第1章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述機(jī)械設(shè)計(jì)概述機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、現(xiàn)代一、現(xiàn)代制造業(yè)制造業(yè)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)的地位的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)的地位面臨全球性的市場、資源、技術(shù)和人員的競爭開放的國際市場更具有選擇性，個性化、多樣化的消費(fèi)需求使得市場快速多變傳統(tǒng)的價格與質(zhì)量已不再是決定因素。柔性和響應(yīng)速度的競爭，以適應(yīng)全球市場的動態(tài)變化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)現(xiàn)代現(xiàn)代制造業(yè)制造業(yè)的的T、Q、C、S 、ET（Time）：）：時間、產(chǎn)品開發(fā)的生命周期、交貨期時間、產(chǎn)品開發(fā)的生命周期、交貨期Q（Quality ）:質(zhì)量質(zhì)量C（Cost ）：成本）：成本S（serve ）：服務(wù)）：服務(wù)E（Environment）：環(huán)境）：環(huán)境機(jī)械設(shè)計(jì)基

2、礎(chǔ)二、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法 理論設(shè)計(jì)根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)算 用于能通過簡單的力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的零件 校核計(jì)算 用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力分布較復(fù)雜，但又能用現(xiàn)有的應(yīng)力分析方法（以強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時）或變形分析方法（以剛度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時）進(jìn)行計(jì)算的場合 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系根據(jù)已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或工作經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)式，或工作經(jīng)驗(yàn)用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì) 對使用要求不大變動而結(jié)構(gòu)形狀已典型化的零件，很有效。例如箱體、機(jī)架、傳動零件的結(jié)構(gòu)要素。 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 對尺

3、寸巨大而機(jī)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件，尤其是重型整體機(jī)械零件，為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可采用模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)三、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程社會需求社會需求設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 定義問題 已知條件 合適的假設(shè)方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 編制技術(shù)文件編制技術(shù)文件機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟受力分析受力分析選擇材料選擇材料確定計(jì)算準(zhǔn)則確定計(jì)算準(zhǔn)則理論理論 計(jì)算計(jì)算(參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (CAD/CAE)技術(shù)文檔技術(shù)文檔機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的評價標(biāo)準(zhǔn) 功能功能 作用原理作用原理 結(jié)構(gòu)（最小原則）結(jié)構(gòu)（最小原則） 安全可靠性安全可靠性 人機(jī)學(xué)人機(jī)學(xué) 加工制造加工制造 檢驗(yàn)檢驗(yàn) 裝

4、配裝配 運(yùn)輸運(yùn)輸 使用使用 維修維修 回收回收 費(fèi)用費(fèi)用 法律法律機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)四、本課程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容性質(zhì) 機(jī)類各專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課任務(wù) 樹立正確的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法樹立正確的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法 具有初步設(shè)計(jì)傳動裝置和簡單機(jī)械的能力具有初步設(shè)計(jì)傳動裝置和簡單機(jī)械的能力內(nèi)容轎車的組成 機(jī)體組配氣機(jī)構(gòu)供給系飛輪 曲軸 活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)啟動系冷卻系機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)本課程的內(nèi)容機(jī)械設(shè)計(jì)的一般理論、準(zhǔn)則與方法，重點(diǎn)討論在機(jī)械設(shè)計(jì)的一般理論、準(zhǔn)則與方法，重點(diǎn)討論在普通工作條件下工作的下工作的一般參數(shù)的的通用零部件的設(shè)計(jì)問題的設(shè)計(jì)問題重點(diǎn)分析的零部件分為三類：傳動傳動 包括帶、齒輪、蝸桿等傳動包括帶、齒輪

5、、蝸桿等傳動支承支承 包括滾動軸承、滑動軸承、軸、聯(lián)軸器、離合包括滾動軸承、滑動軸承、軸、聯(lián)軸器、離合器器 、制動器、彈簧、制動器、彈簧連接連接 包括螺紋連接和軸轂連接包括螺紋連接和軸轂連接機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)不同的視角機(jī)器的組成機(jī)器的組成( (從運(yùn)動觀點(diǎn)看從運(yùn)動觀點(diǎn)看) )由機(jī)構(gòu)組成由機(jī)構(gòu)組成( (從制造觀點(diǎn)看從制造觀點(diǎn)看) )由零件組成由零件組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)五、機(jī)械零件的工作能力與計(jì)算準(zhǔn)則五、機(jī)械零件的工作能力與計(jì)算準(zhǔn)則工作能力 在一定的條件下(載荷、環(huán)境、使用期)，零件不發(fā)生失效的安全工作限度主要失效形式 斷裂、過大的殘余應(yīng)變、表面磨損、腐

6、蝕、零件表面的接觸疲勞和共振等某一結(jié)構(gòu)、機(jī)器或機(jī)器零件某一結(jié)構(gòu)、機(jī)器或機(jī)器零件的尺寸、形狀或材料性能發(fā)的尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而不能滿意地執(zhí)行預(yù)生改變而不能滿意地執(zhí)行預(yù)期的功能，就稱為機(jī)械失效。期的功能，就稱為機(jī)械失效。據(jù)美國據(jù)美國1982年統(tǒng)計(jì)，斷裂失效損年統(tǒng)計(jì)，斷裂失效損失為失為ll40億美元，其中可避免的億美元，其中可避免的為為360億美元；腐蝕失效損失為億美元；腐蝕失效損失為720億美元，可避免的為億美元，可避免的為100億美億美元；其中磨損失效損失數(shù)目很大元；其中磨損失效損失數(shù)目很大還未包括在內(nèi)。還未包括在內(nèi)。 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 y y y y 耐

