1、机械设计,（Mechanic Design） 教材：邱宣怀 (第四版) 机械原理与机械设计学习指导书 上课学时：48 实验学时：8,机械原理课程研究的内容,绪论 （Introduction）,机器或机构的具体结构、选材、强度计算、刚度计算、具体设计等都没有研究？,在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成，机械的基本要素有一个感性的了解。下面先看一些例子。,典型机械实例：,机械控制式,电气控制式,模糊控制式,除了控制方式以外，上述三种洗衣机的主要传动系统没有很大的差别。,全自动洗衣机,潘存云教授研制,一、设计概论,（一）认识机器,自动洗衣机的组成：,上盖,控制面板,进水口,排水管,外箱体,盛水
2、桶,支撑拉杆,脱水桶,电动机,带传动,减速器,波轮,洗涤： A制动，B放开，运动经电机、带传动、中心齿轮、行星轮、行星架、波轮,脱水： A放开，B制动，运动经电机、带传动、内齿圈（脱水桶）、中心齿轮、行星架、波轮与脱水桶等速旋转。,自动洗衣机的工作原理：,典型机械实例：,减速器,潘存云教授研制,典型机械实例：,工业机器人,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一台完整的机器的组成大致可包括：,原动机部分,机器的共同特征：,组成：由一系列人为的机构组合而成 运动特性：组成的各部分之间具有确定的运动 功、能关系： 能够代替人的劳动完成有用功或者实现能量的转换,机构的共同特征：,组成： 由一系列人造的机件
3、组成 运动特性：组成的各部分之间具有确定的相对运动,机构：传递运动和动力的机件组合，如传递回 转运动、往复运动，实现复杂的运动规律和复杂的运动轨迹。,机器组成：原动机部分执行部分传动部分操纵控制部分,机械：机器与机构的总称,机 器,器械、装置、设备,仪器,用来进行信息传递和变换的机器。,用来进行能量变换和物料传递的机器。,零 件,构 件,机 构,机 器,部 件,零件、构件、机构、机器的关系,零 件,部 件,通用零件,专用零件,机 器,标准件,易损件,部件：是机械制造过程中为完成同一目的而由若干协同工作的零件组合在一起的组合体。例如：轴承，联轴器，发动机。,通用零件包括： 传动类：齿轮、链、带、
4、蜗轮蜗杆、螺旋； 轴系类：轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承； 联接类：螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件； 箱体类：机架、箱体等； 其他类：弹簧。,例如：叶片、犁铧、枪栓等。,专用零件,机械设计：机械系统的设计机器或机构的设计机械零件的设计如内燃机的设计,通用机械零件的设计方法。,（二）、设计机器（零件）的基本原则,机器设计应满足要求：,1.基本要求,1)功能,2)使用：操作方便、便于维修、重量轻,3)安全可靠：,4)经济性：成本低,5)外形美观：比例协调、大方、给人以时代感、美感、安全感,6)环保：低噪声设计,机械零件设计应满足:,1)足够的强度,2)刚度,3)耐磨性,4)耐热性,5
5、)振动稳定性等。,1)内插式：类比设计、相似设计,2.设计方法,2)外推式：外推部分未知领域,3)创造式（开发性设计）,调查决策阶段,研究设计阶段,试制阶段,投产销售阶段,3.设计程序,调查研究,开发设计任务书,试验研究,技术设计,样机试制,样机试验,技术经济评价,生产设计,小批试制,正常投产,销售服务,技术经济评价,技术评价,经济评价,能用数量来衡量：动力,不能用技术来衡量：外观、操作性能,技术评价,经济评价-通常计算制造费用,现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：,以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。 以定量的取
6、代定性的如有限元计算。 以随机量取代确定量如可靠性设计。 以优化设计取代可行性设计如优化设计。 并行设计取代串行设计如并行设计。 微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。 系统工程法取代分部处理法如系统工程。 自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。,4.现代设计方法,学习机械系统设计的基础知识；,本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等。,（三）、本课程的主要内容及特点,学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。,机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。,本课程所涉及的先修
