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1、 第一章第一章 绪绪 论论1 1 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容2 2 机械零件设计的基本准则及机械零件设计的基本准则及 一般设计步骤一般设计步骤 3 3 机械零件常用金属材料和钢机械零件常用金属材料和钢 处理常识（自学）处理常识（自学） 本课程研究的对象是机械（机器和机构统称）。本课程研究的对象是机械（机器和机构统称）。1 1 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容 古代水碓古代水碓 牛头刨牛头刨 床床 内燃机内燃机照相机凸轮机构齿轮机构棘轮机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构，将活塞往复，将活塞往复移动转化为曲柄的连续转动；移动转化为曲柄的连续转动；齿轮机构齿轮机构，改变转速大
2、小和，改变转速大小和转向；转向；凸轮机构凸轮机构，将凸轮的，将凸轮的连续转动转变为推杆往复移动。连续转动转变为推杆往复移动。 机器实例：机器实例：内燃机内燃机 1 1、功能：内燃机、功能：内燃机是将燃气燃烧时的热是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的能转化为机械能的机机器器。 2 2、组成包含三种机构：、组成包含三种机构：一、机械、机器和机构一、机械、机器和机构气缸体气缸体1 1活塞活塞2 2进气阀进气阀3 3排气阀排气阀4 4连杆连杆5 5曲轴曲轴6 6凸轮凸轮7 7顶杆顶杆8 8齿轮齿轮9 9 活塞下行，进气阀打开，活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃
3、气活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动下行，经连杆带动曲轴输出转动 活塞上行，排气阀打开，排出废气活塞上行，排气阀打开，排出废气3 3、工作过程：、工作过程：4 4、运动分析：、运动分析：原动件：活塞原动件：活塞由燃气推动（驱动力所作用的构件）由燃气推动（驱动力所作用的构件）主运动：将活塞的往复直线运动主运动：将活塞的往复直线运动曲轴的回转运动曲轴的回转运动辅助运动：配气辅助运动：配气 启闭进排气阀启闭进排气阀 机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机械功，或者能传递
4、或转换能量、物料、信息等。如机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如 车车床床实现确定的机械运动，又作有用的机械功实现确定的机械运动，又作有用的机械功 内燃机内燃机转换能量转换能量 机械手机械手传递物料传递物料 照相机照相机传递信息传递信息 机构：仅能传递或转换运动。如机构：仅能传递或转换运动。如 齿轮机构齿轮机构传递运动传递运动 凸轮机构凸轮机构转换运动转换运动 机械：是机器和机构的总称。机械：是机器和机构的总称。 总结：总结：二、机械的特征二、机械的特征1 1）人为的实物组合）人为的实物组合由人工组合的构件系统由人工组合的构件系统2 2）各实物间具有确定的相对运动）各实物间具有确定的
5、相对运动3 3）实现能量转换或完成有效的机械功）实现能量转换或完成有效的机械功如如内燃机：热能内燃机：热能机械能机械能发电机：机械能发电机：机械能电能电能电动机：电能电动机：电能机械能机械能1 1、机器的特征、机器的特征活塞活塞缸体：往复运动缸体：往复运动曲轴曲轴缸体：转动缸体：转动连杆连杆曲轴：摆动曲轴：摆动如如具有以上三个特征具有以上三个特征机器机器凸轮机构（配气机构）：把回转运动凸轮机构（配气机构）：把回转运动直线运动直线运动曲柄滑块机构：将活塞的直线运动曲柄滑块机构：将活塞的直线运动曲柄的回转曲柄的回转运动运动如如机器是由一种或多种机构组成的。机器是由一种或多种机构组成的。只具有机器的
6、前两个特征只具有机器的前两个特征机构机构2 2、机构的特征、机构的特征3 3、机器和机构的关系、机器和机构的关系三、构件和零件三、构件和零件1. 1. 机器由机构组成机器由机构组成: :3.3.构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成。单元体，由一个或几个零件组成。单一零件曲轴单一零件曲轴多个零件多个零件刚性组合刚性组合连杆连杆2. 2. 机构是人工组合的构件系统，必须满足两点机构是人工组合的构件系统，必须满足两点: :若干构若干构件的组合；这些构件具有确定的相对运动。件的组合；这些构件具有确定的相对运动。 4.4.零
7、件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。体。 专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片轴、叶片通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等轴、螺栓等 5.5.部件：若干个零件的装配体部件：若干个零件的装配体 机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范基本理论和方法及有关标准规范
8、 四、本课程的研究对象和研究方法四、本课程的研究对象和研究方法1.2 1.2 机械零件设计基本准则机械零件设计基本准则 及一般设计步骤及一般设计步骤 零部件丧失正常工作能力称为失效。零部件丧失正常工作能力称为失效。 主要失效形式主要失效形式永久性：断裂、塑性变形、过度永久性：断裂、塑性变形、过度磨损、胶合等；暂时性失效：弹性变形，打滑和共振等。磨损、胶合等；暂时性失效：弹性变形，打滑和共振等。 失效原因失效原因强度、刚度、耐磨性、振动稳定性不强度、刚度、耐磨性、振动稳定性不能满足工作要求。根据失效原因制定了设计准则，并作能满足工作要求。根据失效原因制定了设计准则，并作为防止失效和进行设计计算的
