機(jī)械設(shè)計第一篇總論

機(jī)械設(shè)計第一篇總論第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一本章重點(diǎn)了解本課程的基本內(nèi)容、性質(zhì)機(jī)器的作用及組成機(jī)器的基本要素——零件

本課程的基本內(nèi)容、性質(zhì)、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法主要內(nèi)容

第一章緒論第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一一、機(jī)械的作用1、機(jī)械工程與科學(xué)是一門古老的學(xué)科在古代人類使用杠桿、滾子、繩輪和凸輪等簡單工具，后來逐漸發(fā)明了指南針、地動儀、紡織機(jī)和蒸汽機(jī)等許多機(jī)械。經(jīng)過18世紀(jì)第一次工業(yè)革命，以及當(dāng)今世界以知識經(jīng)濟(jì)為特征的產(chǎn)業(yè)革命的推動，人類又發(fā)明了電子計算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、人造衛(wèi)星和火星探測儀等高新技術(shù)產(chǎn)品。第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、機(jī)械工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用

機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的主要標(biāo)志之一。以機(jī)械科學(xué)為基礎(chǔ)的制造業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，是社會的財富，也是國家富強(qiáng)和國防穩(wěn)固的基礎(chǔ)。據(jù)報道，美國約60%的財富來源于制造業(yè)，日本約50%的國民生產(chǎn)總值是由制造業(yè)創(chuàng)造的。據(jù)統(tǒng)計，80年代我國制造業(yè)的產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的1/4強(qiáng)。目前已達(dá)到38%以上。第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一3、機(jī)械設(shè)計的地位與作用

①經(jīng)濟(jì)競爭歸根結(jié)底是設(shè)計和制造能力競爭工業(yè)化國家的財富60—80%是制造業(yè)創(chuàng)造的制造是將科技轉(zhuǎn)化為財富的最后環(huán)節(jié)各發(fā)達(dá)國家重新重視制造業(yè)第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一②機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)管理模式的轉(zhuǎn)變第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一③制造業(yè)市場競爭圍繞TQCSF展開第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一④競爭的焦點(diǎn)之一是設(shè)計設(shè)計是科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的紐帶設(shè)計是引進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的重要環(huán)節(jié)沒有現(xiàn)代化設(shè)計就沒有現(xiàn)代化產(chǎn)品第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一⑤設(shè)計是影響產(chǎn)品技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一現(xiàn)代企業(yè)三部分開發(fā)設(shè)計制造市場銷售將核心工作放在本企業(yè)，兩頭在內(nèi)，中間在外第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一二、機(jī)械的基本組成

零件：組成機(jī)器的不可拆的基本單元（即制造單元）。

部件：為完成同一使命而協(xié)同工作的許多零件的組合。如：滾動軸承、聯(lián)軸器。機(jī)械零件零件又分為：通用零件、專用零件機(jī)械的主體是機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)總是由一些機(jī)構(gòu)組成，每個機(jī)構(gòu)又是由許多零部件組成的。所以機(jī)械的基本組成要素就是機(jī)械零部件。第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一三、本課程的性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)1、課程的性質(zhì)機(jī)械設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。在機(jī)械各類專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)計劃中是主干課程。本課程在教學(xué)內(nèi)容方面著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實(shí)踐能力方面重視設(shè)計構(gòu)思、創(chuàng)新意識和設(shè)計技能的培養(yǎng)。

第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、內(nèi)容研究普通工作條件下，一般尺寸參數(shù)的通用零件的設(shè)計理論與方法。具體內(nèi)容：

①總論：機(jī)械設(shè)計中帶有共性的問題，有關(guān)設(shè)計的理論和原則；②聯(lián)接零件：螺紋聯(lián)接、鍵及花鍵聯(lián)接等；③傳動零件：帶、鏈、齒輪、蝸桿傳動等；④軸系部分：軸、軸承等；⑤其它部分：彈簧、箱體、變速器等。

第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一3、任務(wù)

①培養(yǎng)學(xué)生掌握通用零件的設(shè)計原理、方法和機(jī)械設(shè)計的一般規(guī)律；②樹立正確的設(shè)計思想，了解國家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策；③具有使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊及查閱資料的能力；④掌握典型零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練；⑤了解機(jī)械設(shè)計的新發(fā)展。第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一本章重點(diǎn)機(jī)械零件的失效形式及計算準(zhǔn)則

機(jī)器總體設(shè)計的概述機(jī)械零件的失效形式、零件的設(shè)計要求、計算準(zhǔn)則及方法等本章難點(diǎn)機(jī)械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則主要內(nèi)容

