武汉理工大学机械设计基础

机器(Machine)—主要是指机械装置。如电动机、内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等。机械（Machinery)——是机器和机构统称。机械设计(MachineDesign)——即为各种机械装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。本课程主要介绍机械设计中的一些基础知识。机构（Mechanics）——机构是用连接副连接起来的、有一个构件为机架的构件系统。只能传递运动和力。内燃机机械设计基础课程的研究对象——机械。如：指南车破碎机带式运输机运输带电动机联轴器联轴器减速器索杰纳火星车它是美国国家航空航天局于格林威治时间1997年7月4日17时07分发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆，该飞船携带了索杰纳火星车，这也是一种机器。世界最小的微型机械人World'ssmallestrobot美国山迪亚国家实验室的科学家，成功研制了相信是世界最小的微型机械人，这微型机械人体积只有四分之一立方寸，体重小於一盎司。“神舟五号”发射时的情景。发射塔、运载火箭都是庞大的机器。专用零部件通用零部件专用零件是只能用于某类机械的零件．如曲轴，燃气轮机的叶轮典型机构机械零部件控制操作系统§0-1机械的组成一.组成缸体活塞连杆曲轴曲柄滑块机构齿轮机构凸轮机构内燃机由曲柄滑块机构齿轮机构凸轮机构组成凸轮推杆二.机构及基本组成单元1.机构——是由构件以可动联接方式联接起来，用来传递运动和力的构件系统。如：内燃机中由缸体、活塞、连杆、曲轴四构件组成的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构缸体（机架）活塞（滑块）连杆曲轴（曲柄）曲轴2．基本组成单元构件（link）——构件是机构中的运动单元，构件可以是单一的整体如活塞、曲轴，也可以是由几个零件组成的刚性结构（如：连杆）零件（element）——是制造的单元，是不可分割的最小单元。如：连杆体、连杆盖、轴瓦螺栓、螺母、开口销连杆体连杆盖轴瓦螺栓螺母开口销连杆机械：是机器和机构的总称机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量，物料和信息。机器由若干机构组成。机构：是由构件以可动联接方式联接起来，用来传递运动和力的构件系统。构件：是机构中的运动单元。构件可以是单一的整体，也可是由几个零件组成的刚性结构，如内燃机的连杆。零件：是最小的制造单元，如轴系结构中的齿轮和轴等。结论机器的基本组成要素是构件和零件机器与机构的区别构件与零件的区别§0-2机械设计基础课程的内容、性质和任务机械设计基础是一门技术基础课，主要介绍机械中的常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论和计算方法。连杆机构常用的机构轮系齿轮机构凸轮机构一.机械设计基础主要内容1、研究机构的组成及具有确定运动的条件；基本机构的工作原理、特性和运动学设计方法。齿轮机构凸轮机构连杆机构通用的零件设计带传动齿轮传动蜗杆传动螺纹联接轴键联接轴承联轴器2、研究通用机械零部件（齿轮、蜗杆、带传动，螺纹联接，键联接，轴、轴承、联轴器）的工作原理、特点、选用及设计计算等。蜗杆传动齿轮传动轮系链传动vv主动轮1传动带3从动轮2n1α1α2带传动螺纹联接键联接花键联接滚动轴承半联轴器键齿轮滚动轴承轴套筒轴系零部件设计轴键槽滚动轴承联轴器半联轴器螺栓联接柱销弹性套半联轴器二.《机械设计基础》课程的性质与作用机械基础课程是介入基础课和专业课之间的一门技术基础课。三.《机械设计基础》课程的任务1．掌握常用机构的结构、原理、运动特性的基本知识，初步具有分析和设计常用机构的能力；2．掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，具有设计机械传动装置和简单机械的能力；3．培养学生运用各类标准、规范、手册、图册的能力；四．先修课程机械制图、工程力学、金属工艺学、互换性与技术测量等。1）着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，不强调系统的理论分析；2）着重理解公式建立的前提、意义和应用，不强调对公式的具体理论推导。两个着重、两个不强调5．其他要求：环保、噪音、外观等§0-3机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则一．机械设计的基本要求1．实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求，工作可靠；2．经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产效率高、能耗低、维护管理费用少；3．操作方便，运行安全；4．标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高产品质量；二．机械零件的工作能力及计算准则一）机械零件的工作能力零件的工作能力—是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。二）机械零件的主要失效形式过大弹性变形——零件的刚度不够引起塑性变形——工作应力超过材料的屈服极限σS引起2．变形疲劳断裂——工作应力超过零件的疲劳极限σr引起过载断裂——工作应力超过材料的强度极限σB引起1．断裂压溃、过度磨损——零件接触表面上的压应力p过大胶合——零件工作温升△t过高引起表面疲劳损坏——零件表面接触应力σH过大引起3．表面失效计算准则—用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：三）机械零件的计算准则1．强度准则—针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效强度—指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。