7、磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則 p pp pvp pvpvpv振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則耐熱性準(zhǔn)則耐熱性準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)六、常用材料的選用原則使用要求使用要求 載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況 零件的工作情況零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫零件的工作情況零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度、摩擦磨損的程度等度、摩擦磨損的程度等 工藝要求工藝要求 零件的尺寸及質(zhì)量零件的尺寸及質(zhì)量 零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材料的加工可能性零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材料的加工可能性 經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益 材料的經(jīng)濟(jì)性材料的

8、經(jīng)濟(jì)性 材料的供應(yīng)狀況材料的供應(yīng)狀況 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)七、載荷、應(yīng)力、安全系數(shù)七、載荷、應(yīng)力、安全系數(shù)1、載荷、載荷 靜載荷：大小或方向不隨時間變化或變化極緩慢 變載荷：大小或方向隨時間變化的載荷：載荷：工作載荷：機(jī)械正常工作時所受的實(shí)際載荷(比較難以確定)名義載荷：近似地按原動機(jī)的功率通過計(jì)算求得的載荷計(jì)算載荷：計(jì)及零部件工作中所受的各種附加載荷得到的載荷 FcKF， TcKT載荷：力和力矩載荷：力和力矩機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2、應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力 靜應(yīng)力：不隨時間而變的應(yīng)力 變應(yīng)力：隨時間而變的應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)：穩(wěn)定循環(huán)：不穩(wěn)定循環(huán)：不穩(wěn)定循環(huán)：隨機(jī)：隨機(jī)：maT不隨時間變不隨時間變maT之一隨時間之一隨時

9、間變變變化無規(guī)律變化無規(guī)律僅討論穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力僅討論穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力nP an注意注意：變載荷：變載荷 變應(yīng)變應(yīng)力力靜載荷靜載荷 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 ？或變應(yīng)力或變應(yīng)力變應(yīng)力作用下變應(yīng)力作用下零件的主要失零件的主要失效形式：效形式：疲勞疲勞破壞破壞機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(1) (1) 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力變化的周期、應(yīng)力變化的幅度或平均應(yīng)力變化的周期、應(yīng)力變化的幅度或平均值，其中之一隨時間而變化值，其中之一隨時間而變化 應(yīng)力隨時間按一定規(guī)律周期性變化，而應(yīng)力應(yīng)力隨時間按一定規(guī)律周期性變化，而應(yīng)力變化的幅度和平均值保持常數(shù)變化的幅度和平均值保持常數(shù) (2) (2) 非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力規(guī)律

10、性非穩(wěn)定變應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力 隨機(jī)性非穩(wěn)定變應(yīng)力隨機(jī)性非穩(wěn)定變應(yīng)力 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力1）變應(yīng)力的種類）變應(yīng)力的種類機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)max最大應(yīng)力最大應(yīng)力min最小應(yīng)力最小應(yīng)力2minmaxa應(yīng)力幅應(yīng)力幅2minmaxm平均應(yīng)力平均應(yīng)力maxminr循環(huán)特征循環(huán)特征11r已知已知 2 2 個參數(shù)個參數(shù)確定其余參數(shù)確定其余參數(shù)變應(yīng)力參數(shù)變應(yīng)力參數(shù) ( ( 以正應(yīng)力以正應(yīng)力為例、可將為例、可將替換替換) )ma max、 min：絕對值最大和絕對值最小的應(yīng)力絕對值最大和絕對值最小的應(yīng)力 max、 min在橫坐標(biāo)軸在橫坐標(biāo)軸同側(cè)同側(cè)時，時，r取取正正號；在號；在異側(cè)異側(cè)時，時，r取取負(fù)負(fù)號

11、號2）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力各參數(shù)之間關(guān)系機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)幾種穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力幾種穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(1) (1) 對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力(2) (2) 脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力(3) (3) 靜應(yīng)力靜應(yīng)力minmax0mminmaxa1r)(110min2maxma0r)(000amminmax1r)(11脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力(4) (4) 非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力maxaminm機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Slim正應(yīng)力：正應(yīng)力：Slim剪應(yīng)力：剪應(yīng)力：極限應(yīng)力極限應(yīng)力)(BB脆性材料取強(qiáng)度極限脆性材料取強(qiáng)度極限)(SS塑性材

12、料取屈服極限塑性材料取屈服極限由零件的強(qiáng)度條件由零件的強(qiáng)度條件(1) (1) 靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力與材料性能有關(guān)與材料性能有關(guān)BS3）零件的極限應(yīng)力）零件的極限應(yīng)力機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(2) (2) 變應(yīng)力下的極限應(yīng)力變應(yīng)力下的極限應(yīng)力與材料、循環(huán)次數(shù)與材料、循環(huán)次數(shù)N N、循環(huán)特征循環(huán)特征r r 等有關(guān)等有關(guān)在循環(huán)特征為在循環(huán)特征為r r的變應(yīng)力作用下對一組的變應(yīng)力作用下對一組試樣作疲勞試驗(yàn)試樣作疲勞試驗(yàn)一個一個值、值、記錄下試樣破壞的記錄下試樣破壞的N N 值值當(dāng)當(dāng)值小到某一數(shù)值時，值小到某一數(shù)值時，“無數(shù)無數(shù)”次循環(huán)試樣都不會次循環(huán)試樣都不會疲勞破壞，則用疲勞破壞，則用0N替代替代“無數(shù)無數(shù)”次。次。與與對應(yīng)的應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)力0N0N：r：當(dāng)為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，取其持久極限應(yīng)力當(dāng)為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，取其持久極限應(yīng)力當(dāng)為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取其持久極限應(yīng)力當(dāng)為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取其持久極限應(yīng)力)(1