第一章机械设计的基础知识
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第一章 机械设计的基础知识
§ 1-1绪论
、机械的定义：机器和机构的总称
机器：具有确定相对运动的构件组合体，能做有用的功或实现能量转换。
原动机：系统动力源，将其他形式的能量转化为机械能 工作机：直接完成工艺动作
传动装置：实现原动机与工作机之间的运动与动力传递 该变原动机的速度 例：高T低
改变原动机的运动形式
例：回转T直线（牛头刨床）
控制系统：控制机械系统各单元协调工作 2、具体:
零件是组成机械的制造单元 （机械设计）
构件是组成机械的运动单元 （机械原理）
例：连杆，门
零件——构件——机器（机构、机械）
三、本课程的内容、特点、任务 （1 ）从制造角度分析 1内容
阐述机械设计的基本理论与方法，阐述机械设计的共性问题。
包括通用零件的设计理论、 方法、工作原理、结构特点、失效形式、设计准则、标准规范等。
2、 特点
（1） 技术基础课（理论知识 +工程实际）
（2） 章节联系差
（3） 系数多（机械设计中考虑的因素多，不能全部用理论公式精确表示出来 ，多引入系数修
正）。
3、 任务
（1） 掌握机械设计的基础知识、基本理论、基本技能，具有设计机械传动装置和一般机械 的能力；
（2） 具有使用标准、规范、手册等技术资料的能力。
（3） 培养机械设计系统总体构思能力
§ 1-2机械设计的一般程序
1、 满足使用要求，生产率力高.
2、 安全可靠，有足够的使用寿命.
3、 制造、运行费用低.
4、 操作维护方便
5、 其它要求：运输方便，造型美观
第二个方案，动鄂刚度大、破碎精度高，用于破碎较硬的东西
、机械设计的一般程序
1、 分析设计任务：明确设计目的、要求 .
2、 方案设计：根据任务书的要求，拟定机械系、统的组成与总体布置注，满足同一使用要求可 以有不同的方案。
例：门一单门、双门、旋转门等
3、 运动和动力设计：对选定的方案进行运动和动力分析，确定原动机功率、各零件的运动和动 力参数
4、 施工设计：考虑零件工作的能力及结构工艺性，确定零件的形状尺寸公差配合，绘制整机装 配图和零件工作图
5、 实验、修改设计 、机械应满足的要求
三、机械零件的设计步骤
1建立计算模型 一拟定零件的计算简图
2确定作用在零件上的载荷；
3选择材料；
4根据零件可能的失效形式，选用相应的设计准则，确定零件的形状和主要尺寸;
5根据加工工艺的要求、标准规范等，圆整设计尺寸；
6根据加工和装配要求确定零件的其他尺寸；
7绘制零件工作图，编写设计说明书。
§ 1-3机械零件的失效形式与设计准则
、失效的概念
机械零件在规定的使用条件下、规定寿命期限内，不能完成规定功能 一失效。
、常见失效形式
1、整体断裂：过载断裂、疲劳断裂塑性变形; 2、 表面破坏：点蚀、剥落、胶合、磨损、擦伤;
3、 过大变形：过大弹变一刚度不足
塑性变形一强度不足
4、 强烈的振动；
5、 功能失效。
三、工作能力准则（设计准则）
工作能力准则：在预定的使用期间内，零件不发生失效的安全工作限度。
—衡量机械零件工作能力的指标， 由限制零件工作能力的失效形式决定 决定零件基本尺寸的依据。
1、强度准则（衡量机械零件工作能力的基本准则） 强度：零件抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的能力。
.niimS
-,.—零件的工作应力；
Bib ]—材料的许用应力；
■-lim , lim —材料的极限应力;
S —安全系数。
例：轴强度不足断裂等
2刚度准则 刚度：零件抵抗弹性变形的能力。
y 乞[y], _ , -.:
yc,「一零件工作时的挠度、挠角、转角；
y 1 3,—零件工作时的挠度、挠角、转角的许用值；
例：机床主轴刚度不足，零件加工精度低
注：改变材料对提高刚度无效，改变零件截面，减少跨度是提高刚度的有效措施。
3、 寿命准则
设计寿命L > [L]要求寿命
4、 耐磨性准则
耐磨性：零件抵抗磨损失效的能力。
磨损导致零件尺寸和形状的变化，过度磨损导致精度J 强度J 四、机械零件的常用设计准则 磨料磨损
磨损的种类』粘着磨损（胶合） 磨损的种类丿疲劳磨损（点蚀）
腐蚀磨损
① P勻p]——'艮定表面压强,
② pv兰[pv] 防止表面 p—两摩擦表面间的压强
v—两摩擦表面间的相对速度
5、振动稳定性准则 一限定回转零件的工作频率偏离系统固有频率，避免共振。 f <0.87 fp
[f >1.18 f p
f —激振频率
f p —固有频率
§ 1-4静应力下机械零件的强度计算
、载荷的分类
1 •按载荷性质
|静载荷：F =F（t） =C静载荷的大小，方向不随时间变化
