《机械设计概论》PPT课件

2）选择零件的类型与结构 3）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定 零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整 5）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书
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2.2 机械零件的载荷与应力
2.2.1 载荷的分类
静载荷： 不随时间变化或缓慢变化的载荷
变载荷：
1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷
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注意：
1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 γ =C的 情况计算
2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命
要求设计零件时，即应力循环次数103(104)<N<No时， 这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限
N
m
N0 N
，即应以σ-1N
代σ-1
，以σoN代σo
3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现
硬度≥350HBS钢， No=(10 - 25)x107
有色金属(无水平部分)，规定当No>25x107时,近似为无限寿命
区
② m—指数与应力与材料的种类有关。
钢 m=9——拉、弯应力、剪应力 m=6——接触应力
青铜 m=9——弯曲应力
m=8——接触应力
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3）影响机械零件疲劳强度的主要因素
由于实际机械零件与标准试件之间在绝对尺寸、表面状态、 应力集中、环境介质等方面往往有差异，这些因素的综合影响 使零件的疲劳极限不同于材料的疲劳极限，其中尤1、应力集中的影响——有效应力集中系数 k (k )
零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产 生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材 料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感

根据化学成分
碳素钢 合金钢：18CrMnMo、20Cr、20CrMnTi等
铸钢：ZG270 500、ZQ42SiMn
铜合金
非金属：橡胶、塑料、 皮革、木材、纸板、棉 、丝等
2. 材料的选择：使用要求、工艺要求、经济要求
§6-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系
1. 公差与配合
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2420.10.24Saturday, October 24, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。12:28:0212:28: 0212:2810/24/2020 12:28:02 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2412:28:0212:28O ct-2024-Oct-20
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午12时28分2秒 下午12时28分 12:28: 0220.10.24
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2420.10.2412: 2812:28:0212: 28:02Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月24日 星期六12时28分2秒Saturday, October 24, 2020
★机械零件设计的一般步骤:
1、拟定零件的计算简图； 2、确定作用在零件上的载荷； 3、选择合适的材料； 4、根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件
的形状和主要尺寸； 5、绘制工作图并标注必要的技术条件。 注意:
1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计 者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；
1、极限尺寸:
2、公差： 3、公差带： 4、配合：

我国现行标准：国家标准（GB），部颁标 准（JB，YB等），行业标准。出口产品采用国 际标准（ISO）。
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注意:机构 有两个特征: 可动、确定 的运动
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内燃机 连杆
内燃机连杆
套筒
螺栓
垫圈 螺母
连杆体 轴瓦
连杆盖
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机械设计的现代方法
1. 计算机辅助设计（CAD） 借助于计算机进行设计消息处理，利用计算机具有运 算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点，通
➢极限应力lim
极限应力与零件的失效形式有关，而失效形式和应 力有关。
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静应力 失效形式 断裂或塑性 lim
变形
＝ b （脆性材料） ＝ s （塑性材料）
变应力
失效形式
疲劳破坏
lim
＝ r （疲劳极限）
➢ 安全系数S
S用来考虑材料性能的离散性、计算方法的准确性、 零件的重要性等多种不确定因素的影响。主要是根 据经验查表得到。
不等热量传到中心，快速冷却。表面获得高硬度， 而芯部保持韧性。 ➢ 化学表面热处理——将零件放在含有某种化学元 素（碳、氮、铝等）的介质中加热和保温，使该 元素渗透到零件表面。
三、机械零件材料的选择
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1.5 机械零件的工艺性及标准化
1.5.1 零件的结构工艺性——零件的结构在满足使用 要求的前提下，能用生产率高、劳动量小、材料消耗 少和成本低的方法制造出来。
例如发动机的曲轴 。
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3. 有色金属合金 有色金属合金具有特殊性能（高导电性、
导热性、耐腐蚀和减摩性），用在有特殊需要 的场合。 4. 非金属材料 非金属材料的种类繁多，在工程上也发挥着重 要的作用（橡胶、工程塑料、陶瓷）。例如橡 胶密封垫、传动带、树脂材料制作摩擦片、塑 料手柄等等。

