北科大機械設計課件01總論

總論緒論機械設計概論緒論

一、引言二、本課程的性質與研究對象三、本課程研究的內容、特點和任務一、引言1、機械工程與科學是一門古老的學科機械工程與科學是一門古老的學科，它將人們從繁重的體力勞動中解放出來。在古代人類使用杠桿、滾子、繩輪和凸輪等簡單工具，后來逐漸發明了指南針、地動儀、紡織機和蒸汽機等許多機械。經過18世紀第一次工業革命，以及當今世界以知識經濟為特征的產業革命的推動，人類又發明了電子計算機、數控機床、人造衛星和火星探測儀等高新技術產品。2、機械工業在國民經濟中起著重要作用機械工業的生產水平是一個國家現代化建設水平的主要標志之一。以機械科學為基礎的制造業是一個國家的支柱產業，是社會的財富，也是國家富強和國防穩固的基礎。據報道，美國約60%的財富來源于制造業，日本約50%的國民生產總值是由制造業創造的。據統計，80年代我國制造業的產值占工業總產值的1/4強。目前已達到38%以上。3、機械工業的主要任務研究、設計和發展新的機械裝備及儀器，以適應當前和將來的社會需要。各個產業和工程領域要求機械及其系統性能優良，以便提高能源、材料、勞動和設備的利用率，減少對環境的污染，提高安全性、可靠性和壽命；要求機械及其系統與電子技術相結合，提高自動化程度，提高生產線柔性，以便適應多品種、小批量、常變化的新生產方式。4、機械設計的地位與作用①經濟競爭歸根結底是設計和制造能力競爭工業化國家的財富60—80%是制造業創造的制造是將科技轉化為財富的最后環節各發達國家重新重視制造業②機械制造業生產管理模式的轉變③制造業市場競爭圍繞TQCSF展開④競爭的焦點之一是設計成功的設計贏得了市場設計是科技成果轉化為生產力的紐帶設計是引進技術實現國產化的重要環節沒有現代化設計就沒有現代化產品⑤設計在生產中的地位設計是影響產品技術與經濟指標的關鍵現代企業三部分開發設計制造市場銷售將核心工作放在本企業，兩頭在內，中間在外二、本課程的性質與研究對象1、課程的性質機械設計是培養學生具有機械設計能力的技術基礎課。在機械各類專業教學培養計劃中是主干課程。本課程在教學內容方面著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養實踐能力方面重視設計構思、創新意識和設計技能的培養。本課程的主要任務是培養學生：

·掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規律，具有設計一般機械的能力；

·初步具有一定機械系統方案優化及決策的能力與素質；

·培養創新意識，樹立正確的設計思想；

·具有應用標準、規范、手冊、圖冊及CAD軟件等技術資料和實用軟件的能力；

·對機械設計的新發展有所了解。2、研究對象機械機構(mechanism)：傳遞與變換運動和力的可動裝置機器(machine)：轉換機械能，或用機械能作功。機械的發展過程:天然工具

→簡單機器→工業革命→現代機器如：火車發展蒸汽機車→內燃機車→電力機車→高速列車→磁浮列車（常導→高溫超導）轎車發展紅旗→桑塔納、捷達、奧迪→別克、本田、帕薩特三、本課程研究的內容、特點和任務1、內容研究普通工作條件下，一般尺寸參數的通用零件的設計理論與方法。具體內容：①總論：機械設計中帶有共性的問題，有關設計的理論和原則；②聯接零件：螺紋聯接、鍵及花鍵聯接等；③傳動零件：帶、鏈、齒輪、蝸桿傳動等；④軸系部分：軸、軸承等；⑤其它部分：彈簧、箱體、變速器等。

2、特點性質：以通用零件為核心，論述設計理論及方法的一門設計性技術基礎課。特點：綜合運用已學知識，制圖、力學、金屬學（材料及工藝）和公差配合等。①綜合性較強；②實踐性；③邏輯性較差。3、任務

培養學生掌握通用零件的設計原理、方法和機械設計的一般規律；樹立正確的設計思想，了解國家當前的有關技術經濟政策；具有使用標準、規范、手冊、圖冊及查閱資料的能力；掌握典型零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓練；了解機械設計的新發展。機械設計概論

機械設計的基本要求和一般程序機械零件的工作能力和計算準則機械零件的疲勞強度機械設計新發展

摩擦、磨損及潤滑概述

設計問題的綜合性§1機械設計的基本要求和一般程序1.1機械設計的基本要求.