7、课程有：,本课程的几个特点,涉及面广关系多因与诸多先修课关系密切。要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及 定义式。图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。,实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践 性环节。,无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导 致严重事故。,设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维创新设计。,一、设计概论,回 顾,认识机器,机器设计的基本原则,本课程的主要内容及特点,本课程的几个特点,涉及面广关系多因与诸多先
8、修课关系密切。要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及 定义式。图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。,实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践 性环节。,无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导 致严重事故。,设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维创新设计。,注意处理好几个关系,零件的设计与选用 零件设计的两个主要途径。,设计计算与结构设计 设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。,性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学
9、会合理地解决这一对矛盾。,经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。,具体的设计方法与一般的设计能力 前者是学习的形式，后者是学习的目的。,二、零件的失效,机械零件的主要失效形式:,整体断裂、 过大的残余变形、 零件的表面破坏 以及破坏正常工作条件引起的失效等。,失效：丧失工作能力或达不到设计要求和性能,整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,整体断裂,过大的残余变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,零件的表面
10、破坏,零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,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的工作，如：,液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。,零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。,有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。,三、机械零件的设计准则,选择零件类型、结构,（一）、 机械零件的设计一般要经过以下几个步
11、骤：,名义载荷,计算载荷,（二）、零件工作能力准则,1、强度 1)载荷 静载荷离心水泵、皮带运输机、恒 定压力的压力容器等。变载荷石油钻杆、抽油杆、井架、 汽车底盘等 应力 ： 单位：MPa =N/mm2载荷： F ，N 受力面积：A ， m2,2)应力 静应力应力不变 变应力应力随时间变化,变应力,五个参数描述： 平均、最大、最小、应力幅、特性系数,应力循环特性 r,静应力 r=1,对称循环 r= -1,脉动循环 r= 0,应力的类型,静应力,对称循环应力,脉动循环应力,非对称循环应力,载荷与应力的关系,静载荷通常产生静应力 变载荷产生变应力 静载荷也可能产生变应力 例如：转轴中弯曲应力,注
12、意：正确分析应力特性,举例：静载荷拉杆 r=1,转轴,对称循环,齿轮接触应力r=0,3)静强度静应力工作条件,、 实际正应力、剪应力 许用应力 S安全系数 lim 、 lim极限应力。,静强度下许用应力与安全系数,极限应力 lim 塑性材料： lim = s 屈服极限脆性材料： lim = B 强度极限安全系数可查阅教材及各手册,许用安全系数,安全系数S对零件尺寸影响很大：S过大，结构笨重；S过小，可能不够安全。,查表法：简单、具体、可靠，但适用范围较窄。 没有专门的表格时参考原则：静应力下:塑性材料以屈服极限为极限应力。一般可取安全系数S=1.21.5；塑性较差的材料可取S=1.62.5。脆
