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机机机机 械械械械 设设设设 计计计计机 械 设 计1必读书：1.机械设计(第二版)彭文生，李志明主编 高教出版社 2008年11月2.机械设计习题集(第二版)候玉英，孙立鹏主编 高教出版社 2008年9月参考书：1.机械设计 彭文生等主编 华中科技大学出版社2.机械设计 濮良贵，纪名刚主编 高教出版社3.Machine design.Andrew D.Dimarogoneas.John Wiley&Sons.Inc.2001成绩考核方式：平时成绩20%30%考试70%80%必读书：21-1 1-1 概概 述述 1-3 1-3 机械零件的强度计算机械零件的强度计算1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件的机械设计的基本要求、机械零件的 工作能力和计算准则工作能力和计算准则 第十章 机械设计总论1-1 概 述 1-3 3机机器器(Machine)(Machine)主主要要是是指指机机械械装装置置。如如内内燃燃机机、机机床床、汽汽车车、火火车车、飞飞机机、轮轮船船、起起重重运运机机械械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。机械设计机械设计(Machine Design)(Machine Design)即为各种机械即为各种机械 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，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。的一些基础知识。机械（机械（Machinery)Machinery)是机器和机构统称。是机器和机构统称。1-1 1-1 概概 述述 机器(Machine)主要是指机械装置。如内燃机、机床4内燃机内燃机机械设计课程的研究对象机械设计课程的研究对象机械机械破碎机破碎机内燃机机械设计课程的研究对象机械破碎机5带带 传传 动动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动螺纹联接螺纹联接轴轴键键 联联 接接轴承轴承联轴器联轴器通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算机械设计课程的研究内容机械设计课程的研究内容：链链 传传 动动通用的零通用的零部件系指部件系指传动传动零件零件轴类轴类零件零件联接联接零件零件带 传 动齿轮传动蜗杆传动螺纹联接轴键 联 接轴承联轴器6蜗杆传动蜗杆传动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动齿轮传动7链链 传传 动动vv主动轮1传动带3从动轮2n2n11 12 2带传动带传动链 传 动vv主动轮1传动带3从动轮2n2n112带传动8螺纹联接螺纹联接键键联联接接花花键键联联接接螺纹联接键联接花键联接9轴滚动滚动轴承轴承轴滚动轴承105 5其他要求：环保、噪音、外观等其他要求：环保、噪音、外观等一机械设计的基本要求一机械设计的基本要求1 1实现预定的功能，工作可靠；实现预定的功能，工作可靠；2 2设设计计和和制制造造周周期期短短、成成本本低低，产产品品生生产产效效率率高高、能能 耗低耗低,维护管理费用少维护管理费用少；3 3操作方便，运行安全；操作方便，运行安全；4 4标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高 产品质量；产品质量；1-2 1-2 机械设计的基本要求、机械零件机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则的工作能力和计算准则 5其他要求：环保、噪音、外观等一机械设计的基本要求1实11二机械零件的工作能力及计算准则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一）机械零件的工作能力 零零件件的的工工作作能能力力 是是指指在在一一定定的的运运动动、载载荷荷和和环环境境情情况况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。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：二）机械零件的主要失效形式：过过大大弹弹性性变变形形零件的零件的刚刚度不度不够够引起引起塑性塑性变变形形工作工作应应力超力超过过材料的屈服极限材料的屈服极限S S引起引起2 2变变形形疲疲劳劳断裂断裂工作工作应应力超力超过过零件的疲零件的疲劳劳极限极限r r引起引起过载过载断裂断裂工作工作应应力超力超过过材料的材料的强强度极限度极限B B引起引起1 1断裂断裂压溃压溃、过过度磨度磨损损零件接触表面上的零件接触表面上的压应压应力力p p过过大大胶胶 合合 零件工作温升零件工作温升t t过高引起过高引起表面疲劳损坏表面疲劳损坏零件表面接触应力零件表面接触应力H过大引起过大引起 3 3表面表面 失效失效二机械零件的工作能力及计算准则 一）机械零件的工作能12 计算准则计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依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：相应的计算准则。常用的计算准则有：三）机械零件的三）机械零件的计计算准算准则则1 1强强度准度准则则 针对针对零件断裂、塑性零件断裂、塑性变变形或表面疲形或表面疲劳损劳损坏失效坏失效 强强度度 指指零零件件在在载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗断断裂裂或或塑塑性性变变形形的的能能力力。