第一章机械设计概论 第一节课程简介 课程的性质和内容 是研究机械装置和机械系统的设计问题,培养同学们具有机械设计能力的技术 基础课,是机械类专业的一门非常重要的主干课 首先介绍几个常用的概念 1.机械一一机器和机构的总称。 2.零件一一是机器的制造单元。有些零件是在各种机器中常用的,称之为通用 零件;有些零件只有在特定的机器中才用到,称之为专用零件 3.部件一一为完成同一使命在结构上组合在一起并协调工作的零件。如滚动轴 承 注意:“机械零件”常用来泛指零件和部件。 ★机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志 ★机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。 ☆大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器,可大大加强促进国民经济发展的 力度,加速我国的现代化建设 设计是生产机械产品的第一道工序。要想生产出好的产品,首先要有好的设计 设计是保证具有良好性能的首要环节。如果设计水平不高,即使有再好的加工制造 能力也不可能生产出好的机械产品,可见机械设计在机械工程中的地位是非常重要 的 任何机械设计都是由若干个零件组成,机器的性能好坏就取决于它的主要零件 和关键零件的性能好坏。要想设计出好的机器,必须首先设计好它的零件。因此, 机械零件的设计是机械设计的基础,是机械设计的重要组成部分。 本课程的基本教学内容主要是通用机械零件的设计和计算。如齿轮、轴承、轴、 带传动、链传动等 本课程是一门实用性、适用性强的设计课程。介绍的是机械零件的基本设计方 法。而近些年发展起来的如CAD、优化设计、可靠性设计等现代设计方法大多是 建立在这些基本设计方法之上的,是对这些基本设计方法的发展和提高。 本课程的最终目的在于是同学们掌握综合运用各种机械零件和各种机构以及 其他先修课的知识,设计和简单机械的能力。 什么是机械传动装置呢?首先来分析机器的组成。 机器的组成如下 控制系统 传动装置 行机构 辅助系统
1 第一章 机械设计概论 第一节 课程简介 一、课程的性质和内容 是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的技术 基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。 首先介绍几个常用的概念： 1． 机械――机器和机构的总称。 2．零件――是机器的制造单元。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用 零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。 3．部件――为完成同一使命在结构上组合在一起并协调工作的零件。如滚动轴 承。 注意：“机械零件”常用来泛指零件和部件。 ＊机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。 ＊机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。 ＊大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的 力度，加速我国的现代化建设。 设计是生产机械产品的第一道工序。要想生产出好的产品，首先要有好的设计， 设计是保证具有良好性能的首要环节。如果设计水平不高，即使有再好的加工制造 能力也不可能生产出好的机械产品，可见机械设计在机械工程中的地位是非常重要 的。 任何机械设计都是由若干个零件组成，机器的性能好坏就取决于它的主要零件 和关键零件的性能好坏。要想设计出好的机器，必须首先设计好它的零件。因此， 机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。 本课程的基本教学内容主要是通用机械零件的设计和计算。如齿轮、轴承、轴、 带传动、链传动等。 本课程是一门实用性、适用性强的设计课程。介绍的是机械零件的基本设计方 法。而近些年发展起来的如 CAD、优化设计、可靠性设计等现代设计方法大多是 建立在这些基本设计方法之上的，是对这些基本设计方法的发展和提高。 本课程的最终目的在于是同学们掌握综合运用各种机械零件和各种机构以及 其他先修课的知识，设计和简单机械的能力。 什么是机械传动装置呢？首先来分析机器的组成。 机器的组成如下： 原动件 传动装置 执行机构 控制系统 辅助系统
传动装置一一在原动件与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械 传动装置是本课程研究的主要内容之 二、课程的特点 ☆涉及面广 关系多一一因与诸多先修课关系密切 要求多一一强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性 门类多一一各类零件,各有特点,设计方法各异。 公式多一一计算多,有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式 图表多一一结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。 ★实践性强一不仅读懂书就行,要多联系实际,要注重实践性环节。 ★无重点一又都是重点,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一更多地谈论谁设计得更好,要注意发展求异思维 学习中要处理好以下几个关系 1)零件的设计与选用——是零件设计的两个主要途径。 2)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 3)性能要求与经济性一—一永远是一对矛盾,应学会合理地解决这一对矛盾。 4)经验设计与现代设计——一二者均重要,前者是后者的基础 5)具体的设计方法与一般的设计能力——一前者是学习的形式,后者是学习的目 的 第二节机械零件的计算准则 几个概念: 失效:一一指机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。 注意:1)失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。实际中的机械零 件可能的失效形式很多,归结起来主要有以下几个方面的失效:强度、刚度、耐磨 性、振动稳定性、联接的松动以及可靠性等。 2)同一种机械零件的可能失效形式往往有数种。 2.工作能力:一一机械零件不发生失效的安全工作限度 3.承载能力 对载荷而言的工作能力 在设计中,应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效。为此对于 每种失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件,这样的条件就是所谓的工作能 力计算准则。它是设计机械零件的理论依据
