机械设计教案

机械设计教案机械设计总学时为64学时共4个学分，因实验为单独设课，所以讲课为64学时。一、课程的性质、目的与任务机械设计是以一般通用零部件的设计为核心的设计性课程，而且是论述它们的基本设计理论与方法，用以培养学生具有设计一般机械的能力的技术基础课程。本课程的目的与任务在于培养学生：1、掌握通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计理论与设计计算方法。2、初步树立正确的设计思想，了解设计的一般规律，具有设计机械传动部件及简单机械的能力，以及培养学生独立解决问题和分析问题的能力。3、具有运用标准、规范、手册、图表和查阅有关资料的能力。4、学会典型零件的实验方法，获得实验技能的基本训练。二、课程的内容与基本要求第一章绪论(一)内容1、机器在经济建设中的作用2、机器的基本组成要素3、本课程的内容、性质、任务(二)基本要求了解机器在经济建设中的作用及机器的组成；明确零件的概括分类及零件与机器的关系。明确本课程的内容、性质和任务；注意本课程与先修课程及后续课程的关系和相应的学习方法。(三)重点、难点及学习注意事项一是机器的主体及其基本组成要素和机械零件的分类，机械零件(局部)和机器(总体)的关系；二是本课程的内容、性质与任务。学习时的注意要点是，除了掌握本章的基本内容外，还应联系本课程的性质与特点，积极探索具有针对性的学习方法。(四)本章用时1个课时第二章、机械及机械零件设计概要(一)内容1、机器的组成2、设计机器的一般程序3、对机器的主要要求4、机械零件的主要失效形式5、设计机械零件时应满足的基本要求6、机械零件的计算准则、设计方法7、机械零件设计的一般步骤8、机械零件材料的选用原则9、机械零件设计中的标准化(二)基本要求1、明确机器的组成，了解机器的要求及其设计程序。2、深刻理解机械零件的失效形式及应满足的基本要求。3、深刻理解机械零件的设计准则及设计方法。4、了解机械零件的一般设计方法，重视结构设计及标准化工作。5、一般了解机械零件的材料及选用原则。(三)重点、难点及学习注意事项本章特点在于从机器设计的总要求出发，引出与机械零件设计有关的一些原则性问题。这些问题，例如设计机器的一放程序、机械零件失效形式、零件的设计要求、设计准则、设计方法、设计步骤及材料选择等，始终贯穿在本书以后的各章中。在本章的学习中，由于学生还没有接触到各个具体零件的设计内容，所以不大容易深刻地掌握本章的内容．也无法和以后的各章建立联系。因此，本章的学习首先就是要从总体上建立起机器设计，尤其是机械零件设计的总括性的概念，即从机器的总体要求出发，引出对机械零件的要求，根据零件的失效形式，拟定出设计准则，在选择出适用的材料后，按一定的步骤，用理论设计或经验设计的方法，设汁出机械零件来。这个过程的系统性是很严密的。它对以后各章的学习都具有提纲挈领的作用。其次，还要掌握对机器和机械零件的基本要求。这些要求不管列出多少条，从本质上讲却只有两条：1)提高机器总体效益；2)避免失效。第一条要求是相对的，随着科学技术的发展，对总体效益的要求总是不断变化的。第二条要求却是最基本的，即在达到设计寿命前的任何时候，对机器和零件总是有避免失效的要求的。以上学习要求可能一下子难于掌握，因此要求学生在以后各章节的学习中，不断地结合各章的具体分析来逐步加深理解。(四)本章用时2个课时第三章、机械零件的强度(一)内容1、材料疲劳的两种类别2、高周疲劳和机械零件的疲劳强度计算3、机械零件的接触强度(二)基本要求掌握常用的强度理论，并能正确运用；正确选用强度计算中的极限应力；熟练掌握极限应力线图的绘制与分析；熟练掌握稳定变应力时的疲劳强度计算及等效转化概念；了解单向不稳定变应力的疲劳强度计算。(三)重点、难点及学习注意事项常用强度理论的正确运用及强度计算中极限应力的正确选定；极限应力线图的意义、绘制；稳定变应力时的疲劳强度计算。强度准则是最重要的设计准则。本章把各种零件强度计算的共性问题集中到一起，略去零件的具体内容，而突出阐述强度设计计算的基本理论和方法。