1、鄭州航院機(jī)電工程系,課程名稱：機(jī)械設(shè)計(jì),授課專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化,講 授 人：李法新,2011年9月,機(jī)械設(shè)計(jì)課程基本信息,（一）課程名稱：機(jī)械設(shè)計(jì),（二）學(xué)時(shí)學(xué)分：周3學(xué)時(shí)，4學(xué)分,（三）預(yù)修課程：機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理,（四）使用教材：,1.龔桂義主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（第三版）.北京： 高等教育出版社，2002。,濮良貴主編.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社（第七版）,2001。,（五）教學(xué)參考書,（六）教學(xué)方法：課堂講授，啟發(fā)式教學(xué)，課題討論，當(dāng)堂測試。,（七）教學(xué)手段：多媒體教學(xué)，錄像。,（八）考核方式：閉（開）卷考試。,（九）其他要求：嚴(yán)格考勤，注重學(xué)生

2、課堂表現(xiàn)及課堂參與情況。,2.龔桂義主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊（第三版）.北京：高等教育出版社，2002。 3.周開勤主編.機(jī)械零件手冊(第四版 ).北京:高等教育出版社, 1994。 4.邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版 ).北京:高等教育出版社,1997。,第一章 緒論,教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí) 教學(xué)目的與要求：理解機(jī)械及機(jī)械設(shè)計(jì)，并了解本課程 的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)、特點(diǎn)及應(yīng)有的學(xué)習(xí)方法。 教學(xué)內(nèi)容：機(jī)械及機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)課程的性質(zhì)、 內(nèi)容及任務(wù)，以及特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法。 教學(xué)重點(diǎn)：機(jī)構(gòu)的組成。 教學(xué)難點(diǎn)：如何理解零件和構(gòu)件的區(qū)別與聯(lián)系。,第一節(jié) 引 言,機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)

3、志。,機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各個部門提供裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重任。,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) 國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度，加速我國的現(xiàn)代化建設(shè)。,人類社會的進(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)。,機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的“靈魂”。,第二節(jié) 機(jī)器的基本組成要素,機(jī)械機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。,機(jī)械零件是機(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)對象） 齒輪、鏈傳動、帶傳動、軸、聯(lián)軸器軸承、螺栓、 鍵、鉚、焊結(jié)構(gòu)件、彈簧等。,專用零件：只在某些特定的機(jī)器中才用到的。 葉片、

4、曲軸等。,部件：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：滾動軸承、減速器等。,機(jī)械零件 常用泛指零件和部件,第三節(jié) 本課程的性質(zhì)、內(nèi)容和特點(diǎn),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)械類專業(yè)的一門非常重要的主干課。,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。,本課程的基本教學(xué)內(nèi)容主要是通用零件的設(shè)計(jì)和計(jì)算。,本課程是一門適用性廣、實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程。主要 介紹通用零件的基本設(shè)計(jì)方法。,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 件和機(jī)構(gòu)以及其他先修課的知識，設(shè)計(jì)機(jī)械傳動裝置和 簡單機(jī)械

5、的能力。,本課程的性質(zhì)和內(nèi)容,二、機(jī)器的組成,傳動裝置在原動機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間傳遞運(yùn)動、轉(zhuǎn)換運(yùn)動方式的裝置。機(jī)械傳動裝置是本課程研究的主要內(nèi)容之一。,三、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。 要求多 設(shè)計(jì)一個機(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。 門類多 典型的通用零件多、類型多；各類零件，設(shè)計(jì)方法 各有不同。 公式多 除了定義式以外，對于大多數(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、會用，了解適用的范圍和變化趨勢。,實(shí)踐性強(qiáng)不僅要讀懂書，還要多聯(lián)系實(shí)際，要注重實(shí)踐 性環(huán)節(jié)。,無重點(diǎn)又都是重點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也