2 传动装置――在原动件与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械 传动装置是本课程研究的主要内容之一。 二、课程的特点 ＊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。 学习中要处理好以下几个关系： 1）零件的设计与选用──是零件设计的两个主要途径。 2）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。 3）性能要求与经济性──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 4）经验设计与现代设计──二者均重要，前者是后者的基础。 5）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。 第二节 机械零件的计算准则 几个概念： 1．失效：――指机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。 注意：1）失效并不单纯指破坏。破坏只是失效的形式之一。实际中的机械零 件可能的失效形式很多，归结起来主要有以下几个方面的失效：强度、刚度、耐磨 性、振动稳定性、联接的松动以及可靠性等。 2）同一种机械零件的可能失效形式往往有数种。 2．工作能力：――机械零件不发生失效的安全工作限度。 3．承载能力：――对载荷而言的工作能力。 在设计中，应保证所设计的机械零件在正常工作中不发生任何失效。为此对于 每种失效形式都制定了防止这种失效应满足的条件，这样的条件就是所谓的工作能 力计算准则。它是设计机械零件的理论依据
在机械零件的设计中,最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下,都希望尺 寸小、重量轻,同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算 常用的计算方法有两种 设计计算:一一先分析零件的可能失效形式,根据该失效形式的计算准则 通过计算确定零件的机构尺寸。 2.校核计算:一一先根据经验确定零件的结构尺寸,然后在验算零件是否满足 计算准则。如不满足,则应修改零件的尺寸。 、载荷和应力的分类 1.载荷 载荷分为静载荷和变载荷 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 名义载荷:在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷 计算载荷:=载荷系数K×名义载荷。其中载荷系数K用于计入在实际工作 中机械零件受到的各种动载荷的影响 2.应力 静应力 对称循环应力r=-1 恒幅循环变应力了脉动循环应力r=0 循环变应力 非对称循环应力 变应力 变幅循环变应力 随机变应力 需注意:变应力由变载荷产生,也可由静载荷产生 名义应力根据名义求得的应力 计算应力:根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应 二、机械零件的强度 1.强度准则 强度:指机械零件工作时抵抗破坏(断裂或塑性变形)的能力。 机械零件的强度准则有两种表示方法: σ≤ s==lim
3 在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺 寸小、重量轻，同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。 常用的计算方法有两种： 1．设计计算：――先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则 通过计算确定零件的机构尺寸。 2．校核计算：――先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在验算零件是否满足 计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。 一、载荷和应力的分类 1．载荷 载荷分为静载荷和变载荷。 由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。 名义载荷： 在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷。 计算载荷：＝载荷系数 K×名义载荷。其中载荷系数 K 用于计入在实际工作 中机械零件受到的各种动载荷的影响。 2． 应力 静应力 对称循环应力 r＝－1 恒幅循环变应力 脉动循环应力 r=0 循环变应力 非对称循环应力 变应力 变幅循环变应力 随机变应力 需注意：变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。 名义应力： 根据名义载荷求得的应力。 计算应力： 根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应 力。 二、机械零件的强度 1． 强度准则 强度： 指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 机械零件的强度准则有两种表示方法： 1） ≤ = S lim 2） S ≥ S S＝ lim
式中:一最大计算应力:[G-许用应力:σm-极限应力:S一计算安全系数 S]_许用安全系数 对于一个具体的机械零件而言,两差值[]σ和S-S]可称为安全裕度 其大小表示零件安全的程度。 当计算应力σ相同时,G]越大,则越安全。 当许用应力」相同时,σ越大,则越安全。 2.静应力下的强度 在静应力下工作的零件,其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料不同, 所取极限应力也不同 单向应力状态下 塑性材料」 Tlim =Is 复合应力状态下:按第三或第四强度理论计算当量应力。 lim 单向应力状态下: 脆性材料 T1:=T 复合应力状态下:按第一强度理论计算当量应力。 3.变应力下的强度 计算变应力下的强度时,应取σ1m=疲劳极限σ(详见第二章) 4.许用安全系数 合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。[S]过大,则机器会过于 笨重:[S]过小,可能不安全。因此,在保证安全的前提下,应尽可能选用较小 的许用安全系数。[S]的取值主要受下列因素的影响 1)计算的准确性:2)材料的均匀性;3)零件的重要性 注意