使学生了解，以后各章中各种强度计算方法从本质上来讲都是一样的。不同零件的强度计算公式在形式上的不同，仅来源于零件本身的特殊性，以及设计工作中沿用的一些惯例，而不是强度计算方法的原则有什么不同。1．对§3—2疲劳曲线内容的说明绝大多数通用零件都是在变应力下工作的，因此，各式各样的疲劳破环是通用零件的主要破坏形式。1)式(3—1)是描述疲劳曲线右侧(CD)部分的一种公式。除该式以外，在专门讨论疲劳强度的文献中还会看到其它形式的公式。但式(3－1)是有关公式中形式最简单、参数最少、又能满足工程计算的精确性要求，并且应用起来员为方便的公式，所以在设计中应用最广泛。2)教材图3—3上N0和ND是两个不同的循环次数。N0是人为规定的值，所以在不同的文献中，其值常有差异。而ND是随着材料所固有的性质的不同，通过试验来确定的一个常数。由于试验技术上的原因，各文献上对同一材料所介绍的从值也往往有所不同。这主要是因为试验条件及方法不同所致。2．对§3—2极限应力线图的说明要得到疲劳强度计算时的极限应力线图，应当在各种不同应力循环待性r条件下进行材料的疲劳试验，先求出各不同r时的疲劳曲线。然后，根据这些不同的疲劳曲线，得到很多个对应于不同循环特性时的材料的疲劳极限σrN。利用这些σrN，才能在σa=σm坐标上绘制出材料的极限应力线因。这是一条曲线，即图3-1所示。可是要得到这一条曲线，需要耗费惊人的物力及时间。因此，人们提出只利用很少的几个试验数据来近似地求得在工程应用上足够精确的极限应力曲线的方法。3．对§3—2单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算的说明单向稳定变应力虽然在实际的机械零件中是较少见的工作状况，但它的计算方法却是疲劳强度计算的基础。这是因为人们所知道的材料抗疲劳破坏的机械性能——σ－1或σ0都是在实验室中按照单向稳定变应力的工作状况用试验方法决定的原故。因此，一定要学好本节的内容。在本节内容中，平均应力σm和应力幅σa作为描述变应力的一对参量。首先要明确的是：在一个已知的工作应力点(σm，σa)条件下，由于零件中应力变化规律的不同，可以求出对应于此工作应力点的无数个极限应力，即极限应力曲线上任何一个点所代表的极限应力都有可能作为该工作应力的极限应力。对于基本的典型曲应力变化规律，可以列出r＝c，σm＝c及时σmin＝C这三种情况下的极限应力计算方法。其次，零件在任一种应力变化规律下，都有可能出现静应力破坏或疲劳破坏的情况。到底哪一种破坏更易于发生，则取决于应力变化曲线首先和极限应力曲线的哪一段相交。如首先和AG部分相交，就说明零件将会首先发生疲劳破坏；如和GC部分相交，则首先会发生静应力破坏。由此导出不同的强度校核公式。4．对§3—2单向不稳定变应力时疲劳强度计算的说明单向不稳定变应力时强度计算的依据是疲劳损伤累积假说，迈纳尔(Miner)法则。这是一个基于能量观点的假说。该假说认为材料发生疲劳破坏，是该材料上所作用的外力对材料所作的功积累到一定值时的必然结果，并认为同等的变应力中每一应力循环都作同等的功，都对材料起同样的损伤作用。虽然Miner法则在许多实验条件下与试验数据不能很好地吻合，但作为概念，它还是反映了总和损伤率的统计关系。因此，就工程计算精确性的意义上来说还是可用的。5．对§3—2双向稳定变应力时的疲劳强度计算的说明双向稳定变应力时的计算依据是图3—12及式(3—33)。式(3—33)是用于间相位对称循环的弯曲和扭转变应力联合作用的情况。对于—般的平面应力状态，可以应用最大切应力理论进行强度计算。事实上式(3—33)就是弯曲、扭转联合作用下最大切应力理论的表达式。由此可见，在变应力条件下最大切应力理论也是大致符合于试验结果的。6．对§3－3机械零件接触强度的说明和所有其它条件下的强度一样，接触强度计算也包括接触应力的计算、极限应力与许用应力的确定以及强度条件的校核三部分。