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机械设计太原理工大学机械设计教研室•课程介绍重要性：机械是现代各行业的基础，是物质生产的基本工具，其应用水平是一个国家技术水平和现代化程度的重要标志，也是信息化产业的基础。设计则是产品生产的第一道工序，其成败很大程度上是在本阶段决定的。在课程体系中的地位：专业基础课性质：是一门论述机械零件设计理论、研究机械零件设计方法的设计性技术基础课。是多学科知识的综合运用。具有综合性、设计性。内容：通用机械零件的设计理论和方法任务：•１）掌握机械设计所必需的基本知识、基本理论和基本技能，解决通•用零件设计问题:包括设计计算，结构设计、绘制工作图•２）独立进行传动装置的设计；•３）熟悉国家标准、手册、规范等，并正确运用；•４）培养学生树立正确的设计思想。特点：•三性：综合性、设计性、实践性•四多：公式多而繁、概念多、图表多、系数多•。学习方法:•理论联系实际•抓核心，抓概念，不要死抠公式，注意与基础课的•不同•学会利用手册等资料•Everythingimportantissimple•本课所用教材《机械设计》（第四版）－－丘宣怀等编高教出版社配套习题集•参考书《机械设计》--许镇宇等主编高教出版社相关机械设计手册课堂教学62学时实验课8学时•成绩评定方式期末考试80%+平时20%第一篇总论•机械设计概论•机械零件的工作能力和计算准则•机械零件的疲劳强度•摩擦，磨损，润滑•机械常用材料和制造工艺性第一章机械设计概论•主要内容：•⑴机械设计中的基本概念•⑵设计机器的基本原则和设计程序•⑶机械零件设计概论•⑷结构设计•⑸机械设计的新发展1.1基本概念（机械设计=机械+设计，故我们先学习一些机械的概念）•机器：执行机械运动的装置，其特征有：１）人为实物组合，或由机构组成；２）各部分之间有确定的相对运动；３）用来代替或减轻人的劳动左右用工或转换能量。•例如：汽车、飞机、绞肉机等等•机器的组成辅助系统，例如：润滑、显示、照明等原动机部分传动部分控制系统执行部分•机械：机器及机构的总称。•零件：组成机器的必不可拆的基本单元称机械零件。如：螺钉、齿轮等•部件（模块）：为完成统一使命，在结构上组合在一起，并协同工作的零件集合•通用零件：在各种机器中普遍使用的零件•专用零件：只在一定类型的机器中使用的零件•标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件或部件1.2设计机器的基本原则和设计程序•1.2.1设计机器应满足的要求使用要求（功能要求）经济要求人机工程要求（操作、安全、美感等）绿色要求（节能、低噪、重用、低污染）•1.2.2设计方法内插（修修改改）外推（部分创新）开发•1.2.3设计程序•（P3）1.3机械零件设计概述•1.3.1设计机械零件应满足的要求避免在预期寿命期内失效结构工艺性的要求经济性要求质量小的要求可靠性要求•1.3.2设计步骤确定原理方案确定零件载荷（名义载荷与计算载荷，Fc=KF、Pc=KP、Tc=KT）选择材料确定尺寸结构设计•1.3.3校核•1.3.4设计时应遵循的“三化”要求标准化（尽可能选择标准件）系列化（基本结构相同，通过改变辅助尺寸成为系列产品，减少设计量）通用化（各种产品中尽量采用统一的零部件）1.4机械设计的新发展•精密微型•CAD•CAE•虚拟设计•工业设计end机械零件的主要失效形式第二章机械零件的工作能力和计算准则•失效：零部件不能满足工作要求称为失效破坏正常工作条件引起的失效：打滑、胶合、共振整体断裂：拉，压，弯，扭过大的残余应力：加工，热处理零件表面的破坏：点蚀、磨损，热处理•工作能力：不发生失效时的工作限度•计算（设计）准则：（要满足的条件）–○强度准则：σ≤［σ］或τ≤［τ］；［σ］＝或［τ］＝τmin/s–○刚度准则：ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］φ≤［φ］–○耐磨性准则：验算压强：ｐ［ｐ］，单位接触面上单位时间产生摩擦功不太大，控制ｐｖ≤［ｐｖ］–○可靠性准则：按传统强度设计方法设计零件，由于材料强度，外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现这种失效情况的概率控制在一定程度之内，这就对零件提出可靠性要求。