、变载荷：F=F（t）=c f周期性变载荷
2 •按计算方法
名义载荷F:按原动机功率或工作机理想状况下的工作阻力用力学公式计算得到的作用在零 件上的载荷。
计算载荷Fea：考虑载荷在零件上的分布不匀，载荷的波动引起附加动载荷，将名义载荷乘 一个载荷系数 K（K>=1） Fea=F • K 防止放油膜破坏加剧磨损 间温升过漓膜破坏产生胶合
随机变载荷 、应力的分类
1静应力：不随时间变化，或变化缓慢（只能由静载荷产生）
2、变应力：随时间变化的应力（可由静载荷和变载荷产生）
（1 ）稳定变应力：随时间作周期性变化的应力，
可用五个参数描述
r= ± min(| min cr max I，| 莎 max |)
(b max与b min同号取 “ +'异号取，，一 ”)
① 对称循环变应力 咐二「1
I - max= 7 m i n
«crm =0 m
Pmax=Oa
② 脉动循环变应力 咐=0
"Jmax 丄0
:-min =0
1
■- a = ■ m max 2
③ 静应力
J max 二:min 二:m
-a 二0
三、静应力下零件的强度计算 失效形式：塑性变形和静载断裂
1、 应力比较法：危险剖面处的计算应力小于许用应力
-ca 乞口 J”lim $
ca -[ H Hm $
2、 安全系数法：安全系数大于许用安全系数 -[S]
匚ca，.ca —零件的工作应力，单向应力状态：危险截面的最大工作应力 复杂应力状态：由相应的强度理论求计算应力
!「【.】一材料的许用应力
Gim，lim —材料的极限应力，
塑性材料Ciim =：-s ・lim
脆性材料Gim 伽—B
[S]—许用安全系数
1)查表法： 一般机器制造部门都制定自己的许用安全系数 ，可以直接查取.
2)部分系数法：考虑影响安全的各方面因素 ，确定安全系数，通常 [S]=S i S2 S3
Si载荷和应力计算准确性系数 Si =1〜1.5
S2材料的可靠性系数 锻，轧S2 =1.2〜1.5
S3零件的重要性系数 S3 =1〜1.5
3)参照表1-3的荐用值
§ 1-5对称循环变应力下零件的疲劳强度计算
材料的疲劳曲线及疲劳极限
1、疲劳破坏
现象：在低于材料静强度循环变应力的作用下 ，材料发生破坏
.(工程中的零件断裂事故 80%是疲劳破坏)
过程：(1)产生初始裂纹
(2) 裂纹扩展
(3) 瞬断
特点： (1) 小应力cVVc S
(2) 持续性，变应力多次作用
(3) 敏感性，对材料、几何形状敏感
(4) 突发性，突然断裂
2、材料疲劳曲线(二rN -N)
在循环特性为r的变应力作用下，变应力的最大值二rN与材料疲劳破坏时应力循环次数 N(寿 Sc '.Jim
■-1 ca
-[S] 命)之间的关系。 （1） C rN --N曲线分析
实验分析：试件承担的变应力最大值 匚rN与要求的寿命 N与有关
B点，N = N °，'. ‘ rN - r
AB段，有限寿命区： Cr^— N li
BC段，无限寿命区：厂;-r时,N=：：
G ---- 疲劳极限
GN ---- 条件疲劳极限
No——循环基数，对于结构钢 硬度W 350（HBS） No=lO7
>350（HBS） No=25 X107
（2） 有限寿命疲劳极限匚rN
梆• N - ■ m=C （ m, C材料常数）
m N o „
二 rN 二;•• r r K N
■- N
KN ――寿命系数（KN -1） , N No 时，取 KN =1
m --- 与材料，应力状态，热处理方法有关的系数（钢制零件受弯曲时 m=9）
（3） 匚rN --N曲线的近似求法（对于 r=-1时）
取 N=1O‘ 时，（7 -1（1O‘）=O.9 （T B
N=1°7 时，T -1（1。7）=0.5 T B （锻钢）,T -1 （1°7）=0.4 T B （铸钢，铸铁）
将两组数值代入方程 二JN・N =C,可求出m, C,由方程可求出crN --N曲线
、影响零件疲劳强度的因素
说明：材料的Tr是标准试件的疲劳极限。受多种因素的影响，实际零件的疲劳极限低于标 准试件的疲劳极限，进行零件的疲劳强度计算时，必须考虑这些因素对实验结果加以修正。
影响零件疲劳极限的因素主要有 ：
1、应力集中影响
在零件几何形状突变处（过滤圆角，键槽，螺纹孔）产生远大于名义应力的现象。
有效应力集中系数 k ；_、k :
当材料、载荷、尺寸均相目同时，光滑试件与有应力集中试件的疲劳极限之比
对于r= — 1的情况：
, J 光滑标准试件的疲劳极限
k
■ （O'x）k 有应力集中试件的疲劳极限
注：同一剖面有多个应力集中源时，取其中有效应力集中系数最大的计算 2、绝对尺寸影响
尺寸效应：其他条件相同时，随着绝对尺寸的增加，零件的疲劳极限降低的现象。 寿命曲线图
光滑标准试件的疲劳极限 有应力集中试件的疲劳极限