机器 由机构组成的具有确定运动的机械装置，能实现能 量的转换或传递能量、物料或信息，实现预 期的工作。如 内燃机、电动机、起重机、金属切削机床和计算机等。 机构 是具有确定运动的构件系统，用来传递运动和力 。 构件 是机器运动的最小单元。 零件 是机器加工制造的最小单元。 机器的组成 由原动机、工作机、传动系统等组成。
保证机械零件在要求的寿命内不出现各种失效。
强度准则 [] ，[]
[]lim
刚度准则
S
[]lim
S
挠度 偏转角 扭转角 振动稳定性准则
磨擦学准则
y y
使受激振作用的各个零件的固有频率f 与激振源的频
率 f p 错开。通常应保证
f p 0.85f 或 f p 1.15f
验算压强 p ≤ [p] 验算pv pv ≤ [pv]
时，就可能发生断裂，属强度不合格。 疲劳断裂 过载断裂
变形过大： s 时发生,属刚度不合格。 振动过大甚至共振 ：振幅超过了许用值。 零件表面失效：
过大接触应力作用造成。 胶合失效（黏着磨损）、点蚀（疲劳磨损）、 磨损失效（磨粒磨损）、塑性变型。 在化学腐蚀介质的接触和作用下产生腐蚀失效 。
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2、机械零件的设计准则
5
具体内容
常用机构设计 连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构（棘轮机构、 槽轮机 构、不完全齿轮机构） 等。 常用通用零部件设计 传动零件：齿轮传动、蜗杆传动、带传动、螺旋传动等。 联接零件: 螺纹联接、键联接、销联接等。 轴系零件：轴、轴承（滑动轴承、滚动轴承、联轴器等 。
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齿轮传动
蜗杆传动
带传动
2. 方案设计
按设计任务书的要求，尽量构思出多种可行的设计方案，通过对 比、筛选，优选出一种功能满足要求、工作原理可靠、结构设计合理、 制造成本低廉的最优方案。

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机械设计基础概论
§1.5 本课程的研究内容、性质及任务
• 本课程研究的内容：
常用机构、常用的传动和通用的零部件的工作 原理、结构特点、基本设计理论、计算方法和国 家标准的应用等内容。
• 本课程的性质
机械设计基础是建立在画法几何及机械制 图、理论力学、材料力学、工程材料及金 工等课程的基础上的一门技术基础课。
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机械设计基础概论
§1.3 机械零件的材料及其选用
•常用材料
常 用 的 材 料
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1、金属材料—力学性能较好，能满足机械零 件的多种性能和用途要求，应用广泛。
2、高分子材料—原料丰富，耐腐蚀性较好， 主要用于化工设备和冷冻设备中。
3、陶瓷材料—硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高， 主要用于切削刀具等结构中。
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零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳 而产生的表面破坏失效。
如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、 胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷 超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。
机械设计基础概论
1.4.2机械零件的设计准则
设计准则
•强度准则、刚度准则 •寿命准则 •振动稳定性准则 •可靠性准则
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失效形式及设计计算准则
1.4.1机械零件的主要失效形式
整体断裂
零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的 应力超过零件的强度极限而发生的断裂。
过大的残 余变形
零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的 过大残余变形而导致的失效。
零件的表 面破坏
正常工作 条件破坏
4、复合材料—具有较高的强度和弹性模量， 主要用于航空、航天等领域。

一.基本概念
静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 例螺栓拧紧应力、吊钩应力。
变应力：随时间变化的应力。 具有周期变化特性的变应力——循环变应力 。静Βιβλιοθήκη 力变应力平均应力： m
max
min
2
应力幅：
a
max
min
2
循环特性： r min max
a.当 max min时， r=－1，称为对称循环变应力。 有： a max min ; m 0
（4）功能失效
不能完成预定功能。 带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。
注意：
一个零件可能同时存在多种失效形式。 如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲 劳点蚀、胶合、塑性变形等。
对于一具体零件，应根据其主要失 效形式，采用相应的设计准则，计算结 构尺寸，然后对其他失效形式进行校核 。 ——机械设计的工作在两个方面：设计 、校核。
p lim F dF S0 S dS
应力按方向分正应力和剪应力。
失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。
工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力 。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的 安全工作限度。含时间和载荷两个要素。
三.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
第9章 机械零件设计概论
9.1 机械零件设计概述 一. 机械设计的要求： 1）在满足预期功能的前提下，性能好、效率
高、成本低。
2）在预定使用期限内，安全可靠、操作方便 。
3）方便维修、外观造型美观。 4）与时俱进 ，要有实时性。 不同的机械类型要求内容：
功能要求：满足运动、传力、工艺动作、零 部件工作可靠等。

机械零件设计概论
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前言 机械零件设计概述
机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料
铸铁 含碳量>2% 钢 含碳量≤ 2% 铜合金
铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减 震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力
交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应 m 力 ma2 x： min
应力幅 a： ma2 xmin
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三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。具有以下特征：
失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。
准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
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1、强度准则
失效形式
计算准则
1. 整 体
静应→整体 力 破坏
整体断裂(脆性材料) 过大的残余变形
强
（塑性材料）
B S
静 强
S S 度
度 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)