–○可靠度：机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续工作的概率。•2.1载荷和应力的分类–载荷是机械设计中的重要参数，是重要的设计目标之一，也是造成失效的重要原因•2.1.1载荷分类–静载荷：不随时间变化的载荷–动载荷：随时间变化（周期或非周期、大小、方向、位置）的载荷–名义载荷：根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷（F、P、T）–计算载荷：考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载荷–Fc=KF,Pc=KP,Tc=KT(K参见P12)•2.1.2应力分类（载荷无法衡量工作极限，需要用应力,见P12）–静应力：只能由静载荷产生–变应力对称循环脉动循环可以变载荷产生也可以由静载荷产生(P13)非对称循环–应力循环特性r:最小与最大应力之比–变应力的描述：用σmax，σmin，σm，σa，r五个参数中的任意两个来描述2.2机械零件的强度•2.2.1两种判断零件强度的方法–应力法•σ≤[σ]=σlim/[Sσ],τ≤[τ]=τlim/[Sτ],–安全系数法–Sσ=σlim/σ≥[Sσ],Sτ=τlim/τ≥[Sτ],•2.2.2静应力强度–失效形式：塑性变形或断裂–单向应力时极限应力采用屈服极限σs,τs–复合应力时的塑性材料（τmax是破坏主因按第三、强度理论，单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论，公式见P１４）–脆性材料极限应力采用强度极限σB,τB•2.2.3变应力强度（主要破坏形式是疲劳，见下章）•2.2.4许用安全系数–根据工作情况选择，在保证安全可靠的情况下，尽可能小（具体P15）•2.2.5提高机械零件强度的措施•（材料、截面积及结构等方法，结构见P16）•2.3机械零件的表面强度–在零件整体没出现断裂、塑性变形等情况下，零件表面也可能出现破坏失效，这种失效由表面强度确定–表面强度分：①表面接触强度；②表面挤压强度；③表面磨损强度；•2.3.1表面接触强度–产生原因：力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大（P19图）–计算：赫兹公式（P19，理解，并理解课本上的两个例题）–失效形式：•静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形•循环接触：表面疲劳磨损（疲劳点蚀），产生原因及过程见P20–强度指标（极限应力）•静载荷：最大许用接触应力σHmax≤[σH]max•循环接触：接触疲劳极限（在规定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象的极限应力）σHmax≤[σH]•2.3.2提高表面接触强度的主要措施–增大接触表面的综合曲率半径，以降低接触应力（赫兹公式）–将外接触改为内接触，将点接触改为线接触，降低接触应力（课本上例子）–提高表面质量，使接触面更均匀，降低接触应力，同时减少缺陷，避免发生应力集中–提高表面硬度，延缓点蚀–采用黏度高的润滑油，减轻油挤入裂纹，形成油压••2.3.3表面挤压强度–产生原因：局部应力过大–失效形式：压溃（表面塑性变形）和表面破碎–计算公式：σp=F/A≤[σp],A为曲面接触时的投影面积（见P22）•2.3.4表面磨损强度–计算准则：–滑动速度低，载荷大时p≤[p]–中速时：pv≤[pv]–高速时：pv≤[pv]；v≤[v]•2.3.5提高表面磨损强度的主要措施–采用合适的摩擦副材料，如：钢－青铜–提高表面硬度，降低表面粗糙度–采用有效的润滑剂和润滑方法–防尘、防高温•2.4机械零件的刚度–刚度：在载荷作用下抵抗弹性变形的能力•2.4.1刚度的影响–刚度不足影响机器的正常工作，加速零件失效（弹性零件则需要较小的刚度）•刚度计算–ｙ≤［ｙ］或θ≤［θ］φ≤［φ］•影响刚度的因素及其改进措施–材料对刚度的影响•弹性模量大则刚度大，但同类金属材料的弹性模量相差不大，故没必要用合金钢代替普通钢来提高刚度–结构对刚度的影响•截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