第一章 机械设计概论

本课程的性质ຫໍສະໝຸດ 内容和特点三、本课程的特点
本课程的特 点
涉及面广 关系多─ 与诸多先修课关系密切。 要求多─ 设计一个机器或零件时，应同时满足强度、刚度、耐磨性、工 艺、等各方面的要求。 门类多─ 典型的通用零件多、类型多；各类零件，设计方法各有不同。 公式多─ 除了定义式以外，对于大多数公式着重于公式的应用，不强调 公式的推导。 图表多─ 要求能看懂、会用，了解适用的范围和变化趋势。 实践性强─不仅要读懂书，还要多联系实际，要注重实践性环节。
§1-3本课程的性质、内容和特点
一、本课程的性质和内容
§1-3本课程的性质和内容和 特点
本课程是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械
设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。
机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。 本课程的基本教学内容主要是通用零件的设计和计算。 本课程是一门适用性广、实用性强的设计性课程。主要介绍通用零件 的基本设计方法。
注意的问题
§1-4机械零件的计算准则
一、几个名词：
§1-4机械零件的 计算准则
1）失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。 注意：a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式之一。
机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有强度、刚度、耐磨性、 振动稳定性以及温度等方面的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、共振等失效。 2）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。 3）承载能力： 对载荷而言的工作能力。（也就是用载荷表示的工作能力） 4）工作能力计算准则： 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的 理论依据）。
挤压应力，用
p 表示。
在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为：
p
≤［
］ p
挤压应力作用下，接触面的失效形式是－－“压溃” 。
注：相互挤压表面上的挤压应力相等。
四、刚度准则 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚 度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。
lim b ， lim b
按第一强度理论计算当量应力。
注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度 时，可不考虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应 考虑应力集中的影响。
机械零件的计算准则
2 循环应力下的强度
计算变应力下的强度时，应取 lim
本课程的最终目的在于培养同学们综合运用各种机械零件和机构以及
其他先修课的知识，设计机械传动装置和简单机械的能力。
本课程的性质、内容和特点
二、机器的组成
本课程的性质和内容
润滑、显示、照明等辅助系统 原动机 传动装置 执行机构
控 制 系
统
传动装置――在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的 装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。
强度准则
强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。
1） 用应力表示：
2）用安全系数表示： 式中： σ —计算最大应力
〔σ σ ≤ 〕
S ≥ 〕 〔S
σ lim 〔σ〕＝ S σ lim S ＝ σ
〔σ〕—许用应力
—许用安全系数 〔S〕
σ lim —极限应力
S —计算安全系数
注：对于切应力，只须将上述各公式中的 σ 换成 τ 即可。
机械零件的计算准则
刚度条件为： 实际变形量≤［许用变形量］
刚度准则及振动 稳定性
式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。 ［许用变形量］－－是保证正常工作所允许的变形量。 注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。 五、振动稳定性准则
机械零件的计算准则
为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能 力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种： 5）设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算 准则通过计算确定零件的结构尺寸。 6）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计 算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。 二、载荷和应力 1 载荷 按是否随时间变化，载荷分为： 静载荷 变载荷
无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。 设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。
本课程的性质、内容和特点
四、注意的几个问题
着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。 除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。 ──设计决非只是计算。 性能要求与经济性 ──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 经验设计与现代设计 ──二者均重要，前者是后者的基础。
在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。
强度条件为：
H
≤
H
接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。 点蚀的危害：
1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。
2）减小零件的有效工作面积。
机械零件的计算准则
5 表面挤压强度
挤压强度及刚度准则
两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力称为
当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件的自激振
动频率（固有频率）时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为 “失去振动稳定性”。
振动稳定性准则：使零件的自激振动频率 f 远离外力变化 的频率
即
fF。
f F ＜0.85 f
或
fF
＞1.15 f
机械零件的计算准则
六、摩擦学准则 （耐磨性计算）
对称循环应力 r = -1、 m＝0
脉动循环应力 r=0、 min＝0
静应力 r=1
注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可 由静载荷产生。 另外，应力还分为 名义应力：根据名义载荷求得的应力 计算应力：根据计算载荷求得的应力
机械零件的计算准则
三、强度准则 强度条件有两种表示方法：
静应力
循环应力：
max─最大应力； min─最小应力
m─平均应力； a─应力幅值
min r ─应力比（循环特性） r max
m
max min
2
a
max min
2
循环应力
机械零件的计算准则
对称循环 常见的循环应力有： 脉动循环
载荷和应力3
静应力（可看作是循环应力的一个特例）
耐磨性计算
到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条
件性计算，通过限制影响磨损的主要因素防止产生过大的磨损量。
即
压强不超过许用值
速度不超过许用值 压强与速度乘积不超过许用值
p ≤［ p ］
υ ≤［ υ ］
pυ
≤［
pυ
］
注：限制 p
υ 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。
载荷和应力1
由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：
机械零件的计算准则
载荷和应力2
名义载荷： 在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）
计算载荷＝载荷系数K×名义载荷 。 （代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。 额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。 2 应力 应力分为
对于高副零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料
发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处
机械零件的计算准则
局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用 H 表示。
接触强度2
H 的大小用赫兹公式计算，公式见教材。
实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。例如齿轮的轮齿， 接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。
接触强度
疲劳极限 rN（详见第二章）。
3 许用安全系数 〕 〔S 合理选择许用安全系数〔S〕 是设计中的一项重要工作。 〕 〔S 过大，
则机器会过于笨重；过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应 尽可能选用较小的许用安全系数。 〕 〔S 的取值主要受下列因素的影响
1） 计算的准确性；
2）材料的均匀性； 3）零件的重要性。 4 表面接触疲劳强度
力度，加速我国的现代化建设。 人类社会的进步源于不断地创新，产品的创新首先是从设计工作开始的。
设计是生产产品的第一道工序，要想生产出好的产品，首先要有好的设计。 机械设计是机械工程的“灵魂”。
§1-2 机器的基本组成要素
§1-2机器的基本组成要素
机械――机器和机构的总称。 机械零件――是机器的制造单元。 分为： 通用零件：各种机器中常用的。 (是本课程的主要学习对象） 例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、 键、铆、焊结构件、弹簧等。 专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。（在有关专业课中学习） 例如：叶片、曲轴等。 部件――为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。 例如：滚动轴承、减速器等。 机械零件 －－常用泛指零件和部件
1 静应力下的强度
机械零件的计算准则
静应力下的强 度
在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料 种类不同，所取极限应力也不同。 塑性材料
单向应力状态下：
lim s
，
lim s
复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。 单向应力状态下：