第二章機(jī)械設(shè)計總論第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§2-1機(jī)器組成原動機(jī)傳動裝置—→工作機(jī)—→控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)（儀表、照明等）轎車組成：第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一計劃階段方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計技術(shù)文件的編制試制、試驗(yàn)、鑒定、生產(chǎn)信息反饋、修改

§2-2機(jī)械設(shè)計的一般程序第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)械零件設(shè)計的內(nèi)容分析工作原理類型選擇受力分析改進(jìn)與發(fā)展結(jié)果分析與設(shè)計簡化模型失效分析建立計算準(zhǔn)則第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

§2-3機(jī)械設(shè)計的基本要求使用功能的要求經(jīng)濟(jì)性要求（設(shè)計、制造、使用全過程）“三化”--標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化勞動保護(hù)要求壽命、可靠性要求其它專業(yè)要求（精度、安裝、拆卸等）第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一失效零部件不能滿足工作要求稱為失效。機(jī)械零件的主要失效形式整體斷裂（過載和疲勞）：強(qiáng)度極限零件表面的破壞：磨損、腐蝕、接觸疲勞破壞正常工作條件引起的失效：打滑，共振，膠合過大的殘余變形：屈服極限

§2-4機(jī)械零件的主要失效形式第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)械零件設(shè)計的基本要求：避免在預(yù)期壽命期內(nèi)失效的要求（強(qiáng)度、剛度、壽命、耐磨性、振動穩(wěn)定性、可靠性等）結(jié)構(gòu)工藝性的要求經(jīng)濟(jì)性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求§2-5設(shè)計機(jī)械零件的基本要求第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§2-6機(jī)械零件的計算準(zhǔn)則第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§2-7機(jī)械零件的設(shè)計方法1、理論設(shè)計

1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。

2）根據(jù)機(jī)器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。（F、P、T）

3）選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

4）根據(jù)零件工作能力準(zhǔn)則，確定零件的主要尺寸兩種計算方法：

a）設(shè)計計算：直接求出危險截面尺寸A。第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

b）校核計算：其他方法初步設(shè)計→驗(yàn)算。

5）畫零件圖。2、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，用類比的方法所進(jìn)行的設(shè)計。如：箱體、傳動件個各結(jié)構(gòu)要素等3、模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計把初步設(shè)計的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如：飛機(jī)、橋梁的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§2—8機(jī)械零件材料

一.鋼：含Ｃ量＜1.4％→常用碳素鋼（含Ｓ、Ｐ量）→普通、優(yōu)質(zhì)碳素鋼合金鋼→結(jié)構(gòu)、軸承、彈簧、工具、不銹鋼二.鑄鋼：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型三.有色金屬：有特殊性能(減摩、抗腐、電…）價昂→少用四.非金屬：塑料、橡膠、玻璃、陶瓷、復(fù)合材料

鑄鐵:

含Ｃ＞2.06％→易成型、價廉、吸振、可靠性差第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

§2—9機(jī)械零件設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化：（兩重含意）

分類

使用強(qiáng)制性

推薦使用：

盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計機(jī)械零件

國際ISO、國家GB、部標(biāo)(JB、YB、QB)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

制圖、公差、形位……

標(biāo)準(zhǔn)直徑→必須執(zhí)行：按運(yùn)用范圍→第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

§2-10機(jī)械設(shè)計新發(fā)展

1、基礎(chǔ)理論：深化、擴(kuò)展—學(xué)科交叉與整合（摩擦學(xué)、彈性流體動力潤滑理論、斷裂力學(xué)）2、靜態(tài)設(shè)計→機(jī)械系統(tǒng)“動態(tài)設(shè)計”

3、新設(shè)計方法：優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、逆向設(shè)計、工業(yè)設(shè)計等。4、設(shè)計技術(shù)發(fā)展：人工→計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）

AutoCAD、SolidEdge、UG、SolidWork、ProE等。5、機(jī)械產(chǎn)品本身的轉(zhuǎn)折：傳統(tǒng)機(jī)械→機(jī)電一體化、智能化。

第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度本章重點(diǎn)變應(yīng)力的種類疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線的用途

變應(yīng)力的基本類型及參數(shù)疲勞曲線及極限應(yīng)力曲線零件的疲勞強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度本章難點(diǎn)極限應(yīng)力曲線的理解及應(yīng)用主要內(nèi)容第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

補(bǔ)充內(nèi)容一、應(yīng)力的分類靜應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向不隨時間而變化或變化緩慢的應(yīng)力。零件相應(yīng)的失效形式為塑性變形或斷裂。交變應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時間作周期性變化的應(yīng)力。零件相應(yīng)的失效形式為疲勞破壞。第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一常見變應(yīng)力及其基本變化規(guī)律

