1、机械设计概论,0-1 机械的组成0-2 本课程的内容、性质和任务0-3 机械设计的基本要求和一般程序0-4 机械零件的工作能力和计算准则0-5 机械设计中常用材料的选用原则0-6 许用应力和安全系数,0-1 机械的组成,顾名思义，本课程研究对象为：机械机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。天然工具 简单机器 工业革命 现代机器如：火车的发展：,蒸汽机车内燃机车电力机车高速列车磁浮列车,起重机的发展:,斜面杠杆起重轱辘滑轮组手动(电动)葫芦现代起重机（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）,蒸汽机车,内燃机车,电力机车,高速
2、列车,磁浮列车,机械,机构,机器,机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。,机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。,如:缝纫机、洗衣机、数控车床、发射塔等。,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,缝纫机,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),潘存云教授研制,洗衣机,数控车床,发射塔、运载火箭都是庞大的机器。,内燃机,工作原理：,1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入气缸；,2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；,3.高压燃烧气体推动活塞下行
3、，两气阀关闭；,4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出气缸。,内燃机,组成：,气缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,推杆8、,齿轮9、10,内燃机的工作过程：,进气,压缩,爆炸,排气,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：,内燃机各部分的作用：,曲柄滑块机构,凸轮和推杆用来启闭进气阀和排气阀，将凸轮的连续转动转变为推杆的往复移动，称为：,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，改变转速的大小和方向，称为：,各部分协调动作的结果：,齿轮机构,根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成：,原动部分是机器的动力来源，最
4、常见的是电动机和内燃机。,工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分使机器的原动部分、传动部分、工作部分按一定的 顺序和规律运动，完成给定的工作循环。保证机器 的启动、停止和正常协调动作。,轿车组成：,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动，完成有用功或实现能量的 转换。,根据工作类型，机器可分为：,动力机器实现能量转换,工作机器完成有用功,信息机器获取或处理各种信息,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,用来传递力或实现运动的转换。,机构的分类：通用机构和专用机构。,通
5、用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。,机器与机构的关系：,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合 而成的。,从结构和运动学的角度分析，机器和机构之间并无区别，都是具有确定相对运动的各种实物的组合，所以，通常将机器和机构统称为机械。,由机器与机构的共有特征可知：机构主要用来传递和变换运动；机器主要用来传递和变换能量。,从制造的角度来看，任何机器都是由许多零件组合而成的。,零件组成机器的最小单元，也是机器的制造单元。若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。,从运动的角度来看，机器是由若干可以相对运动的构件组装而成的。构件机器
6、中最小的运动单元。构件可以是单一的零件（如曲轴），也可以是由若干个零件组成的刚性结构。如内燃机中的连杆和齿轮装置。,曲 轴,内燃机中连杆,由三个零件组成的构件,构件与零件的区别：构件是机器的运动单元；零件是机器的制造单元。按用途分，零件可分为专用零件和通用零件。专用零件只在一定类型机器中使用的零件，如内 燃机的活塞、曲轴等。通用零件各种机器中普遍使用的零件，如螺钉、轴、齿轮等。,标准件制定了国家标准，并由专门工厂生产 的零件。如：螺母、螺栓等。,零件 构件 机构 机器,02 本课程的内容、性质和任务,一、本课程的内容 主要阐述机械设计的一般原则和程序、机械的组成、常用的机械传动（如V带传动、链
7、传动、齿轮传动、蜗杆传动和连杆机构、凸轮机构、步进传动机构等）以及通用的联接零件、轴系零件的工作原理、特点和基本设计方法或选用原则。,二、本课程的性质和任务课程性质：技术基础课,研究组成一般机械的常用机构、通用零件和在机械设计中一些常遇到的基本共性问题。,本课程的特点：是工程制图、工程材料、金属工艺学、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。,学习本课程时应注意以下几点：1）要学会具体问题具体分析的方法。,2）本课程的术语、符号、公式较多，必须给以足够 的 注意。,3）要有工程观点。,通过本课程的学习，应达到的基本要求是：1）掌握机构的结构原理、运动特性和机械动力学的基本知
8、识，初步具有分析和设计基本机构的能力，并对机械运动方案的确定有所了解。2）掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，并初步具有设计一般简单机械及常用机械传动装置的能力。3）具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。,03 机械设计的基本要求和一般程序,一、机械设计的基本要求机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。,基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,具体说来，主要有以下几方面：,1、使用要求 实现预定功能，工作可靠2、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
9、：,1）设计中采用“三化”零部件；,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。,4、环保、外观造型要求,颜色、造型，噪音、废气、废液。,5、其他专用要求,3、操作方便，运行安全可靠,二、机械设计的一般程序,机械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,04 机械零件的工作能力和计算准则,一、机械零件的工作能力机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力,机械零件的主要失效形式,过大弹性变形零件的刚度不够