的截面•支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩（见p24图）•采用加强筋–在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高（具体原因见１８章）•2.5机械零件的冲击强度•2.5.1冲击强度和冲击变形计算（P25）–讨论计算公式，并定性地了解结论•2.5.2提高冲击强度和缓冲能能力的措施–增加柔性（柔性结构设计、低弹性模量材料、增加橡胶、弹簧垫等）–避免冲击（予紧防止出现间隙）•2.6温度对机械零件工作能力的影响•2.6.1对摩擦磨损的影响–温度过高造成润滑油黏度下降，导致吸附油膜破裂，太低会使油黏度过大，甚至凝固•2.6.2温度对材料膨胀和收缩的影响–热胀冷缩，设计时要采取补偿措施（见P29表2.5)•2.6.3温度对材料力学性能的影响–高温下金属强度一般会急剧下降，低温时钢强度提高，但变脆；有色金属在低温下一般无冷脆性，且强度及塑性均有提高，所以低温设备常用有色金属制造．–蠕变：在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象，如高温高压的管道管壁逐渐变薄–改善蠕变的措施：采用耐热钢、冷却和隔热–松弛：由于塑性变形而引起的，原予紧零件应力逐渐减小的现象–改善松弛的措施：采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查•2.7机械零件的振动稳定性•2.7.1振动稳定性–失稳：机器或零件发生共振时，振幅会急剧增大，从而丧失振动稳定性，这种现象称为失稳•2.7.2减轻振动的措施–采用对称结构，减少悬臂长度、缩短中心距等–对转动零件进行平衡–利用阻尼消耗振动–设置隔振零件•2.8机械零件的可靠性•2.8.1可靠性概念–可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力–可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，–Rt=Nt/N=1-Nf/N–累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率–Ft=Nf/N=1-Rt–Rt+Ft=1•例题：铆钉联接，两块钢板材料均为Q215，F=500000N，•求：各部分尺寸。MPapMPaMPa400180200•解：分析失效方式及计算公式1。钉剪切2板挤压3板拉断4板边剪切sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2(24)2(2)(3)(242142•F1=F2=F3=F4=F5=F由1：d=18.8取d为18由2：S=6.6取S为7由3：b=54.7取b为55由4：e=29.3取e为30end第三章机械零件的疲劳强度•疲劳计算（设计）的方法–安全－寿命设计：在规定的工作周期内不允许出现疲劳裂纹，一旦出现即认–为失效（传统设计方法）–破损－安全设计：允许存在裂纹并缓慢扩展，但必须保证在规定的工作周期内，–仍能–安全可靠地工作•3.1疲劳断裂的特征（机械失效的主要原因，P36）–疲劳源－光滑的发展区－粗糙的断裂区（罪魁祸首是应力集中）•3.2疲劳曲线和疲劳极限应力图•3.2.1疲劳曲线–疲劳极限（P37）–有限寿命区和无限寿命区–循环基数N。及N。次循环的疲劳极限σrτr–疲劳极限的计算方法（P38）–说明（P38-39）–例题3.1•3.2.2疲劳极限应力图(P40)–构成（由σaσm组成的坐标系）–三个特殊点–简化疲劳应力图画法–安全区、疲劳失效区、塑性失效区的位置–极限应力的获得（P41表3.2）•3.3影响机械零件疲劳强度的主要因素•3.3.1应力集中–应力集中系数计算（P41－p42公式说明及图表）–说明–减缓截面突变可降低–降低材料强度极限可降低敏感系数q–有多个集中源时，按最大有效应力集中系数计算•3.3.2尺寸的影响–尺寸越大，应力集中也越大–尺寸系数见（P43图）•3.3.3表面状态的影响–计算公式（P43）–铸铁对表面状态不敏感–钢的强度极限越高，表面越粗糙则低，故高强度钢需要采用更高的表面质量–采用淬火、渗碳、抛光、滚压等方法可以