机械设计 Machine design 机械设计 绪论 图片一 图片二 图片三 图片四 图片五 图片六 机械工业的重要性 机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动 生产率的主要劳动工具； 各个生产部门实现机械化、自动化是促进社会生 产力发展的重要手段； 机械装备在各个技术领域里几乎都是必不可少的。 使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术 水平和现代化程度的重要标志之一。 机械和机械设计 机械是机器和机构的总称。 Machinery means machines and mechanisms. 机械设计是设计者根据市场、用户对机械产品提出的任 务要求而进行的一种综合性、创造性的劳动。 Definition Design is the application of creativity to planning the optimum solution of a given problem and the communication of that plan to others. Machine design is the decision-making process by which specifications for machines are created. 机器(machines)的组成 机器的组成 原动机传动装置工作机 电气控制监测 ?组成机器的基本单元称为机械零件(machine elements) ?为完成同一职能在结构上组合在一起，协同 工作的总成称为机械部件(machinery parts) 机器的共同特征 1）它们是人为的实体组合； 2）组合体的运动实体之间具有确定的相对运动； 3）它们用来代替或减轻人类的体力和脑力劳动，去完成有用 的机械功（如起重机、金属切削机床等）、转换机械能（如电 动机、内燃机等）和传递能量、物料、提供或转换信息（钟表、 运输机、打字机、发报机等）。 机构(mechanisms) 机构只具备机器的前两个特征。即机构是人为的实体组 合，各组合的运动实体之间具有确定的相对运动。常用的机 构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等等。 基本术语 （一）机械零件及部件(machine elements & parts) （二）构件(components) （三）标准件(standard parts) （四）运动副(kinematic pair) 机械零件及部件(elements & parts) 通用零、部件，如：齿轮、滚动轴承等 专用零、部件，如曲轴、汽轮机叶片等 零、部件 构件(components) 组成机械的各相对运动实体称为构件。构件 即为机械中的运动单元。 标准件(standard parts) 经过优选、简化、统一、并给以标准代号的 零件和部件称为标准零、部件。 运动副(kinematic pair) 两个构件之间直接接触又有一定相对运动的活动联 接称为运动副。 按照两构件的接触情况，通常把运动副分为低副 (lower pair)和高副(higher pair)。 机器的组成与性能 ?机器的性能与组成机器的机械零、部件性能的好坏是 密切相关的 要设计一台好的机器，除要有好的方案外，必须正 确设计或合理选择零件； 而机器中每个零件的设计或选择又必须是从整台机 器的要求出发的。 研究对象和内容 对象：通用性的机械传动装置及一般工作条件下的 通用零部件 主要内容：常用联接，机械传动，轴系零、部件等。 性质 性质：技术基础课程 专业课程 机械设计 高等数学 理论力学 材料力学 机械原理 金属工艺学 金属及热处理 互换性及热处理 机械制图 技术基础课程 （主要有关的先 修课程） 任务 1．掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械 设计的一般规律；突出创新意识和创新能力的培养， 具有机械系统综合设计能力； 2．树立正确的设计思维，了解国家当前的有关技术 经济政策； 3．具有应用计算机技术的能力； 4．具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资 料的能力； 5．掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的 基本训练； 6．对机械设计的新发展有所了解。 本课程的特点和学习方法 特点：设计要求多，设计公式多，图表多。 应用类型工作原理失效形式 设计准则计算方法结构设计 方法： 机械设计 第一章机械设计总论 第一章机械设计总论 第一节机械设计的基本要求 机械设计的基本要求 ?实现预期功能的要求 ?经济性要求 ?操作方便与工作安全的要求 ?造型及环保要求 ?其它特殊要求 Traditional Considerations 1.For the bulk or body of the component: a.strength b.deflection c.weight d.size and shape 2.For the surfaces of the component: a.wear b.lubrication c.corrosion d.frictional forces e.frictional heat generated 3.Cost Modern Considerations & Others 1. Safety 2. Ecology (land, air, water, thermal pollution) 3. Quality of life 4. Reliability and maintainability 5. Aesthetics 第一章机械零件设计概述 第二节机械设计的主要内容 主要内容 机械设计的 主要内容 选择机器的工作原理 机械运动和动力计算 零、部件的工作能力计算 绘制装配图及零、部件工作图 ?