§1.1

機械、機器、機構及其組成§1.2本課程的內容、性質的任務§1.3機械設計的基本要求和設計

過程§1.4機械零件的工作能力及其計算準則§1.5機械零件的載荷、應力和許用應力§1.6

機械零件的材料的選用原則§1.7機械設計的新發展第一章概論1.1機械、機器、機構及組成機械：機器與機構的總稱

機器：是能執行機械運動并被用來變換或傳遞能量、物料與信息的裝置。由動部分、傳動部分、執行部分組成。零件：是機器最基本的組成要素，是制造的最小單元。構件：機器中最小的運動單元。構件可以是一個零件，可能是多個零件連接在一起組成。

輔助系統（潤滑、顯示、照明......)控制系統動力部分傳動部分執行部分

機構只能變換或傳遞運動和力，而機器除能變換或傳遞運動和力之個，還具有變換或傳遞能量、物料和信息的功能。1.1機械、機器、機構及組成運動角度:由若干個可以相對運動的構件組裝而成的。結構角度:由機構組成的，而機構則是由一些能相對獨立運動的構件組成的。機器制造角度:由若干個機械零件裝配面成的。氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪91.2

本課程的內容、性質和任務研究內容和要求研究內容：工作原理、失效形式、常用材料、工作能力計算、參數選取、結構設計。

基本要求：掌握：零、部件的工作原理和特點；選用或計算方法；結構設計和使用、維護知識。學會：分析零件的失效原因，提出改進措施；運用手冊、

標準、規范(某產品的要求、規定)等有關資料。具有：設計(或改進)通用零件或簡單傳動裝置的能力。

1.3

機械設計的基本要求和設計過程一、機械設計的基本要求

在完成規定功能的前提下，力求性能好、效率高、成本低，在規定使用期內，做到安全可靠、操作方便、維護簡單和造型美觀。1、運動學和動力學方面的要求2、工作可靠性方面的要求3、經濟性方面的要求4、操作方便、安全性和環境保護方面的要求1.3

機械設計的基本要求和設計過程二、機械的一般設計過程

1、計劃階段2、方案設計階段3、總體技術設計階段4、零件技術設計階段5、改進設計階段調查研究方案構思獲取設計任務書研究方案評價獲原理性設計方案獲總體結構草圖總體設計零件設計獲總裝配圖和零件圖樣機試制綜合評價獲各種上設計技術文件總體設計零件設計計劃階段方案設計階段技術設計階段改進設計階段一、機械零件的工作能力

失效：工

作

能

力：承

載

能

力：1.4機械零件的工作能力及其計算準則機械零件由于某種原因不能正常工作。不失效前提下，零件能安全工作的限度。以載荷衡量零件工作能力時，零件所能承受的最大載荷二、零件的失效1）零件失效的形式：

2)衡量零件工作能力的指標：強度、剛度、抗磨性、耐熱性、振動穩定性零件斷裂或發生塑性變形零件工作表面出現疲勞破壞或過度磨損零件的彈性變形過大零件發生強烈振動1.4

機械零件的工作能力及其計算準則三、機械零件的計算準則強度計算準則(整體強度和表面強度)：剛度計算準則；抗磨性計算準則：耐熱性計算準則：振動穩定性準則

防止失效的判定條件（計算準則):

計算量<許用量1.4

機械零件的工作能力及其計算準則實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:p≤

[p]

[p]由實驗或同類機器使用經驗確定相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發熱量

fpv。在摩擦系數一定的情況下，可將

pv值與許用的

[pv]值進行比較。即:pv≤

[pv]1.4

機械零件的工作能力及其計算準則磨損—運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現象。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。耐磨性—零件抗磨損的能力。

磨損↑→間隙↑、精度↓、效率↓、振動↑、沖擊↑、噪音↑據統計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。

磨損的主要類型：1)磨粒磨損2)粘著磨損(膠合磨損)在滾動或兼有滑動和滾動的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應力。當載荷重復作用時，常會出現表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現象稱為疲勞磨損或疲勞點蝕。在摩擦過程申，與周圍介質發生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨硬質顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗洌谀Σ吝^程中引起的材料脫落現象稱為磨粒磨損。硬質顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產生塑性流動。若接觸處發生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉移到另一個表面，這種現象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴重時摩擦表面能相互咬死。3)疲勞磨損(疲勞點蝕)4)腐蝕磨損1.4

機械零件的工作能力及其計算準則1.5機械零件的載荷、應力和許用應力一、應力的種類otσσ=常數σmax脈動循環變應力r=0σm靜應力:

=常數變應力:

隨時間變化平均應力:應力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環變應力otσ變應力的循環特性:σmaxσminσaσa對稱循環變應力r=-1otσ----脈動循環變應力----對稱循環變應力

-1=

0+1----靜應力otσσaσaσminr=+1靜應力是變應力的特例1.5機械零件的載荷、應力和許用應力載荷系數

---考慮各種附加載荷因素的影響。記為:K。名義載荷

---在理想的平穩工作條件下作用在零件上的載荷。計算載荷

---載荷系數與名義載荷的乘積。計算應力

---按計算載荷計算所得之應力：名義應力

---按名義載荷計算所得之應力。二、靜應力下的許用應力，

[]、[]----許用應力；S----安全系數；

lim、

lim

----極限應力，由實驗方法測定。在機器運轉時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入1.5機械零件的強度二、靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料：取屈服極限

S作為極限應力，許用應力脆性材料：取強度極限

b

作為極限應力，許用應力三、變應力下的許用應力變應力下，零件的損壞形式：疲勞斷裂。疲勞斷裂特征如下：

1）疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限b低，甚至比屈服極限S還低。2）疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3）疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。

