1、機械設計基礎第一章第一章 機械設計概述機械設計概述機械設計基礎一、現代一、現代制造業制造業的特點與設計的地位的特點與設計的地位面臨全球性的市場、資源、技術和人員的競爭開放的國際市場更具有選擇性，個性化、多樣化的消費需求使得市場快速多變傳統的價格與質量已不再是決定因素。柔性和響應速度的競爭，以適應全球市場的動態變化機械設計基礎現代現代制造業制造業的的T、Q、C、S 、ET（Time）：）：時間、產品開發的生命周期、交貨期時間、產品開發的生命周期、交貨期Q（Quality ）:質量質量C（Cost ）：成本）：成本S（serve ）：服務）：服務E（Environment）：環境）：環境機械設計基

2、礎二、機械零件的設計方法 理論設計根據長期總結出來的設計理論和實驗數據所進行根據長期總結出來的設計理論和實驗數據所進行的設計的設計 設計計算 用于能通過簡單的力學模型進行設計的零件 校核計算 用于結構復雜，應力分布較復雜，但又能用現有的應力分析方法（以強度為設計準則時）或變形分析方法（以剛度為設計準則時）進行計算的場合 經驗設計根據已有的設計與使用實踐而歸納出的經驗關系根據已有的設計與使用實踐而歸納出的經驗關系式，或工作經驗用類比的方法所進行的設計式，或工作經驗用類比的方法所進行的設計 對使用要求不大變動而結構形狀已典型化的零件，很有效。例如箱體、機架、傳動零件的結構要素。 模型實驗設計 對尺

3、寸巨大而機構又很復雜的重要零件，尤其是重型整體機械零件，為了提高設計質量，可采用模型實驗設計的方法。機械設計基礎三、機械設計的一般過程社會需求社會需求設計任務設計任務 定義問題 已知條件 合適的假設方案設計方案設計結構設計結構設計 編制技術文件編制技術文件機械零件設計的步驟機械零件設計的步驟受力分析受力分析選擇材料選擇材料確定計算準則確定計算準則理論理論 計算計算(參數設計參數設計) 結構設計結構設計 (CAD/CAE)技術文檔技術文檔機械設計基礎設計方案的評價標準 功能功能 作用原理作用原理 結構（最小原則）結構（最小原則） 安全可靠性安全可靠性 人機學人機學 加工制造加工制造 檢驗檢驗 裝

4、配裝配 運輸運輸 使用使用 維修維修 回收回收 費用費用 法律法律機械設計基礎四、本課程的性質、任務、內容性質 機類各專業重要的技術基礎課任務 樹立正確的設計思想和設計方法樹立正確的設計思想和設計方法 具有初步設計傳動裝置和簡單機械的能力具有初步設計傳動裝置和簡單機械的能力內容轎車的組成 機體組配氣機構供給系飛輪 曲軸 活塞曲柄連桿機構啟動系冷卻系機械設計基礎本課程的內容機械設計的一般理論、準則與方法，重點討論在機械設計的一般理論、準則與方法，重點討論在普通工作條件下工作的下工作的一般參數的的通用零部件的設計問題的設計問題重點分析的零部件分為三類：傳動傳動 包括帶、齒輪、蝸桿等傳動包括帶、齒輪

5、、蝸桿等傳動支承支承 包括滾動軸承、滑動軸承、軸、聯軸器、離合包括滾動軸承、滑動軸承、軸、聯軸器、離合器器 、制動器、彈簧、制動器、彈簧連接連接 包括螺紋連接和軸轂連接包括螺紋連接和軸轂連接機械設計基礎不同的視角機器的組成機器的組成( (從運動觀點看從運動觀點看) )由機構組成由機構組成( (從制造觀點看從制造觀點看) )由零件組成由零件組成曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構凸輪機構凸輪機構齒輪機構齒輪機構機械設計基礎五、機械零件的工作能力與計算準則五、機械零件的工作能力與計算準則工作能力 在一定的條件下(載荷、環境、使用期)，零件不發生失效的安全工作限度主要失效形式 斷裂、過大的殘余應變、表面磨損、腐

6、蝕、零件表面的接觸疲勞和共振等某一結構、機器或機器零件某一結構、機器或機器零件的尺寸、形狀或材料性能發的尺寸、形狀或材料性能發生改變而不能滿意地執行預生改變而不能滿意地執行預期的功能，就稱為機械失效。期的功能，就稱為機械失效。據美國據美國1982年統計，斷裂失效損年統計，斷裂失效損失為失為ll40億美元，其中可避免的億美元，其中可避免的為為360億美元；腐蝕失效損失為億美元；腐蝕失效損失為720億美元，可避免的為億美元，可避免的為100億美億美元；其中磨損失效損失數目很大元；其中磨損失效損失數目很大還未包括在內。還未包括在內。 機械設計基礎強度準則強度準則 剛度準則剛度準則 y y y y 耐