机械设计过程实际上是一个发现矛盾、分析矛盾 和处理矛盾的过程，也是一个优化过程 ?机械设计有一个 一般的步骤，但并 没有一个固定的程 序，须具体问题具 体分析 设计任务的研究和制订 方案设计 总体设计 施工设计 鉴定和评价 机器定型设计 信 息 反 馈 机械设计的一般程序 常规设计方法 （一）理论设计 （二）经验设计 （三）模型实验设计 机械产品的传统设计-制造过程 设计/绘图 制造样机 实物样机 实验 改进设计 产品定 型生产 制造实物零件并装配 (投资大、周期长) 用纸和铅笔 或二维绘图软件 建造实验环境，用传感器测量 载荷、变形和运动状态 (投资大、周期长) 现代设计方法 （一）计算机辅助设计(CAD) （二）优化设计(Optimization Design) （三）可靠性设计(Design for Reliability) （四）模块化设计(Modularization Design) （五）机械系统设计(Mechanical System Design) （六）价值分析(Value Analysis) （七）专家系统(Expert System) （八）机械动态设计(Mechanical Dynamic Design) （九）并行设计(Concurrent Engineering) 现代设计过程 制造实物 样机 实物实验 用三维CAD系统构造 零件三维模型和 部件三维装配模型 用CAE系统进行 动力学/运动学仿真 用CAE系统进行 有限元分析 机构运动是否正 常…...? 零件是否会破 坏…...? 节省时间和投资 提高设计质量 第一章机械零件设计概述 第三节机械零件设计的基本要求及 一般步骤 一、机械零件应满足的基本要求 设计的机械零件既要在预定的期间内工作可靠，又要成本低廉 工作可靠 强度 刚度 寿命 振动稳定性 满足一定等要求 成本低廉正确选择 零件材料 合理尺寸 符合工艺要求的结构 合理的公差等级 技术条件 二、机械零件设计的一般步骤 确定零件的计算载荷 确定零件工作能力的计算准则 选择合适的材料，并确定热处理方式 分析计算 绘制零件工作图并出计算说明书 确定零件的结构方案 拟定零件的计算简图 第一章机械零件设计概述 第四节机械零件的失效形式和工作能力 计算准则 失效(Failure)的概念 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能 时，称为失效(Failure)。 失效并不意味着破坏 主要失效形式 ?断裂(Fracture) ?过量变形(Excessive Distortion) ?表面损伤(Surface Damage) ?破坏正常工作条件引起的失效 一、断裂(Fracture) 疲劳断裂(Fatigue fracture) ：零件在长时 间的变应力作用之下发生的断裂，是大多数 机械零件的失效形式。 断裂 极限断裂 疲劳断裂 韧性断裂 脆性断裂 极限断裂(Ultimate Fracture)：零件某一危 险剖面上的应力超过零件的强度极限时发生 的断裂。( Gliding Fracture, Non-plastic Fracture) 内、外圈破裂实例 二、过量变形 塑性变形(Plastic Distortion)：零件过载时，塑性材 料发生塑性变形。 过量变形 过量的弹性变形 塑性变形 过量的弹性变形(Excessive Elastic Distortion)： 微小的弹性变形不可避免，但过量的弹性变形会 使零件、机器不能正常工作。 塑性变形实例 三、表面损伤 绝大多数零件都与别的零件发生静的或动的接触和配 合关系或暴露在空气中。 大多数失效出现在零件表面。 零件的使用寿命在很大程度上受到表面损伤的限制。 齿面磨损实例 四、破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作， 正常工作条件被破坏了，零件就不能工作，也就失 效了。 零件的工作能力的概念 同一零件不同失效形式决定不同的工作能力。显然，起 决定作用的将是零件工作能力中的较小者。 零件抵抗失效的安全工作限度称为零件的工作能力。 对载荷而言，称为零件的承载能力。有时也可以针对变 形、速度、温度、压力等而言。 计算准则的分类 机械零件工作能力的判 定条件称为零件的工作能 力计算准则。是计算确定 零件基本尺寸的主要依据。 计算准则 强度准则 刚度准则 寿命准则 振动稳定性准则 散热性准则 可靠性准则 耐磨性准则 一、强度(Strength)准则 强度(Strength)是指零件在载荷作用下抵抗 断裂、塑性变形及表面损伤的能力。 计算条件为： ][σσ ≤ 另一种表示方式是： ][SS ≥ 1 σ ][σ 2 σ 二、刚度(Rigidity)准则 刚度(Rigidity)是指零件受载后抵抗弹性变 形的能力。 计算条件为： ? ? ? ≤ ≤ ][ ][ ?? yy 三、耐磨性(Wearability)准则 包括：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损 关于磨损，目前尚无可靠的定量计算方法。 对于磨料磨损，常采用条件性计算方法： ][pp≤ ][pvpv≤ 或 耐磨性(Wearability)：是指零件在载荷作用之下 抵抗磨损的能力。