4 式中： －最大计算应力； －许用应力； lim －极限应力；S－计算安全系数； S －许用安全系数； 对于一个具体的机械零件而言，两差值 － 和 S－S 可称为安全裕度。 其大小表示零件安全的程度。 当计算应力 相同时， 越大，则越安全。 当许用应力 相同时， 越大，则越安全。 2． 静应力下的强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料不同， 所取极限应力也不同： lim = s 塑性材料 s = lim 复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。 lim = b 脆性材料 b = lim 复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。 3． 变应力下的强度 计算变应力下的强度时，应取 lim = 疲劳极限 rN （详见第二章） 4． 许用安全系数 合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。 S 过大，则机器会过于 笨重； S 过小，可能不安全。因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小 的许用安全系数。 S 的取值主要受下列因素的影响： 1） 计算的准确性；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。 注意： 单向应力状态下： 单向应力状态下：
1)对于塑性材料和组织不均匀的材料(如灰铸铁),在计算其静强度时可不考 虑应力集中的影响。 2)对于组织均匀的低塑性材料(如淬火钢),在计算其静强度时应考虑应力集 中的影响 机械零件的表面强度 1.表面接触疲劳强度 对于高副接触的机械零件,理论上是点、线接触,但实际上在载荷作用下材料 发生弹性变形后,理论上的点、线接触变成了很小的面接触,在接触处局部会产生 很高的应力,这样的应力称为表面接触应力,用an表示。σ的大小用赫兹公式 计算,见教材。 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的,例如齿轮的轮齿,接触啮 合时受应力作用,脱离啮合时不受应力作用 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为: 在接触循环应力作用下,首先在金属表面上形成很小的微裂纹,之后裂纹沿着 与表面成锐角的方向发展,当到达一定深度后,又越出零件表面,最后有小片的金 属剥落下来,在零件的表面形成小坑,这种现象称为疲劳点蚀(简称点蚀)。 点蚀是接触应力作用下的失效形式,属于疲劳破坏 点蚀的危害: 1)破坏零件的光滑表面,引起振动和噪音 2)减小零件的有效工作面积 2.表面挤压强度 当两零件之间为面接触时,在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力,用 p表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度,其强度条件为 Gn≤[Gn] 挤压应力过大时,接触面将产生“压溃”失效。相互挤压表面上的挤压应力相等 四、机械零件的刚度 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足, 则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如:机床的主轴如产生过大的 性变性会影响所加工工件的精度
5 1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算其静强度时可不考 虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算其静强度时应考虑应力集 中的影响。 三、机械零件的表面强度 1．表面接触疲劳强度 对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料 发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生 很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用 H 表示。 H 的大小用赫兹公式 计算，见教材。 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮 合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。 在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。强度条件为： H ≤ H 在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着 与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金 属剥落下来，在零件的表面形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。 点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。 点蚀的危害： 1） 破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2） 减小零件的有效工作面积。 2．表面挤压强度 当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用 p 表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其强度条件为： p ≤［ p ］ 挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。相互挤压表面上的挤压应力相等。 四、机械零件的刚度 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足， 则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹 性变性会影响所加工工件的精度；