7、磨性準則耐磨性準則 p pp pvp pvpvpv振動穩定性準則振動穩定性準則耐熱性準則耐熱性準則機械零件的計算準則機械零件的計算準則機械設計基礎六、常用材料的選用原則使用要求使用要求 載荷的大小和性質，應力的大小、性質及其分布狀況載荷的大小和性質，應力的大小、性質及其分布狀況 零件的工作情況零件的工作情況是指零件所處的環境特點、工作溫零件的工作情況零件的工作情況是指零件所處的環境特點、工作溫度、摩擦磨損的程度等度、摩擦磨損的程度等 工藝要求工藝要求 零件的尺寸及質量零件的尺寸及質量 零件結構的復雜程度及材料的加工可能性零件結構的復雜程度及材料的加工可能性 經濟效益經濟效益 材料的經濟性材料的

8、經濟性 材料的供應狀況材料的供應狀況 機械設計基礎七、載荷、應力、安全系數七、載荷、應力、安全系數1、載荷、載荷 靜載荷：大小或方向不隨時間變化或變化極緩慢 變載荷：大小或方向隨時間變化的載荷：載荷：工作載荷：機械正常工作時所受的實際載荷(比較難以確定)名義載荷：近似地按原動機的功率通過計算求得的載荷計算載荷：計及零部件工作中所受的各種附加載荷得到的載荷 FcKF， TcKT載荷：力和力矩載荷：力和力矩機械設計基礎2、應力、應力應力應力 靜應力：不隨時間而變的應力 變應力：隨時間而變的應力穩定循環：穩定循環：不穩定循環：不穩定循環：隨機：隨機：maT不隨時間變不隨時間變maT之一隨時間之一隨時

9、間變變變化無規律變化無規律僅討論穩定循環變應力僅討論穩定循環變應力nP an注意注意：變載荷：變載荷 變應變應力力靜載荷靜載荷 靜應力靜應力 ？或變應力或變應力變應力作用下變應力作用下零件的主要失零件的主要失效形式：效形式：疲勞疲勞破壞破壞機械設計基礎(1) (1) 穩定循環變應力穩定循環變應力應力變化的周期、應力變化的幅度或平均應力變化的周期、應力變化的幅度或平均值，其中之一隨時間而變化值，其中之一隨時間而變化 應力隨時間按一定規律周期性變化，而應力應力隨時間按一定規律周期性變化，而應力變化的幅度和平均值保持常數變化的幅度和平均值保持常數 (2) (2) 非穩定循環變應力非穩定循環變應力規律

10、性非穩定變應力規律性非穩定變應力 隨機性非穩定變應力隨機性非穩定變應力 穩定循環變應力穩定循環變應力1）變應力的種類）變應力的種類機械設計基礎max最大應力最大應力min最小應力最小應力2minmaxa應力幅應力幅2minmaxm平均應力平均應力maxminr循環特征循環特征11r已知已知 2 2 個參數個參數確定其余參數確定其余參數變應力參數變應力參數 ( ( 以正應力以正應力為例、可將為例、可將替換替換) )ma max、 min：絕對值最大和絕對值最小的應力絕對值最大和絕對值最小的應力 max、 min在橫坐標軸在橫坐標軸同側同側時，時，r取取正正號；在號；在異側異側時，時，r取取負負號

11、號2）穩定循環變應力各參數之間關系機械設計基礎幾種穩定循環變應力幾種穩定循環變應力(1) (1) 對稱循環變應力對稱循環變應力(2) (2) 脈動循環變應力脈動循環變應力(3) (3) 靜應力靜應力minmax0mminmaxa1r)(110min2maxma0r)(000amminmax1r)(11脈動循環變應力脈動循環變應力對稱循環變應力對稱循環變應力靜應力靜應力(4) (4) 非對稱循環變應力非對稱循環變應力非對稱循環變應力非對稱循環變應力maxaminm機械設計基礎Slim正應力：正應力：Slim剪應力：剪應力：極限應力極限應力)(BB脆性材料取強度極限脆性材料取強度極限)(SS塑性材

12、料取屈服極限塑性材料取屈服極限由零件的強度條件由零件的強度條件(1) (1) 靜應力下的極限應力靜應力下的極限應力與材料性能有關與材料性能有關BS3）零件的極限應力）零件的極限應力機械設計基礎(2) (2) 變應力下的極限應力變應力下的極限應力與材料、循環次數與材料、循環次數N N、循環特征循環特征r r 等有關等有關在循環特征為在循環特征為r r的變應力作用下對一組的變應力作用下對一組試樣作疲勞試驗試樣作疲勞試驗一個一個值、值、記錄下試樣破壞的記錄下試樣破壞的N N 值值當當值小到某一數值時，值小到某一數值時，“無數無數”次循環試樣都不會次循環試樣都不會疲勞破壞，則用疲勞破壞，則用0N替代替代“無數無數”次。次。與與對應的應力對應的應力0N0N：r：當為對稱循環變應力時，取其持久極限應力當為對稱循環變應力時，取其持久極限應力當為脈動循環變應力時，取其持久極限應力當為脈動循環變應力時，取其持久極限應力)(1