13、性材料以强度极限为极限应力，应取较大的安全系数S=34；,4）疲劳强度,计算分类,安全寿命设计,破坏安全设计,疲劳断裂的特征：,过程：,形成疲劳源,扩展,疲劳断裂,断裂截面特征,光滑疲劳发展区,粗糙脆性断裂区,疲劳曲线,疲劳曲线-表示应力与应力循环次数N之间的关系曲线。横坐标-循环次数N 纵坐标-断裂时的循环应力,应力越小，试件能经受的循环次数N越多 N 某数值N0， “无限次”循环试件不断裂 N0-循环基数(106107 ) 材料经过N0 次应力循环，发生破坏的应力值 -疲劳极限r,对称循环,r=-1 疲劳极限-1 脉动循环,r=0 疲劳极限0,无限寿命区(N N0) r 有限寿命区(NN0
14、) rN 近似方程式：,rN -对应循环次数N的疲劳极限；C-常数； m-随应力状态而不同的幂指数(如弯曲m=9),疲劳曲线方程说明：,1）N0材料性质不同，循环基数不同。,2）指数m,3)循环特性r,疲劳强度准则,变应力下， lim= r 还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响,引入有效应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等对称循环 r =-1,脉动循环 r = 0,许用疲劳极限应力,整体强度-零件受载是在较大体积内产生应力。接触应力-两零件受载前点接触或线接触，受载后接触面积很小而表层产生很大局部应力。这时零件强度称为接触强度如齿轮、滚动轴承等，都是通过很小接触面积
15、传递载荷的，承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。,5)表面接触强度,机械零件的接触应力通常是周期性变化的，载荷重复作用表层初始疲劳裂纹 裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展）表层金属呈小片状剥落零件表面形成一些小坑-疲劳点蚀,疲劳点蚀-减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式接触疲劳强度的判定条件,接触疲劳极限Hlim 由实验测得，两零件硬度不同时以较软零件接触疲劳极限为准；安全系数SH可取等于或稍大于1。,而,由弹性力学计算H,两轴线平行的圆柱体相互接触并受压，接触面积为狭长矩形，
16、最大接触应力发生在接触区中线上。,最大接触应力为：,对于钢或铸铁取泊松比1=2=0.3 令,上式可化简为：,赫兹 (H.Hertz) 公式,2、刚度零件抵抗变形的能力,挠度 y y偏转角 ,柔度,按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大，因此满足刚度要求的零件往往也能满足强度要求。但对尺寸较大的也不一定。,磨损-运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。 磨损逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态； 剧烈磨损时，运动副间隙增大，机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。应立即停车检修、更换零件； 约80的损坏零件因磨损而报废。 耐磨性-零件抗磨损的能力。,3、耐磨性,磨损难以避免(除非运动
17、副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触) ； 在预定使用期限内，磨损速度稳定缓慢，零件磨损量不超过允许值，就是正常磨损；,磨损现象相当复杂，有物理、化学和机械等方面原因。简略介绍机械中磨损的主要类型：,1）磨粒磨损硬质颗粒（零件本身磨损造成的金属微粒或外来的尘土杂质等）进入摩擦表面或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落的现象。,2)粘着磨损,接触点高压力和塑性变形,脏污膜破坏,粘着现象,冷焊点,轻微磨损 涂 抹 划 伤 撕 脱 咬 死,种 类,胶 合,3)疲劳磨损,4)腐蚀磨损,化学反应 电化学反应,磨损,滚动或兼有滑动和滚动的高副（凸轮、齿轮等）受载时材料表层接触应力很大，载荷重
18、复作用，表层金属呈小片状剥落，在零件表面形成小坑。,(2)磨损的设计原则：,1）限制运动副的压强p防止过度磨损即： p p许用压强p由实验或同类机器使用经验确定。 2）限制运动副的pv防止胶合即： pv pv 摩擦系数f一定时，fpv代表运动副单位时间单位接触面积的发热量。,3）高速时，限制运动副滑动速度v防止加速磨损 即： v v,4、振动稳定性确保避免出现共振,振动：零件发生周期弹性变形的现象 共振：当周期性干扰力的频率与零件的自振频率相等或接近时，就会发生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。共振可能在短期内使零件损坏。,5、机械零件的可靠性,提出：材料强度、外载荷、加工尺