6、會 導(dǎo)致嚴(yán)重事故。,設(shè)計(jì)問題無統(tǒng)一答案更多地談?wù)撜l設(shè)計(jì)得更好，要注意發(fā) 展求異思維。,四、注意的幾個問題,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)是一對矛盾，應(yīng)學(xué)會合理地解決 這一對矛盾。,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)。,第四節(jié) 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則,一、幾個名詞：,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) 失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之。,機(jī)械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。,

7、b) 同一種零件可能的失效形式往往有若干種。 軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過大彈性變形、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。,3）承載能力： 對載荷而言的工作能力。（也就是用載荷表示的工作能力）,4）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)）。,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)則通過計(jì)算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。,6）校核計(jì)算

8、：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。,二、載荷和應(yīng)力,1 載荷,由于運(yùn)動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。,靜載荷,變載荷,按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：,載荷和應(yīng)力2,名義載荷： 在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。 （不考慮動載荷的影響）,計(jì)算載荷載荷系數(shù)K名義載荷 。 （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)入實(shí)際工作中受到的各種動載荷的影響。,額定載荷： 由原動機(jī)的額定功率推算出的載荷。,2 應(yīng)力,smax最大應(yīng)力； smin最小應(yīng)力,sm平均應(yīng)力； sa應(yīng)力幅值,r 應(yīng)力比（循環(huán)特性）,循環(huán)應(yīng)力,對稱循環(huán),脈動循環(huán),循

9、環(huán)應(yīng)力：,靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）,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。,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,三、強(qiáng)度準(zhǔn)則,強(qiáng)度：機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。,1） 用應(yīng)力表示：,2）用安全系數(shù)表示：,式中：,計(jì)算最大應(yīng)力,極限應(yīng)力,計(jì)算安全系數(shù),許用應(yīng)力,許用安全系數(shù),注：對于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的 換成 即可。,1 靜應(yīng)力下的強(qiáng)度,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。材料種類不同，所取極限應(yīng)力也不同。,復(fù)合應(yīng)力：,按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。,復(fù)

10、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。,注：1）對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）對于組織均勻的低塑性材料（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。,單向應(yīng)力狀態(tài)下：,，,2 循環(huán)應(yīng)力下的強(qiáng)度,計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取疲勞極限,3 許用安全系數(shù),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。安全系數(shù)過大，則機(jī)器會過于笨重；過小，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)。 安全系數(shù)的取值主要受下列因素的影響,1）計(jì)算的準(zhǔn)確性； 2）材料的均勻性； 3）零件的重要性。,4 表面接觸疲勞強(qiáng)度,對于高副

11、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)、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處。,接觸強(qiáng)度2,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。,局部會產(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。,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：,接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是：疲勞點(diǎn)蝕（簡稱點(diǎn)蝕）。,點(diǎn)蝕的危害： 1）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。 2）減小零件的有效工作面積。,擠壓強(qiáng)度及剛度準(zhǔn)則,5 表面擠壓強(qiáng)度,兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用

12、下，接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用 表示。,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：, ,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。,四、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，有些零件則會因?yàn)楫a(chǎn)生過大的彈性變形而失效。,例如：機(jī)床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。,剛度準(zhǔn)則及振動穩(wěn)定性,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：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

13、零件的強(qiáng)度，但不能提高零件的剛度。,五、振動穩(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激振 動頻率（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“失去振動穩(wěn)定性”。,振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：使零件的自激振動頻率 f 遠(yuǎn)離外力變化 的頻率 。 即 0.85 f 或 1.15 f,六 耐磨性準(zhǔn)則,防止產(chǎn)生過大的磨損應(yīng)滿以下條件： 壓強(qiáng)不超過許用值 pp 速度不超過許用值 vv 壓強(qiáng)與速度乘積不超過許用值 pvpv,在滑動摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因?yàn)檫^度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對于磨損失效還沒有一個完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條件性計(jì)算，通過限制影響磨損的主要條件防止產(chǎn)生過大的磨損量。,耐磨性計(jì)算,七熱平衡準(zhǔn)則,八可靠性準(zhǔn)則： 系統(tǒng)、機(jī)器或零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)