9、依据。为防止失效和进行设计计算的依据。( (一一) )强度强度1 1、体积强度：、体积强度：抵抗断裂和过大塑性变形的能力，抵抗断裂和过大塑性变形的能力，, , 极限应力极限应力lim,limlim,lim应根据零件材料性质及所受应应根据零件材料性质及所受应力类型作如下选择：力类型作如下选择： ) )静应力下工作的塑性材料零件，失效为塑性变形，静应力下工作的塑性材料零件，失效为塑性变形，应按不发生塑性变形的强度条件计算，常以材料的屈服点应按不发生塑性变形的强度条件计算，常以材料的屈服点，作为极限应力作为极限应力lim,limlim,lim。 ) )静应力下脆性材料，失效为断裂，应按不发生断静应力
10、下脆性材料，失效为断裂，应按不发生断裂的强度条件计算，常以材料的强度极限裂的强度条件计算，常以材料的强度极限，作为作为极限应力极限应力lim,limlim,lim。 ) )交变应力下，失效为疲劳断裂，应按不发生疲劳交变应力下，失效为疲劳断裂，应按不发生疲劳断裂的强度条件计算，常以材料的疲劳极限作为极限应力断裂的强度条件计算，常以材料的疲劳极限作为极限应力lim,limlim,lim。、表面强度：、表面强度：抵抗表面损伤的能力抵抗表面损伤的能力）表面挤压强度表面挤压强度： 面接触的两零件受载后接触面间产生挤压应力。面接触的两零件受载后接触面间产生挤压应力。失效形式：塑性材料失效形式：塑性材料表面
11、塑性变形；脆性材料表面塑性变形；脆性材料表表面压溃。面压溃。 挤压强度条件：挤压强度条件：ss）表面接触强度表面接触强度产生原因：点、线接触的零件受载后产生的局部应力产生原因：点、线接触的零件受载后产生的局部应力失效形式：失效形式：静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形；静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形；循环接触：表面疲劳磨损，疲劳点蚀（在交变应力的反复作循环接触：表面疲劳磨损，疲劳点蚀（在交变应力的反复作用下，零件表面的金属成小片状脱落下来而形成一些小凹坑用下，零件表面的金属成小片状脱落下来而形成一些小凹坑的现象）的现象）不发生失效的强度条件：不发生失效的强度条
12、件： （二）刚度（二）刚度 抵抗弹性变形的能力。最大变形量不能超过许用变形抵抗弹性变形的能力。最大变形量不能超过许用变形量：包括线性变形，转角和扭角变形。量：包括线性变形，转角和扭角变形。（三）耐磨性（三）耐磨性载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大，转速高过度磨在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大，转速高过度磨损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作面的损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作面的单位压力和相对滑动速度，进行良好的润滑以及提高零件单位压力和相对滑动速度，进行良好的润滑以及提高零件
13、表面硬度和表面质量来提高耐磨性。表面硬度和表面质量来提高耐磨性。（四）振动稳定性（四）振动稳定性 避免零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍避免零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍 静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于间应力变化次数小于10103 3的通用零件，均按静应力强度进的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）行设计。（材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，疲劳破坏定义：金属材料试件
14、在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。经过长时间的试验而发生的破坏。（一）（一） 应力的类型和特点应力的类型和特点 静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。 交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。 例：例：常见变应力及其基本变化规律常见变应力及其基本变化规律 minmaxmaxminmaxmin:22mrs关系变应力参
15、数变应力参数Otmaxminsamax max 最大应力最大应力 minmin 最小应力最小应力 m m 平均应力平均应力s s 应力幅应力幅 r r 变应力循环特性变应力循环特性对称循环应力对称循环应力s= 0 r = -1 min= 0 r = 0 脉动循环应力脉动循环应力例：火车轮轴、双向转动的例：火车轮轴、双向转动的齿轮轮齿的弯曲应力齿轮轮齿的弯曲应力例：单向转动的齿轮轮齿的例：单向转动的齿轮轮齿的弯曲应力弯曲应力非对称循环应力非对称循环应力-1 r 0 0 r ND N ND 无限寿命区无限寿命区曲线段曲线段 N ND N ND 有限寿命区有限寿命区mrrNNN0 有限寿命（为有限寿
16、命（为N N）时疲劳极限）时疲劳极限 m m 随应力状态而不同的指数随应力状态而不同的指数 NNrK CNNmrmrN0r 循环基数循环基数 ND =10625107 N01 1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。进行综合对比并正确选用。2 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。3 3）根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当）根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当的材料。的材料。4 4）根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准）根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准则进行计算，确定出零件的基本尺寸。则进行计算，确定出零件的基本尺寸。5 5）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。6 6）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，）细节设计完成后，必要时进行详细的校