變應(yīng)力參數(shù)Oσtσmaxσminσmσaσmax

—

最大應(yīng)力σmin

—

最小應(yīng)力σm

—

平均應(yīng)力σa—

應(yīng)力幅

r—

變應(yīng)力循環(huán)特性第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

對稱循環(huán)變應(yīng)力σm=0

r=-1σmin=0

r=0脈動循環(huán)變應(yīng)力例：火車輪軸、雙向轉(zhuǎn)動的齒輪輪齒的彎曲應(yīng)力例：單向轉(zhuǎn)動的齒輪輪齒的彎曲應(yīng)力第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

非對稱循環(huán)變應(yīng)力-1<r<0

0<r<1

第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一tOσ

r＝+1

靜應(yīng)力變應(yīng)力參數(shù)不隨時間改變的變應(yīng)力稱為穩(wěn)定變應(yīng)力；變應(yīng)力參數(shù)隨時間改變的變應(yīng)力稱為不穩(wěn)定變應(yīng)力。隨機(jī)變應(yīng)力σm=σmax=σmintOσ第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

二、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度

強(qiáng)度問題：

靜應(yīng)力強(qiáng)度：通常認(rèn)為在機(jī)械零件整個工作壽命期間應(yīng)力變化次數(shù)小于103的通用零件，均按靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計。（材料力學(xué)范疇）

變應(yīng)力強(qiáng)度：在變應(yīng)力作用下，零件產(chǎn)生疲勞破壞。疲勞破壞定義：

金屬材料試件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過長時間的試驗(yàn)而發(fā)生的破壞。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一疲勞破壞的特征：1）零件的最大應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜應(yīng)力的強(qiáng)度極限時，就可能發(fā)生破壞；2）即使是塑性材料，在沒有明顯的塑性變形下就可能發(fā)生突然的脆性斷裂。疲勞破壞的原因：材料內(nèi)部的缺陷、加工過程中的刀痕或零件局部的應(yīng)力集中等導(dǎo)致產(chǎn)生了微觀裂紋，稱為裂紋源，在交變應(yīng)力作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，直至零件發(fā)生突然斷裂。第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§3-1材料的疲勞特性

材料的疲勞性能是通過試驗(yàn)來測定的。在材料的標(biāo)準(zhǔn)試件上加上一定循環(huán)特性r（通常是對稱循環(huán)）的等幅變應(yīng)力，通過試驗(yàn)，記錄出在不同最大應(yīng)力下引起試件疲勞破壞所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N。一、材料的疲勞曲線（σ-N曲線）第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一σrONCDNDσrNσr∞σrNσr∞無限壽命疲勞極限持久疲勞極限對應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N時的彎曲疲勞極限ND分界轉(zhuǎn)折點(diǎn)水平直線段N>ND

無限壽命區(qū)曲線段N≤ND有限壽命區(qū)應(yīng)用：求有限壽命（為N）時的疲勞極限

m—

材料常數(shù)Nσr—

循環(huán)基數(shù)ND=106~25×107

N0第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一A′D′G′C45°45°σ0/2σ-1σ0/2σSσmσaOσaσ-1OσmσS二、材料的極限應(yīng)力線圖（等壽命疲勞σa-σm曲線）安全區(qū)疲勞區(qū)塑性區(qū)CG`：塑性極限分界線A：對稱循環(huán)點(diǎn)（0，σ-1）D：脈動循環(huán)點(diǎn)（σ0/2，σ0/2）C：屈服極限點(diǎn)（σS，0)AG`：疲勞極限分界線第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一A′D′G′Cσ0/2σSσmσaOADG

§

3-2機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一例：在圖示出的極限應(yīng)力圖中，M點(diǎn)為工作應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)力循環(huán)特性r=常數(shù)，NO線與橫坐標(biāo)軸間夾角＝40°。則該零件所受的應(yīng)力類型為____。A、不變號的不對稱循環(huán)變應(yīng)力B、變號的不對稱循環(huán)變應(yīng)力C、對稱循環(huán)變應(yīng)力D、脈動循環(huán)變應(yīng)力第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一一、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計算

步驟：

①根據(jù)零件載荷及結(jié)構(gòu)情況，求σmin、σmax及σa、σm，并將其標(biāo)在零件的極限應(yīng)力線圖中，如圖中M、N點(diǎn)；②求該工作應(yīng)力點(diǎn)的零件疲勞極限σ′max。？如何尋找極限應(yīng)力第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一說明：應(yīng)遵循與工作應(yīng)力變化規(guī)律相一致的原則，一般工作應(yīng)力有三種變化情況：

r=C（機(jī)器中轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力狀態(tài)）；

σm=C（加載振動彈簧）；

σmin=C（受軸向力的緊螺栓聯(lián)接）。但通常采用r=C來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算。③建立計算安全系數(shù)的計算公式，進(jìn)行計算。第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