使用功能的要求.

經濟性要求“三化”--標準化、系列化、通用化勞動保護要求可靠性要求其它專業要求1.2機械設計的一般程序及設計人員的素質要求計劃階段方案設計技術設計技術文件的編制試制、試驗、鑒定、生產信息反饋、修改機械零件設計的內容分析工作原理類型選擇受力分析改進與發展結果分析與設計簡化模型失效分析建立計算準則2.1機械零件的主要失效形式和工作能力1、機械零件的主要失效形式失效零部件不能滿足工作要求稱為失效。機械零件的主要失效形式整體斷裂：拉，壓，彎，扭零件表面的破壞：磨損、腐蝕、接觸疲勞破壞正常工作條件引起的失效：打滑，共振，膠合過大的殘余應力：加工，熱處理§2機械零件的工作能力和計算準則2、機械零件的工作能力零件不發生失效的安全工作限度稱為工作能力。對載荷而言的工作能力稱為承載能力。有時，零件工作能力是針對變形、速度、溫度或壓力而言的安全工作限度。機械零件設計的基本要求：避免在預期壽命期內失效的要求（強度、剛度、耐磨性、振動穩定性、可靠性等）結構工藝性的要求經濟性要求質量小的要求可靠性要求2.2機械零件的計算準則2.3機械零件的設計方法1、理論設計

1）根據使用要求，選擇零件的類型和結構。

2）根據機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。名義載荷（F、P、T）：力學公式計算出的載荷。但：由于載荷作用的不平穩性、分布的不均勻性等因素，實際載荷大于名義載荷。——載荷系數K∴計算載荷(Fc、Pc、Tc)=載荷系數×名義載荷

3）選擇適當的材料。

4）根據零件工作能力準則，確定零件的主要尺寸兩種計算方法：

a）設計計算：直接求出危險截面尺寸A。

b）校核計算：其他方法初步設計→驗算。

5）畫零件圖。2、經驗設計

根據經驗關系式，用類比的方法所進行的設計。如：箱體、傳動件個各結構要素等3、模型實驗設計把初步設計的零、部件或機器作成小模型或小尺寸樣機

進行實驗。如：飛機、橋梁的風洞實驗。§3機械零件的疲勞強度強度準則是設計機械零件的最基本準則，即。強度問題：

靜應力強度：通常認為在機械零件整個工作壽命期間應力變化次數小于103的通用零件，均按靜應力強度進行設計。（材料力學范疇）

變應力強度：在變應力作用下，零件產生疲勞破壞。疲勞破壞定義：金屬材料試件在交變應力作用下，經過長時間的試驗而發生的破壞。疲勞破壞的特征：1）零件的最大應力在遠小于靜應力的強度極限時，就可能發生破壞；2）即使是塑性材料，在沒有明顯的塑性變形下就可能發生突然的脆性斷裂。疲勞破壞的原因：材料內部的缺陷、加工過程中的刀痕或零件局部的應力集中等導致產生了微觀裂紋，稱為裂紋源，在交變應力作用下，隨著循環次數的增加，裂紋不斷擴展，直至零件發生突然斷裂。3.1應力的分類靜應力：應力的大小和方向不隨時間而變化或變化緩慢的應力。零件相應的失效形式為塑性變形或斷裂。交變應力：應力的大小和方向隨時間作周期性變化的應力。零件相應的失效形式為疲勞破壞。例：常見變應力及其基本變化規律

變應力參數Oσtσmaxσminσmσaσmax

—最大應力σmin

—最小應力σm—平均應力σa—應力幅

r—變應力循環特性

對稱循環變應力σm=0

r=-1

σmin=0

r=0

脈動循環變應力例：火車輪軸、雙向轉動的齒輪輪齒的彎曲應力例：單向轉動的齒輪輪齒的彎曲應力

非對稱循環變應力-1<r<0

0<r<1

tOσ

r＝+1

靜應力變應力參數不隨時間改變的變應力稱為穩定變應力；變應力參數隨時間改變的變應力稱為不穩定變應力。隨機變應力可看作循環變應力的特例！例：定滑輪軸、自行車前輪軸的彎曲應力。σm=σmax=σmintOσ3.2疲勞曲線