强度的计算准则为：σ≤[σ]=或τ≤[τ]=针对断裂或塑性变形σH≤[σH]针对表面疲劳损坏SlimSlim2．刚度准则—针对过大弹性变形刚度—指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机床正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为:y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；3．耐磨性准则—针对过度磨损、胶合破坏耐磨性—指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界面的抗磨损面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：p≤[p]—防止过度磨损pv≤[pv]—防止胶合破坏4．振动和噪声准则—针对高速机械的振动失稳（即共振）当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率fp时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。防止共振的条件为：fp≤0．87f或fp≥1．18f式中，f—零件的固有振动频率，取决于零件的质量和刚度fp—零件受激振源作用引起的强迫振动频率机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力。一．载荷和应力的类型一）载荷静载荷—大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷—大小或方向随时间变化的载荷静应力—大小和方向均不随时间变化（或变化极缓慢）的应力变应力—大小和方向，或大小或方向随时变化的应力二）应力§0-4许用应力和安全系数1.变应力参数：最大应力：σmax最小应力：σmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况γ=σmin/σmax2.典型变应力及应力循环特征γ平均应力：2minmaxmσmaxσmσminσaσatσ2minmaxa应力幅：图1-5应力类型a）静应力：γ=+1变应力特例b）非对称循环变应力γ在（+1～-1）间变化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常数c）对称循环变应力γ=-1σtσaσmaxσmind）脉动循环变应力γ=0σtσaσaσmaxσm二．机械零件的强度计算一）零件的失效形式及强度条件式静应力作用下——过载断裂、塑性变形变应力作用下——疲劳破坏约占零件损坏事故中的80%。1．零件失效形式2．零件强度条件式：σ≤[σ]=σlim/S材料的极限应力安全系数二）极限应力及安全系数确定方法脆性材料制造的零件：σlim=σb塑性材料制造的零件：σlim=σS1．静应力作用下零件极限应力2．变应力作用下零件极限应力——σlim=σγN疲劳极限1）疲劳极限σγN—在给定应力循环特征γ的条件下，经过N次循环后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。2）疲劳极限σγN的决定——用疲劳曲线求得3）疲劳曲线——表示应力循环次数N和疲劳极限σγN间的关系曲线，其横坐标为应力循环次数N，纵坐标为疲劳极限σγN图1-6疲劳曲线无限寿命区σγ有限寿命区N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ图中：N1、N2…N—应力循环次数N=60nthɑ每转受载次数使用寿命（h）σγN1、σγN2…σγN—对应于N1、N2…N时材料有限寿命疲劳极限N0——应力循环基数，材料试验时规定的应力循环次数，N0的具体数值随材料性质不同而变化，如中低碳钢通常取N0=106～107。σγ—疲劳极限（或称持久疲劳极限），是对应于N0时的疲劳极限。σ-1、σ0、σ+1均可由机械设计手册中根据材料牌号查出。转速（r/min）σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ无限寿命区有限寿命区σγN04）用疲劳曲线求取疲劳极限σγN的方法有限寿命区（N＜N0)疲劳曲线方程：无限寿命区（N≥N0）疲劳曲线方程：σγN=σγ疲劳极限：kN=1，σγN=σγrNmrrNKNN0疲劳极限:kN—寿命系数三）安全系数S安全系数的取值对零件的结构尺寸、工作的可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、载荷计算的准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。CNN0mrmrNm-与应力状态有关的指数；本章内容小结机器—由机构和零件组成，能作功或完成能量转换机构—由构件和零件组成，只能传递运动和动力一．机械是的总称零件—是制造的单元构件与零件的区别构件—是相对运动单元二．机械零件失效形式——断裂、塑性变形、过大弹性变形、压溃、过度磨损、疲劳点蚀及胶合。计算准则——强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则载荷和应力静载荷、静应力变载荷、变应力脆性材料制造的零件：σlim=σB零件的极限应力σlim塑性材料制造的零件：σlim=σS静应力下若N＜N0，σlim=KNσr若N≥N0，σlim=σr变应力下σlim=σrN许用应力[σ]=σlim/[S]安全系数[S]=σlim/[σ]三．零件强度计算作业：0-1、0-3、0-6选择题：1.机器和机构中的运动单元是，制造单元是。A.零件B.构件C.机架判断正误题：1.（）静应力由静载荷产生，变应力只能由变载荷产生。填空题：1.对称循环变应力γ=。2.机械零件的主要失效形式为、和。3.机械零件的计算准则包括、、和。第0章机械设计概论第一章机械系统的运动简图设计第三章凸轮机构设计第二章平面连杆机构设计第五章齿轮传动设计第六章蜗杆传动设计第十二章轴的设计第十章键和花键联接设计第九章螺纹联接设计第十四章滚动轴承设计第七章轮系设计第八章挠性传动设计