件。 例如：滾動(dòng)軸承、減速器等。機(jī)械零件 常用泛指零件和部件 機(jī)械設(shè)計(jì)概述幾個(gè)名詞：機(jī)械（機(jī)器）部 件零 件圖3 機(jī)械（機(jī)器）的組成（按大小分）二、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本程序 一部新機(jī)器，從提出設(shè)計(jì)任務(wù)到形成定型產(chǎn)品，通常需要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段，如右圖所示。機(jī)械設(shè)計(jì)概述3以洗衣機(jī)為例以洗衣機(jī)為例機(jī)械設(shè)計(jì)步驟機(jī)械設(shè)計(jì)步驟計(jì)劃階段計(jì)劃階段提出要求洗衣機(jī)自動(dòng)進(jìn)水洗 滌甩干（脫水）方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)提出盡可能多的解決方法篩選、決策、評(píng)價(jià)（可靠性、經(jīng)濟(jì)上），選出最佳方案。單 缸雙 缸滾

8、 筒模糊控制自適應(yīng)控制雙模控制技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)目的：確定機(jī)械中各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸（量化）繪圖、對(duì)方案具體實(shí)施，出圖。技術(shù)文件編制：技術(shù)文件編制：編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。 機(jī)械設(shè)計(jì)概述三、 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1） 功能要求2） 可靠性要求3） 經(jīng)濟(jì)性要求4） 社會(huì)性要求四、設(shè)計(jì)者應(yīng)具備的基本素質(zhì)1） 掌握并能夠在設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)所需的各種知識(shí)。2） 具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。3） 具有認(rèn)真細(xì)致、一絲不茍的工作作風(fēng)。4） 具有團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。機(jī)械設(shè)計(jì)概述41-3機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1-3 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則幾個(gè)名詞：1）失效： 機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。注意：a) 失效并不單純指

9、破壞，破壞只是失效的形式之一。 機(jī)械零件的可能失效形式很多，主要有：整體斷裂、過(guò)大的殘余變形、零件的表面破壞、破壞正常工作條件引起的失效。 b) 同一種零件可能的失效形式往往有若干種。 例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過(guò)大彈性變形、共振等失效。2）工作能力： 即機(jī)械零件在一定條件下抵抗失效的能力。（如：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性）3）工作能力計(jì)算準(zhǔn)則： 為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。 （也可以理解為是機(jī)械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設(shè)計(jì)零件時(shí)的理論依據(jù)）。一、強(qiáng)度準(zhǔn)則一、強(qiáng)度準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則2機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計(jì)時(shí)，需要以零件的工作能

10、力計(jì)算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計(jì)算，常用的計(jì)算方法（過(guò)程）有兩種： 5）設(shè)計(jì)計(jì)算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計(jì)算 準(zhǔn)則通過(guò)計(jì)算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。 6）校核計(jì)算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗(yàn)算零件是否滿足計(jì) 算準(zhǔn)則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。 載荷和應(yīng)力載荷和應(yīng)力1. 載荷由于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動(dòng)載荷。 靜載荷：大小與方向不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的載荷變載荷：大小或方向隨時(shí)間變化的載荷叫變載荷。按是否隨時(shí)間變化，分為：按是否考慮動(dòng)載荷的影響，載荷分為：機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則3名義載荷： 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不計(jì)動(dòng)載荷的影響）計(jì)算載荷載荷系數(shù)K名

11、義載荷 。 （代表機(jī)器或零件實(shí)際所受載荷） 載荷系數(shù)K：用于計(jì)入動(dòng)載荷的影響。額定載荷： 由原動(dòng)機(jī)的額定功率推算出的載荷。2 . 應(yīng)力應(yīng)力分為靜應(yīng)力變應(yīng)力：機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可 由靜載荷產(chǎn)生。另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷求得的應(yīng)力N.m機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則4（一）整體強(qiáng)度（一）整體強(qiáng)度強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 1. 強(qiáng)度條件 有兩種表示方法：1） 用應(yīng)力表示： Slim2）用安全系數(shù)表示：SSlimS式中：計(jì)算最大應(yīng)力lim極限應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)SS許用應(yīng)力許用安全系