材料的疲勞性能是通過試驗來測定的。在材料的標準試件上加上一定循環特性r（通常是對稱循環）的等幅變應力，通過試驗，記錄出在不同最大應力下引起試件疲勞破壞所經歷的應力循環次數N。材料的疲勞曲線（σ-N曲線）σrONCDNDσrNσr∞σrNσr∞無限壽命疲勞極限持久疲勞極限

對應于應力循環次數N時的彎曲疲勞極限ND分界轉折點水平直線段N>ND

無限壽命區曲線段N≤ND有限壽命區有限壽命（為N）時的疲勞極限m—隨應力狀態而不同的指數

Nσr—循環基數ND=106~25×107

N0A′D′G′C45°45°σ0/2σ-1σ0/2σSσmσaOσaσ-1OσmσS3.3材料的極限應力線圖A′D′G′Cσ0/2σSσmσaOADG3.4零件的極限應力線圖3.5單向穩定變應力時機械零件的疲勞強度計算

步驟：

①根據零件載荷及結構情況，求σmin、σmax及σa、σm，并將其標在零件的極限應力線圖中，如圖2.6中M、N點；

②求該工作應力點的零件疲勞極限σ′max。說明應遵循與工作應力變化規律相一致的原則，一般工作應力有三種變化情況：

r=C（機器中轉軸的應力狀態）；

σm=C（加載振動彈簧）；

σmin=C（受軸向力的緊螺栓聯接）。但通常采用r=C來進行疲勞強度計算。③建立計算安全系數的計算公式，進行計算。

1、r=C的情況當r=C時，找出一個與工作應力變化規律相同的極限應力。

直線OM′1方程：直線AG方程：聯解可求出σ′ae、σ′me，于是M′1點的零件極限應力

則（疲勞強度計算公式）當工作應力點N處于OGC區時：

2、σm=C的情況聯解直線MM′2和AG方程，可得M′2點的坐標σ′ae、σ′me，于是M′2點的零件極限應力

則3、σmin=C的情況說明：

①具體設計零件時，如果難于確定應力可能變化的規律，在實踐中往往采用r=C時的公式；

②對于剪切變應力，只需把以上各公式中的正應力符號σ改為切應力符號τ即可；

例題：鉚釘聯接，兩塊鋼板材料均為Q215，F=500000N，求：各部分尺寸。

解：分析失效方式及計算公式1釘剪切2板擠壓3板拉斷4板邊剪切

F1=F2=F3=F4=F5=F由1：d=18.8取d為18

由2：S=6.6取S為7由3：b=54.7取b為55

由4：e=29.3取e為30‘等強度原則’

§4機械設計新發展

1、基礎理論：深化、擴展—學科交叉與整合（摩擦學、彈性流體動力潤滑理論、斷裂力學）2、靜態設計→機械系統“動態設計”3、新設計方法：優化設計可靠性設計逆向設計工業設計等。4、設計技術發展：人工→計算機輔助設計（CAD）

AutoCAD、SolidEdge、UG、SolidWork、ProE等。5、機械產品本身的轉折：傳統機械→機電一體化、智能化。§5摩擦、磨損及潤滑概述1、摩擦（潤滑狀態）干摩擦：表面間無潤滑劑或保護膜的純金屬間的摩擦；邊界摩擦：表面被吸附在表面的邊界膜隔開；混合摩擦：流體摩擦：表面被流體完全隔開。邊界摩擦：表面被吸附在表面的邊界膜隔開；按邊界膜形成機理，邊界膜分為：物理吸附膜：潤滑劑中脂肪酸的極性分子吸附在吸附膜金屬表面而形成；化學吸附膜：潤滑劑中分子受化學鍵作用而吸附在金屬表面形成；反應膜——潤滑劑中以原子形式存在的S、Al、P元素與金屬反應生成化合物，在金屬表面形成的薄膜。反應膜具有較高的熔點，比吸附膜穩定。2、磨損按磨損機理可分為

粘附磨損：“冷焊”后，表面材料的脫離及遷移；

磨粒磨損：摩擦面間的游離顆粒，起到微切削作用；