19、寸存在离散性达不到预定工作时间而失效可靠性,可靠性：产品在规定的条件下和规定时间内完成规定功能的能力,可靠度：完成规定功能的概率,累计失效概率 ：失效的概率,失效分布密度f(t),高温下材料性能将有所变化，,6、耐热性,特别是承载能力将会降低。,钢材在高温下有蠕变现象。,机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起润滑油失效、零部件氧化、胶合、热变形、硬度降低等问题，使零件失效或机械精度降低。因此，为了保证零部件在高温下正常工作，应合理设计其结构及合理选择材料，必要时须采用水冷或气冷等降温措施。,一、设计概论,复 习,认识机器,机器设计的基本原则,本课程的主要内容及特点,二、零件的失效,整
20、体断裂,过大的残余变形,零件的表面破坏,破坏正常工作条件引起的失效,三、机械零件的设计准则,y y ,1)相对速度较低： p p 2)相对速度较高：pv pv 3）滑动速度很高 vv,四、工程材料,：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).,一)、常用材料,：塑料、橡胶、合成纤维,：碳素钢、优质碳素钢、合金钢 (如：Q215 45 40Cr）,：灰铸铁、球墨铸铁 (如：HT150 QT500-7),：强如钢、轻如铝、硬如金刚石,：强度高、弹性模量大、质量轻,载荷及应力的大小和性质,零件的工作情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,二)、机械零件材料的选用原则,2、考虑工艺要
21、求,1、考虑零件工作要求满足强度、刚度等要求。,大多数零件首先满足强度要求。,满足强度要求方法；选高指标材料加大零件尺寸。根据工作要求合理选材与设计零件尺寸。,刚度要求：刚度与材料弹性模量E有关,各种钢材E基本相同，热处理也基本不影响E. 铸铁的弹性模量较低。 塑料等材料的弹性模量较低等等，受力后的变形较大，振动频率较低等等。,铸件适合外形复杂、批量生产，塑性差的材料不能冲压、锻打。,3、经济性,受载小的铸件可用铸铁，受载大的铸件可用铸钢。单件箱体适合焊接。批量生产适合铸造。例如齿轮单件生产适合仿形法，批量生产适合范成法。,三）、热处理,1、热处理,2、热处理类型,固态钢材加热到一定温度，经过
22、一定时间的保温，然后以一定速度冷却，可改变金属内部结构，达到改变金属性能的方法。,1）退火随炉冷却消除锻造、焊接内应力。,2）正火空气冷却，正火后硬度强度提高，消除内应力方面不如退火。,3）淬火水冷或油冷，淬火后硬度强度提高较大，脆性增加、存在较大内应力,4）回火淬火后又加热冷却（低温、中温、高温）消除淬火后内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度。,5）调质淬火高温回火，可获得强度、硬度、塑性、韧性等都较好的综合力学性能。,6）表面淬火（火焰加热、感应电流加热）,7）渗碳低碳钢表面渗入碳元素耐磨,8）渗氮钢材表面渗入氮碳元素耐磨,9）氰化熔盐碳氮共渗耐磨,）气体碳氮共渗,一）公差与配合,互换性：,
23、目 的：,1、尺寸公差,(1)配合种类,间隙配合 过渡配合 过盈配合,(2)配合性质,基孔制 基轴制,2、形位公差,五、公差与配合、表面粗糙度,二）表面粗糙度,1.评定参数：,(1)轮廓算术平均偏差Ra (2)微观不平度的十点高度Rz (3)轮廓最大高度Ry,2.选择原则：,(1)应满足零件的功能要求和符合生产的经济要求 (2)与尺寸公差和形位公差相协调 (3)尺寸公差等级相同时轴比孔的Ra值要小 (4)降低应力集中、提高疲劳强度； 提高密封性，减小Ra值,六、工艺性与标准化,一）、工艺性,定义：零件的结构既能满足使用要求，又能在具体的生产条件下制造和装配时所耗的时间、劳动及费用最少，那么，这
24、种结构就是符合工艺性要求的。,1、毛坯选择铸件、型材、冲压、焊接 2、结构尽量简单，机床加工尽量方便、省时 3、精度、粗糙度合理,二）、标准化,原则：统一、简单、协调、优化,标准化意义：制造上实行专业化大量生产，提高质量，降低成本。设计上，减轻工作量，加快新产品开发速度。管理上，减少库存、便于更换。,标准等级：国家标准GB、行业标准、地方标准、企业标准,国际标准：尽量采用,本章学习要求,1、机械零件的工作能力和计算准则,重点掌握机械零件的载荷与应力分类、整体强度和表面强度,重点掌握零件的失效形式及计算准则,2、一般掌握钢材分类、性能、热处理名称。,3、一般了解机械零件工艺性及标准化,一、设计概论,二、零件的失效,三、机械零件的设计准则,整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。,y y ,1)相对速度较低： p p 2)相对速度较高：pv pv 3）相对速度很高 vv,一、设计概论,复 习,认识机器,机器设计的基本原则,本课程的主要内容及特点,二、零件的失效,整体断裂,过大的残余变形,零件的表面破坏,破坏正常工作条件引起的失效,三、机械零件的设计准则,接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。,