与零件的结构、材料、热处理、 表面状态及润滑油的选择有关。 四、寿命(Life-span)准则 寿命准则涉及 耐磨性 疲劳寿命 腐蚀寿命 影响零件寿命(Life-span)的主要因素是磨损、疲劳 和腐蚀。 五、振动稳定性(Vibration Stability)准则 机器在运转中一般都有振动。设计应使零件避开 “共振”。尤其应对高速机械应进行振动分析和计算， 以确保零件及系统的振动稳定性。 六、散热性(Thermal Capacity)准则 应对发热较大的零、部件进行热平衡计算。 七、可靠性(Reliability)准则 可靠度(Reliability)：在规定时间内（或作用次数、距离 等）和规定的使用条件下，无故障地发挥规定机能的概率称 为可靠度。 可靠度是衡量机器在寿命方面的质量指标。 第一章机械零件设计概述 第五节载荷和应力的分类 一、载荷(Load)分类 实际作用载荷 静载荷：不随时间变化或变化较缓慢的载荷 变载荷：随时间变化的载荷 设计计算中，载荷 名义载荷：P m 计算载荷：P=KP m K：载荷系数，反映载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零 件上分布的不均匀性及其他影响零件受载等因素。 二、应力(Stress)分类 按特性应力分为 静应力：不随时间变化或变化较缓慢的应力 变应力：随时间变化的应力 变应力 随机变应力 不稳定循环变应力 稳定循环变应力 非对称循环变应力 脉动循环变应力 对称循环变应力 变应力参数 对于稳定循环变应力，用下列变应力参数表示变应力 状况： max σ：最大应力值 ：最小应力值 min σ ：平均应力， m σ 2 minmax σσ σ + = m ：应力幅， a σ 2 minmax σσ σ ? = a：循环特性， r max min σ σ =r 循环特性的应用 因此： 1?=r minmax σσ ?= 当时，，该变应力为对称循环变应力 0=r 0 min =σ 当时，，该变应力为脉动循环变应力 1=r minmax σσ = 当时，，该应力为静应力 r 当为其他值时，为非对称循环变应力 静载荷产生变应力 变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生 第一章机械零件设计概述 第六节安全系数的选择 安全系数(Safety Factor)的定义 极限应力与许用应力的比值，叫安全系数，用S表示。 ][X Y S = S Y X =][ 或 [X]表示许用应力，可为[σ]、[τ]等。 Y表示极限应力，可为σ s 、σ b 、σ -1e 、σ Hlim 。 许用安全系数的选择 合理地选择许用安全系数[S]是机械设计中的一项重要 工作。 设计人员的任务在于：在保证零件工作安全可靠的前提 下，尽可能减少许用安全系数的数值，或者说尽可能提高 许用应力的数值。 影响许用安全系数（或许用应力）数值大小的因素主要 有： 1）与工作应力的计算有关的因素： 2）与材料的极限应力有关的因素： 3）与零件重要性有关的因素： 原则1 用塑性材料制成的零件，在静应力作用下以屈服极限作 为极限应力时的情况 一般情况：[S]查表1-2选取 计算不十分准确：[S]加大20~50% 原则2 用组织不均匀的脆性材料制成的零件，在静应力作用下以 强度极限作为极限应力时的情况 一般情况：[S] =3~4 计算不十分准确：[S]加大50~100% 原则3 零件在变应力作用下一疲劳极限作为极限应力时的情况 良好情况： 一般情况： 较差情况： 4.1~3.1][ =S 7.1~4.1][ =S 0.3~7.1][ =S 第一章机械零件设计概述 第七节机械零件的强度 一、机械零件的静强度(Static Strength) 在静应力作用下的机械零件， 其主要失效形式是断裂或塑性变形 机械零件的静强度(Static Strength)条件为： ? ? ? ? ? ≤ ≥= ][ ][ lim σσ σ σ σσ SS （两者之一即可） ? ? ? ? ? ≤ ≥= ][ ][ lim ττ τ τ ττ SS （两者之一即可）或 二、机械零件的疲劳强度(Fatigue Strength) 绝大多数机械零件都是处在变应力状态下工作，在 变应力作用下经过较长时间工作的零件，其失效形式 将是疲劳断裂(Fatigue Fracture)。 对表面无宏观缺陷的金属材料，疲劳过 程可分为两个阶段： 1）表面通过各种滑移方式形成初始 裂纹； 2）裂纹尖端在切应力作用下发生反 复塑性变形，使裂纹扩展以致断裂。 影响零件疲劳强度的因素 由于实际零件几何形状、加工质量等因素的影 响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳 极限。影响零件疲劳强度的主要因素有： 1）应力集中； 2）绝对尺寸； 3）表面状态。 三、机械零件的接触强度(Surface Strength) 当具有一定曲面的两物体在压力下相互接 触时，便在接触处产生接触应力 接触疲劳强度条件 判断金属接触疲劳强度的指标是接触疲劳极限，即在 规定的应力循环次数下不发生疲劳点蚀的最大应力。 接触疲劳强度条件为： ][ HH σσ ≤ (Surface Fatigue Stress & Hertz Contact Stress) 赫兹(Hertz)公式 ρ μμ π σ LF EE n H ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + ? = 2 2 2 1 2 1 11 1 疲劳点蚀图例