要求。
案例三：航空发动机叶片设计
总结词
航空发动机叶片设计是机械设计中的高难度案例，需 要综合考虑气动性能、材料科学和制造工艺等多个方 面的因素。
详细描述
航空发动机叶片设计需要精确计算叶片的气动性能， 选择合适的材料和加工工艺，以确保发动机的性能和 可靠性。同时，还需要考虑叶片的振动、疲劳和耐腐 蚀等方面的要求。在设计中，需要运用先进的计算和 分析工具，以确保设计的可行性和可靠性。
案例二：机器人结构设计
总结词
机器人结构设计是机械设计中的又一重要案 例，涉及到运动学、动力学、材料科学等多 个学科领域。
详细描述
机器人结构设计需要综合考虑机器人的运动 性能、负载能力、精度和稳定性等方面的要 求。在设计中，需要对机器人的整体结构进 行合理布局，选择合适的材料和加工工艺， 以确保机器人的性能和寿命。此外，还需要 考虑机器人的可维护性和可扩展性等方面的
机械设计标准与规范
国家标准与行业标准
01
了解常用的机械设计相关国家标准和行业标准。
设计规范与准则
02
掌握机械设计的基本规范和准则，如强度、刚度、稳定性等。
标准化设计方法
03
了解标准化设计的基本原则和方法，以提高设计效率和质量。
03
机械设计方法论
机械设计方法论 创新设计方法
总结词
强调创新思维和创造性解决问题的方法
CFD技术
总结词
计算流体动力学
详细描述
CFD技术即计算流体动力学，通过计算机模拟流体流动、传热等物理现象，优化机械产 品的流体性能。
智能设计技术
要点一
总结词
基于人工智能的设计技术
要点二
详细描述
智能设计技术基于人工智能和大数据，能够自动进行设计 推理、优化和创新，提高设计效率和创新能力。

目的
机械设计的目的是在满足预定功能的前提下，优化机械产品的性能、提高效率和降低成本。
机械设计发展历程
手工设计阶段
01
早期的机械设计主要依靠设计者的经验和手工计算，设计效率
低下且精度不高。
计算机辅助设计阶段
02
随着计算机技术的发展，CAD等设计软件广泛应用于机械设计
领域，大大提高了设计效率和精度。
智能化设计阶段
根据连接件和紧固件的受力情况和工作环境等因素，选择合适的类型（如螺栓、螺母、 销钉等）和尺寸。
进行连接件和紧固件的强度计算
根据连接件和紧固件的载荷和应力分布等参数，进行必要的强度计算，以确保连接件和 紧固件在运转过程中不发生失效。
考虑连接件和紧固件的防松和防腐措施
为保证连接件和紧固件的可靠性和使用寿命，应采取有效的防松和防腐措施，如采用锁 紧装置、表面涂层等。
轴上需要安装轴承、齿轮等零件时，应设计相应的轴肩、键槽等结 构，以实现零件的准确定位和紧固。
保证轴的加工和制造工艺性
轴的结构应尽量简单，易于加工和热处理，以降低制造成本和提高 生产效率。
齿轮传动零件设计要点
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选择合适的齿轮类型和材料 根据传动功率、转速和工作环境等因素，选择适 合的齿轮类型（如直齿、斜齿、锥齿等）和材料 （如钢、铸铁等）。
包括强度、塑性、硬度、韧性等指标，以及影响材料力学性能的 因素。
材料的种类与选用
介绍常用工程材料的种类、性能特点及应用范围，如金属、非金属、 复合材料等。
材料的热处理与表面工程
讲解材料的热处理原理、方法及应用，以及表面工程技术的种类、 特点及应用。
制造工艺基础
铸造工艺
介绍铸造工艺的原理、 特点及应用范围，包括 砂型铸造、特种铸造等。

线性规划和非线性规划是数学规划中的两个重要分支， 在工程设计问题中均得到了广泛应用。
另外，对于一个优化问题，如果可以用一个目标函数 来衡量，称之为单目标优化问题；如果需要用两个或 两个以上的目标函数来衡量，则称之为多目标优化问 题。其中单目标优化是多目标优化的基础。
2 遗传算法
遗传算法是模拟生物在自然环境下的遗传和进化过程 而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。它最早 由美国密执根大学的Holland教授提出，起源于20世 纪60年代对自然和人工自适应系统的研究。
4） 形成匹配集。根据种群中各个染色体的适应度函数值， 采取一定的选择方法，从种群中选出适应值较大的个染色 体（其中有些染色体是重复的），称这个染色体的集合即 为匹配集。这一过程即为选择操作。
5） 按某种复制规则进行繁殖。由匹配集中的个染色体繁 殖产生个新的染色体，得到一个新的种群。繁殖方法主要 有两种：交叉和变异。
遗传算法的特点
遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传 机制的随机搜索法。它与传统的算法不同，大多 数古典的优化算法是基于一个单一的度量函数的 梯度或较高次统计，以产生一个确定性的试验解 序列；遗传算法不依赖于梯度信息，而是通过模 拟自然进化过程来搜索最优解，它利用某种编码 技术，作用于称为染色体的数字串，模拟由这些 串组成的群体的进化过程。
（8）遗传算法具有可扩展 性，易于同别的技术混 合。
则的或有噪声的情况下，
也能以很大的概率找到
全局最优解。
遗传算法的缺点
（1）编码不规范及编码 存在表示的不准确性。
（2）单一的遗传算法编 码不能全面地将优化问 题的约束表示出来。考 虑约束的一个方法就是 对不可行解采用阈值， 这样，计算的时间必然 增加。