极限应力与许用应力的确定，就是根据试验数据来确定接触疲劳极限，然后再根据使用经验确定安全系数，从而计算出许用应力。应当特别指出，用试验方法求接触疲劳极限时，由于试验条件的不同，可能有纯滚动及滚动带滑动两种情况。同样的材料在这两种条件下得到的接触疲劳极限值是有不小的差别的。(四)本章用时5个课时，作业为光盘“机械设计自测CAI”第三章内容及机械设计作业集选2题。第五章、螺纹联接和螺旋传动(一)内容1、螺纹2、螺纹联接的类型及标准联接件。3、螺纹联接的预紧4、螺纹联接的防松5、螺栓联接的强度计算6、螺栓组联接的设计7、螺纹联接件的材料及许用应力8、提高螺纹联接强度的措施9、螺旋传动(二)基本要求1、了解螺纹及螺纹联接的类型、结构、主要参数及应用等基础知识，结合机械设计手册进行学习。2、理解预紧的目的及预紧力矩的计算，明确防松的必要性及其基本方法。3、熟练掌握单个螺栓联接的变形协调关系、受力分析及强度计算。4、熟练掌握螺栓组联接的结构设计、受力分析及强度计算。5、对螺纹联接的材料及许用应力作一般了解，能正确选用；注意螺栓及螺母材料的级别及含义。6、正确理解提高螺栓联接强度的各项措施及原理。7、能参照教材设计螺旋传动。(三)重点、难点及学习注意事项1、各类不同外载荷情况下，螺栓组中各螺栓的受力分析；2、螺栓联接的强度计算，尤其是承受轴向拉伸载荷的紧螺栓联接的强度计算。其中较为复杂的问题是承受倾覆力矩的底板螺栓组联接的设计。3、提高螺栓联接强度的措施4、§5—1和§5—4都是叙述性的内容，对做好螺栓联接的设计是必不可少的基本知识，应当结合阅读机械设计手册，仔细复习。螺纹及螺纹联接件大都已标准化。设计时，对不太重要的螺纹联接一般只需根据不同情况进行选用，不需自行设计。对重要的螺纹联接，设计计算也只是确定螺栓危险截面的直径(螺纹小径)，螺栓联接的其它部分尺寸由标准选定。但是，这并不排斥在个别特殊情况下，根据特殊的需要而自行设计某种非标准的螺纹联接件。螺纹联接的设计主要是螺栓组联接的设计(因为工程实际中螺栓联接通常是成组使用的)。其设计工作包括两部分内容：第一部分内容是正确进行结构设计，通过受力分析找出受力最大的螺栓；第二部分内容是按照单个螺栓联接的强度计算公式来设行这个受力最大的螺校的尺寸．其余的螺栓则按同样尺寸选用。5、在设计螺栓组联接时，应正确解决以下几个问题：①螺栓组的布置螺栓组中螺栓的个数及其在接合面上的市置方案，一般可参考现有设备按经验确定。不同的布置方案将影响总的载荷在各个螺栓上的分配。在计算总载荷在各螺栓中的分配时，可以采用这样的步骤：先将总载荷分解，分解后所得到的载荷不外乎轴向力、横向力、扭矩和弯矩等四种基本情况；接着就按这四种情况分别进行载荷分配计算，然后再迭加起来，便得到了总载荷在各螺栓中的分配情况。在这四种基本情况中，承受倾覆力矩的底板螺拴组联接的载荷分配计算是一个难点，学习时要注意所采用的简化假定及受载前后各部分的载荷相应力变化的关系。②确定螺栓的拧紧力矩紧螺栓联接所需要的扳子力矩和由此而产生的预紧力的大小，可以利用机械原理中关于螺旋副摩擦阻力的公式进行计算。拧紧力矩过大，将对强度产生不利的影响，而过小又不能保证联接的可靠性。因此，对于重要的螺拴联接，拧紧力矩或预紧力必需加以控制。所以，进行计算是必要的，而且应将计算的结果标注到相应的装配图纸上。与这一问题相连系的扳手拧紧力矩或预紧力的测定方法，以及拧紧后的防松措施，也必需考虑好。③确定螺栓直径螺柱的直径计算是整个螺栓联接设计的核心部分。因为只要直径定了，就可以根据标准确定螺栓其它部分的尺寸(螺栓的长度可根据被联接零件的厚度和螺母、垫圈等的厚度来确定)。教材中介绍了螺栓直径的简化计算方法，以及螺栓疲劳强度的精确校核方法。在螺栓疲劳强度的精确校核中，螺栓联接的受力变形线图应该给于特别的注意。弄清楚为什么当紧螺栓联接受到轴向拉仲裁荷时，它的预紧力会变小，而螺栓组总载荷并不是预紧力与外载荷的和。在这个基础上，了解为什么降低螺栓刚度、增大被联接件刚度以及增大顶紧力盯以提高螺栓的抗疲劳能力。④提高螺栓