1、r=C的情況當(dāng)r=C時，找出一個與工作應(yīng)力變化規(guī)律相同的極限應(yīng)力。

直線OM′1方程：直線AG方程：聯(lián)解可求出σ′ae、σ′me，于是M′1點(diǎn)的零件極限應(yīng)力第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

則（疲勞強(qiáng)度計算公式）

當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)N處于OGC區(qū)時：

第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一2、σm=C的情況聯(lián)解直線MM′2和AG方程，可得M′2點(diǎn)的坐標(biāo)σ′ae、σ′me，于是M′2點(diǎn)的零件極限應(yīng)力

則第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一3、σmin=C的情況（自學(xué)）說明：

①具體設(shè)計零件時，如果難于確定應(yīng)力可能變化的規(guī)律，在實(shí)踐中往往采用r=C時的公式；②對于剪切變應(yīng)力，只需把以上各公式中的正應(yīng)力符號σ改為切應(yīng)力符號τ即可；第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一一、接觸應(yīng)力的產(chǎn)生——點(diǎn)或線接觸所產(chǎn)生的應(yīng)力§3—4機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度接觸應(yīng)力局部應(yīng)力，不同與擠壓應(yīng)力二、接觸應(yīng)力的性質(zhì)1、接觸應(yīng)力呈半橢圓形分布，接觸點(diǎn)處應(yīng)力最大2、兩物體上應(yīng)力大小相等第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一赫茲公式三、接觸應(yīng)力的計算公式影響接觸應(yīng)力的因素：曲率半徑材料接觸線長度第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一本章重點(diǎn)摩擦的分類及彈性流體動力潤滑的基本原理

摩擦的分類及機(jī)理磨損的種類及過程流體動力潤滑的基本知識本章難點(diǎn)彈性流體動力潤滑的基本原理主要內(nèi)容第四章摩擦、磨損及潤滑概述第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一摩擦：兩個接觸表面作相對運(yùn)動或有相對運(yùn)動趨勢時，在表面間會產(chǎn)生抵抗相對運(yùn)動的阻力的自然現(xiàn)象。

摩擦具有二重性：

一方面，摩擦是有利的；

此時摩擦約束條件是：摩擦必須足夠大，即摩擦系數(shù)或摩擦力矩或摩擦力應(yīng)大于規(guī)定的許用值，以保證機(jī)器工作的可靠性；

另一方面，摩擦是有害的，會帶來能量損耗、工作溫度上升，還會產(chǎn)生振動和噪聲；

此時摩擦約束條件是：摩擦系數(shù)、溫升不超過許用值，效率不低于許用值或摩擦的能耗不超過許用值等。第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一摩擦的分類：

內(nèi)摩擦與外摩擦；靜摩擦與動摩擦；滑動摩擦與滾動摩擦。

根據(jù)摩擦副的表面潤滑狀態(tài)，滑動摩擦可分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦。

§4—1摩擦第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一1.干摩擦：兩摩擦面間無任何潤滑劑，固體表面直接接觸。摩擦、磨損大ｆ＝0.30～0.35

分子—機(jī)械理論：粘著作用和刨犁作用2.邊界摩擦：兩摩擦面由吸附著的很簿的邊界膜隔開的摩擦ｆ＝0.01～0.1邊界膜：物理吸附膜、化學(xué)吸附膜化學(xué)反應(yīng)膜第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一3.液體摩擦：兩摩擦完全被液體油膜隔開的摩擦ｆ＝0.001～0.008

油膜：靜壓油膜和動壓油膜4.混合摩擦：干、邊界、液體摩擦并存最常見

第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一影響摩擦的主要因素

(1)表面膜的影響：用自然或人工的方法在金屬表面上形成一層很薄的膜，可以降低摩擦；

(2)摩擦副材料性質(zhì)的影響：互溶性較大的金屬摩擦副，摩擦系數(shù)較大；反之，摩擦系數(shù)較小。材料的硬度對摩擦系數(shù)也有一定的影響，一般而言，硬度越高，摩擦系數(shù)越小。

(3)摩擦副表面粗糙度的影響：表面粗糙度數(shù)值減小，摩擦系數(shù)越低。

(4)摩擦表面間潤滑的影響：干摩擦的摩擦系數(shù)一般大于0.1；邊界摩擦、混合摩擦次之，通常約在0.01～0.1之間；液體摩擦的摩擦系數(shù)最小，油潤滑時最小可達(dá)0.001～0.008第54頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一§4—2磨損磨損量一、定義和過程磨損：由于表面的相對運(yùn)動使工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。磨損過程：磨合磨