10、引起,塑性变形工作应力超过材料的屈服极限S引起,疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限r引起,过载断裂工作应力超过材料的强度极限B引起,压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力p过大,胶 合 零件工作温升t过高引起,表面疲劳损坏零件表面接触应力H过大引起,计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：,二、机械零件的计算准则,1强度准则针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效,强度指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能
11、导致安全事故。,强度的计算准则为：MPa 或 针对断裂或塑性变形 H H 针对表面疲劳损坏,强度计算准则：,2）,S安全系数，S1,S：经济，不安全,零件的工作正应力；,零件的工作切应力；,材料的许用正应力；,材料的许用切应力；,材料的极限正应力；,材料的极限切应力；,2刚度准则针对过大弹性变形 刚度指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机器正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为：y y；式中，y、和 分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；,由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所以，一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。,机床主
12、轴等弹性变形过大将影响加工精度。,齿轮轴的弯曲挠度过大会影响一对齿轮的正确啮合。,3耐磨性准则针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性 指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：p p 防止过度磨损 pv pv 防止胶合破坏,4振动和噪声准则针对高速机械的振动失稳（即共振）当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率f p时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。防止共振的条件为：f 087 f p 或 f 118 f p式中，f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度
13、f p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率,05 机械设计中常用材料的选择原则,选用原则：,一、使用性能的要求,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,选材因素：,使用要求是指用所选材料做成的零件，在给定的工况 条件下和预定的寿命期限内能正常工作。,二、工艺性能的要求,工艺要求是指所选材料的冷、热加工性能好，热处理 工艺性好。,三、经济性的要求,在满足使用性能的前提下，尽量选用低价格的材料，减少材料的消耗，是零件材料选择的主要原则。,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。,一、载荷和应力
14、一）载荷,载荷构件或零件工作时所承受的外力。,静载荷大小和方向均不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷大小或方向随时间变化的载荷。,根据载荷性质的不同，可分为静载荷与变载荷。,循环变载荷,稳定循环载荷,不稳定循环载荷,随机变载荷,06 许用应力和安全系数,名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的 载荷，按原动机的功率求得。,计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积。,式中，P原动机的额定功率（kW），n额定转速（r/min）。,式中，K考虑各种附加载荷的载荷系数。,也可分为工作载荷、名义载荷与计算载荷。,工作载荷机械正常工作时所受的载荷（一般难以 确定）。,根据名义载荷求出的应力称为名义应力。,根据
15、计算载荷求出的应力称为计算应力。,按照应力随时间的变化情况，应力也可分为静应力和变应力。,静应力不随时间变化或变化很小的应力。,二）应力,变应力随时间变化的应力。,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,规律性不稳定变应力,随机变应力,静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。,作用在转动心轴上的载荷是静载荷，产生的应力却属于变应力。,三）变应力参数及典型变应力,1.变应力参数,最大应力：max 最小应力：min,应力循环特征：用来表示应力的变化情况 r=min/max,平均应力：,应力幅：,注意：五个参数具有符号，计算时要带有符号；max、min是指绝对值而言。,应力类型,a）静应力
16、：r=+1 变应力特例,b）对称循环变应力r=-1,c）脉动循环变应力r=0,2.典型变应力及应力循环特征r,d）非对称循环变应力r 在（-1+1）间变化,二、零件的极限应力,静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形,塑性材料，取屈服极限S 作为极限应力，即。,脆性材料，取强度极限B 作为极限应力，即。,2、变应力下的极限应力,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,1、静应力下的极限应力,变应力作用下零件极限应力：lim=r（疲劳极限）,疲劳破坏的机理：损伤的累积影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。,2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形
17、的脆性突然断裂；,3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。,疲劳曲线应力与应力循环次数N 之间的关系曲线称为：疲劳曲线,当NN0 时，疲劳曲线呈一水平线。,N0-循环基数,N0 对应的应力称为：,疲劳极限（或持久极限）,1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;,疲劳断裂具有以下特征：,用-1表示材料在对称循环应力下的疲劳极限。,当NN0 时,有近似公式：,对应于N 的疲劳极限：,在脉动循环应力下，取疲劳极限0作为极限应力。,三、许用应力和安全系数,1、许用应力：,2.安全系数S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有 影响。,1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2.5 铸钢件：S=1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：,零件尺寸大，结构笨重。,S,可能不安全。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=34,3）变应力下，S=1.31.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.72.5,THE END,