12、數(shù)注：對(duì)于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的 換成 即可。機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則2. 極限應(yīng)力的確定其中S1機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則51 1）靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力）靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力 在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類(lèi)不同，所取極限應(yīng)力也不同。塑性材料 單向應(yīng)力狀態(tài)下： slimslim，（屈服極限）復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。 脆性材料 單向應(yīng)力狀態(tài)下： ，（強(qiáng)度極限）blimblim復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下： 按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則注：1）對(duì)于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì)算靜強(qiáng)度 時(shí)，可不考慮應(yīng)力集中的影響。 2）對(duì)于組織

13、均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，應(yīng) 考慮應(yīng)力集中的影響。2）變應(yīng)力下的極限應(yīng)力）變應(yīng)力下的極限應(yīng)力計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取 疲勞極限 （詳見(jiàn)第二章）。 limrN3. 3. 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù) S 合理選擇許用安全系數(shù) 是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。 過(guò)大，則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重；過(guò)小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應(yīng) 盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。 的取值主要受下列因素的影響SSS 1） 計(jì)算的準(zhǔn)確性； 2）材料的均勻性； 3）零件的重要性。(二）二）表面接觸強(qiáng)度表面接觸強(qiáng)度 對(duì)于高副零件，理論上是點(diǎn)、線接觸，但實(shí)際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點(diǎn)、線接觸變成了

14、很小的面接觸，在接觸處機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則7局部會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用 表示。 的大小用赫茲公式計(jì)算，公式見(jiàn)教材P35P35。（齒輪嚙合時(shí)，大齒輪、小齒輪的接觸應(yīng)力是否相等？）HH機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。 在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度條件為： HH 接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是：疲勞點(diǎn)蝕（簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕）。點(diǎn)蝕的危害： 1）破壞零件的光滑表面，引起振動(dòng)和噪音。 2）減小零件的有效工作面積。 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則8機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則（

15、三）表面擠壓強(qiáng)度（三）表面擠壓強(qiáng)度 兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下，接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用 表示。 p 在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為： pAPp 擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式是“壓潰” 。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。二、剛度準(zhǔn)則二、剛度準(zhǔn)則 剛度是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過(guò)大的彈性變形而失效。 例如：機(jī)床主軸的彈性變性過(guò)大將會(huì)影響所加工工件的精度。P擠壓力，N； A 擠壓面積，mm2；機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則10機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則剛度條件為：實(shí)際變形量許用變形量式中：實(shí)際變形量可用相關(guān)理論計(jì)算或

16、由實(shí)驗(yàn)方法確定。 許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。 注注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。 2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強(qiáng)度，但不能提高零件的剛度。 三、摩擦學(xué)準(zhǔn)則三、摩擦學(xué)準(zhǔn)則 （耐磨性計(jì)算） 到目前為止對(duì)于磨損失效還沒(méi)有一個(gè)完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條 件性計(jì)算，通過(guò)限制影響磨損的主要因素防止產(chǎn)生過(guò)大的磨損量。 即 壓強(qiáng)不超過(guò)許用值 p p 速度不超過(guò)許用值 壓強(qiáng)與速度乘積不超過(guò)許用值 p p 注：限制 p 值就是間接的限制因摩擦而產(chǎn)生的熱量，防止溫度過(guò)高。機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則四、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則 當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自

17、激振 動(dòng)頻率（固有頻率）時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動(dòng)穩(wěn)定性”。 振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：使零件的自激振動(dòng)頻率 f 遠(yuǎn)離外力變化 的頻率 。 即 0.85 f 或 1.15 fFfFfFf 下面我們以設(shè)計(jì)千斤頂立柱為例，來(lái)說(shuō)明機(jī)械零件的設(shè)計(jì)步驟：dl車(chē)自重W=2000kg=2噸s為屈服極限min24SdWs由此可求出d；其中Smin根據(jù)工作環(huán)境來(lái)定。機(jī)械零件的設(shè)計(jì)大體要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：機(jī)械零件的設(shè)計(jì)大體要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟： 1、選擇零件類(lèi)型和結(jié)構(gòu)。 2、載荷分析（受力分析）：W應(yīng)力分析：24dWs Wd43、分析失效分析，如斷裂， ，確定計(jì)算準(zhǔn)則：（依據(jù)防止斷裂失效）4、材料的選擇：45#鋼、40Crs（手冊(cè)查到）5、計(jì)算零件的主要尺寸： 6、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l：