刚度条件为 实际变形量≤[许用变形量] 式中:实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工 作所允许的变形量 注意:1)零件材料的弹性模量E越大,则其刚度越大。 2)用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度,但不能提高零件的刚度。 五、振动稳定性准则 机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力 的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时,便发生共振,导致零件失效 这种现象称之为“失去振动稳定性”。 振动稳定性准则:应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率 即 fF1.15f 式中:广一零件的自激振动频率 fF--外力变化的频率 六、摩擦学(耐磨性计算)准则 在滑动摩擦条件下工作的机械零件,常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多 而且比较复杂,因此,到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常 只进行条件性计算,通过限制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。 为防止产生过大的磨损应满以下条件 压强不超过许用值 速度不超过许用值 U≤[U] 压强与速度乘积不超过许用值pu≤[pU]
6 刚度条件为： 实际变形量≤［许用变形量］ 式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工 作所允许的变形量。 注意：1）零件材料的弹性模量 E 越大，则其刚度越大。 2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。 五、振动稳定性准则 机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力 的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。 这种现象称之为“失去振动稳定性”。 振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。 即 F f ＜0.85f 或 F f ＞1.15 f 式中：f――零件的自激振动频率 F f ――外力变化的频率. 六、摩擦学（耐磨性计算）准则 在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多 而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常 只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。 为防止产生过大的磨损应满以下条件： 压强不超过许用值 p≤［p］ 速度不超过许用值 υ ≤［ υ ］ 压强与速度乘积不超过许用值 p υ ≤［p υ ］
第二章机械零件的疲劳强度设计 第一节概述 、定义 、疲劳破坏:很多机械零件受变应力作用。即使变应力的=<O6。而 变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次 数的增加,当损伤累积到一定程度时,在零件的表面或内部将出现 (萌生)裂纹。之后,裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂 这种缓慢形成的破坏称为“疲劳破坏”。一—是变应力作用下零 件的主要失效形式 、疲劳破坏的特点 a)疲劳断裂时:受到的O=低于O,甚至低于O,° b)不论是脆性材料,还是塑性材料,断口通常没有显著的塑性变形 表现为:脆性断裂 突然性,更危险 c)疲劳破坏是一个损伤累积的过程,有发展的过程,需要时间。—一寿 命的计算 d)疲劳断口分为两个区:疲劳区和脆性断裂区 二、变应力的类型 变应力可用应力比y=m、最大应力G、最小应力σ、平均应力 On和应力幅O。这五个参数中的任意两个表示 7
7 第二章 机械零件的疲劳强度设计 第一节 概述 一、定义 1、疲劳破坏：很多机械零件受变应力作用。即使变应力的 max b 。而 变应力的每次循环也仍然会对零件造成轻微的损伤。随应力循环次 数的增加，当损伤累积到一定程度时，在零件的表面或内部将出现 （萌生）裂纹。之后，裂纹又逐渐扩展直到发生完全断裂。 —— 这种缓慢形成的破坏称为 “疲劳破坏”。 ——是变应力作用下零 件的主要失效形式。 2、疲劳破坏的特点 a) 疲劳断裂时：受到的 max 低于 b ，甚至低于 s 。 b) 不论是脆性材料，还是塑性材料，断口通常没有显著的塑性变形。 — — 表现为：脆性断裂。—— 突然性，更危险。 c) 疲劳破坏是一个损伤累积的过程，有发展的过程，需要时间。——寿 命的计算。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。 二、变应力的类型 变应力可用应力比 min max = 、最大应力 max 、最小应力 min 、平均应力 m 和应力幅 a 这五个参数中的任意两个表示
脆断区 表面粗糙不平 在最后断裂 时形成的 疲劳源 疲劳区表面光滑,在显微镜下,可见到 疲劳纹。裂纹扩展中形成的 ☆各参数不随时间变化的变应力称为稳定变应力 参数随时间变化的变应力称为非稳定变应力 参数按一定规律周期性变化的称为规律性非稳定变应力。 随机变化的称为随机变应力。 0a大小不变
8 ☆ 各参数不随时间变化的变应力称为稳定变应力。 参数随时间变化的变应力称为非稳定变应力。 参数按一定规律周期性变化的称为规律性非稳定变应力。 随机变化的称为随机变应力
变应力的类型不同,所采用的疲劳计算方法不尽相同,本章介绍工程中常用的 疲劳计算方法。 第二节疲劳曲线和极限应力图 几个概念: 1.材料的疲劳极限:O 在应力比为r的循环变应力作用下,应 力循环N次后,材料不发生疲劳破坏时,所能承受的最大应力Om(是 最高变应力中的Om),变应力的大小可用其最大应力=比较。 2.疲劳寿命:—材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。r不同或N
9 变应力的类型不同，所采用的疲劳计算方法不尽相同，本章介绍工程中常用的 疲劳计算方法。 第二节 疲劳曲线和极限应力图 几个概念： 1. 材料的疲劳极限： rN —— 在应力比为г的循环变应力作用下，应 力循环 N 次后，材料不发生疲劳破坏时，所能承受的最大应力 max 。（是 最高变应力中的 max ），变应力的大小可用其最大应力 max 比较。 2. 疲劳寿命： —— 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。г不同或 N
不同时,疲劳极限O不同。即O,与r、N有关。疲劳强度计算中, 就是以疲劳极限作为Om。Om=O2N 、疲劳曲线(σ-N曲线) 即应力比r一定时,表示疲劳极限,与循环次数N之间关系的曲线 典型的疲劳曲线如下图示: rN 有限寿命区 无限寿命区 N (线性坐标)(由试验得到的)
10 不同时，疲劳极限 N 不同。即 N 与г、N 有关。疲劳强度计算中， 就是以疲劳极限作为 lim 。 lim = N 一、疲劳曲线（ -N 曲线） 即应力比г一定时，表示疲劳极限 N 与循环次数 N 之间关系的曲线。 典型的疲劳曲线如下图示：