若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內約20μm處產生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑。失效形式常表現為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現小坑1.5機械零件的載荷、應力和許用應力1.5機械零件的載荷、應力和許用應力1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應力越小，試件能經受的循環次數就越多。試驗表明，當N>N0以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環時試件將不會斷裂。應力σ與應力循環次數N之間的關系曲線稱為：疲勞曲線當N>N0

時，試件將不會斷裂。N0

---循環基數N0對應的應力稱為：對應于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環應力下的彎曲疲勞極限。當N<N0

時，有近似公式：1.5機械零件的載荷、應力和許用應力2、許用應力

在變應力，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態等影晌，為此引人應力集中系數kσ、尺寸系數εσ和表面狀態系數β等。當應力是對稱循環變化時，許用應力：當應力是脈動循環變化時，許用應力：

σ0—材料的脈動循環疲勞極限；S—安全系數。以上各系數均可機械設計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：四、安全系數

安全系數定得正確與否對零件尺寸有很大影響1)靜應力下，塑性材料的零件：S=1.2~1.5

鑄鋼件：S=1.5~2.5S↑典型機械的

S可查表求得。無表可查時，原則如下：→

零件尺寸大，結構笨重。S↓→

可能不安全。2)靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3~43)變應力下，

S=1.3~1.7

材料不均勻，或計算不準時?。篠=1.7~2.51.5機械零件的載荷、應力和許用應力1.6機械制造常用材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1、鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵2、鋼：結構鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結構鋼、合金結構鋼、鑄鋼鑄鐵常金材用屬料鋼銅合金---含碳量>2%---含碳量≤

2%鐵碳合金特點：良好的液態流動性、可鑄造成形狀復雜的零件、較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。1.6機械制造常用材料及其選擇選用原則：優選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。

常用材料的相對價格材料種類規格相對價格熱軋圓剛

碳素結構鋼Q235（φ33~42）1鑄件優質碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結構鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件

1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應充分

我國資源豐富

1.6機械制造常用材料及其選擇3、銅合金—銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：良好的塑性和液態流動性；良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應用：應用范圍廣泛。種類：青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）—含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1、橡膠

橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。

1.6機械制造常用材料及其選擇2、塑料

塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件；不同塑料具有不同特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等；近年來在機械制造中其應用日益廣泛。

3、其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經濟問題設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經濟性零件材料各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和械設計手冊中查得。為了材料供應和生產管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。1.6機械制造常用材料及其選擇

常用鋼鐵材料的牌號及力學性能材料力學性能試件尺寸類別牌號強度極限σB

屈服極限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素結構鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優質碳素鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結構鋼

40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚

10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚

30~2001.7機械設計的新發展優化設計可靠性設計智能設計穩健設計并行設計虛擬設計綠色設計1.1教學基本要求

1.弄清機器與機構、構件與零件的概念，了解它們的區別和聯系。

2.明確機械的基本設計要求；初步理解機械零件的主要失效形式以及強度、剛度、抗磨性、耐熱性、振動穩定性等工作能力計算準則。

3.能正確判斷零件中應力的循環特性，了解疲勞斷裂和疲勞點蝕的產生機理和影響因素。

4.了解機械設計常用材料的選用原則。1.2重點與難點分析

本章的重點是機器與機構、構件與零件的概念以及機械零件的工作能力計算準則，難點是變應力下許用應力的確定。

1.零件零件是機器最基本的組成要素，它是加工制造時的最小單元。

2.構件構件是機器中最小的運動單元。構件可以是單個零件，但是由于結構和工藝上的需要，常常將幾個零件固定聯接在一起，組成一個構件。機器中各構件之間會產生相對運動，但同一構件上的零件之間無相對運動。

3.機構機構是能變換或傳遞運動與動力的、用可動聯接組合而成、而且有一個構件被固定的構件系統。機構作為一個構件系統，用來傳遞運動和力。4.機器機器是能執行機械運動、并用來變換或傳遞能量、物料與信息的裝置。一部機器可以是單個機構，但是大多數機器由多個機構組成。例如鼓風機和動機只包含一個機構，而內燃機則包含曲柄滑塊機構、凸輪機構、齒輪機構等多個機構。除構件系統之外，機器還可能含有電氣、液壓、氣壓、光學等其他系統，因此機器除傳遞運動和力之外，還具有變換或傳遞能量、物料與信息的功能。

5.機械由于機器的主體是由機構組成的，在研究構件的運動和受力情況時，機器與機構之間并無區別，因此人們把機器與機構統稱為機械。

6.機械零件的工作能力機械零件抵抗失效的能力，稱為機械零件的工作能力。其中強度是零件抵抗斷裂、塑性變形以及表面損壞的能力；剛度是零件抵抗彈性變形的能力；抗磨性是零件表面的抗磨損能力；耐熱性是零件在較高溫度下抗蠕變、抗氧化和抗熱變形的能力；振動穩定性是零件在周期性外力作用下不發生劇烈振動的能力。零件設計中通常使用一些計算公式來判斷零件是否具有足夠的工作能力，這些計算公式稱為機械零件的工作能力計算準則。

7.機械零件的強度計算準則強度計算準則通常用零件的最大工作應力（正應力σ或切應力τ）不大于零件的許用應力（[σ]或[τ]）來表示。需要注意，大多數機械零件的工作應力屬于變應力。在變應力下工作的零件，其許用應力既與應力循環特性r有關，也與應力循環次數N有關，還與零件產生初始裂紋的難易程度有關。在許用應力的計算公式中，壽命系數用來考慮應力循環次數的影響；表面狀況系數、應力集中系數和尺寸系數用來考慮零件產生初始裂紋難易程度的影響。

1.3自測試題

1.3.1判斷題

1.電子計算機也是一種機械