强强度度是是保保证证零零件件工工作作能能力力的的最最基基本本要要求求。若若零零件件的的强强度度不不够够，不不仅仅因因为为零件的失效使机械不能正常工作，零件的失效使机械不能正常工作，还还可能可能导导致安全事故。致安全事故。强度的计算准则为：强度的计算准则为：MPa MPa 或或 针对断裂或塑性变形针对断裂或塑性变形 H H H H 针对表面疲劳损坏针对表面疲劳损坏 计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依三）132 2刚度准则刚度准则 针对过大弹性变形针对过大弹性变形 刚刚度度 指指零零件件在在一一定定载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗过过大大弹弹性性变变形形的的能能力力。刚刚度度是是保保证证机机器器正正常常工工作作，提提高高机机床床加加工工产产品品质质量量的的基基本要求。本要求。刚刚度的度的计计算准算准则为则为:y y:y y；式中，式中，y y、和和 分别为零件工作时的挠度、偏转角分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角；和扭转角；计计算准算准则则 由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所以，以，一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。2刚度准则 针对过大弹性变形计算准则 由刚度计算143耐磨性准则耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性耐磨性 指零件在载荷作用下相对运动的两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能力。耐磨性是保证有零件接触界面的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：式为：p p 防止过度磨损防止过度磨损 pv pv 防止胶合破坏防止胶合破坏 P-P-工作表面的压强工作表面的压强 MPa MPaV-V-零件的滑动速度零件的滑动速度3耐磨性准则 针对过度磨损、胶合破坏P-工作表154 4振动和噪声准则振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳（即共振）针对高速机械的振动失稳（即共振）当当零零件件的的固固有有振振动动频频率率f f等等于于或或趋趋近近于于零零件件的的强强迫迫振振动动频频率率f fp p时时，将将产产生生共共振振。这这不不仅仅影影响响机机械械正正常常工工作作，甚甚至至造造成成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。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：防止共振的条件为：f f p p 0 087 f 87 f 或或 f f p p 1 118 f18 f式中，式中，f f 零件的固有振动频率，取决于零件的质量和零件的固有振动频率，取决于零件的质量和 刚度刚度 f f p p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率零件受激振源作用引起的强迫振动频率计计算准算准则则4振动和噪声准则 针对高速机械的振动失稳（即共振）计16工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷(一般难以确定一般难以确定)名义载荷：按原动机功率求得名义载荷：按原动机功率求得 (理想状态理想状态)计算载荷：计算载荷：Tc=KT Fc=KF Tc=KT Fc=KF K-K-考虑各种附加载荷的载荷系数考虑各种附加载荷的载荷系数P-P-功率功率 KW KW n-n-转速转速 r/min r/min工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷(一般难以确定)名义载18静应力静应力 大小和方向均不随时间变化（变大小和方向均不随时间变化（变化极缓慢）的应力化极缓慢）的应力变应力变应力 大小和方向，或大小或方向随时大小和方向，或大小或方向随时间变化的应力间变化的应力 二）二）应力应力变应力变应力稳定循环变应力稳定循环变应力:T :T 不随时间变化不随时间变化不稳定循环变应力不稳定循环变应力:T :T 之一随时间变化之一随时间变化随机变应力随机变应力:变化无规律变化无规律静应力 大小和方向均不随时间变化（变化极缓慢）的应力二）19三）变应力参数及典型变应力三）变应力参数及典型变应力1.1.变应力参数：变应力参数：最大应力：最大应力：maxmax 最小应力：最小应力：minmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况应力循环特征：用来表示应力的变化情况 r=r=minmin/maxmax2.2.典型变应力及应力循环特征典型变应力及应力循环特征r r平均应力：平均应力：应力幅：应力幅：maxmaxmminaat t三）变应力参数及典型变应力1.变应力参数：最大应力：ma20应力类型应力类型a）静应力：）静应力：r=+1 变应力特例变应力特例b）非对称循环变应力）非对称循环变应力r 在（在（+1-1）间变化）间变化maxmaxmminaat tt t=常数常数c）对称循环变应力）对称循环变应力r=-1t tamaxmaxmind）脉动循环变应力）脉动循环变应力r=0t taamaxmaxm应力类型a）静应力：r=+1 变应力特例b）非对称循环变应21二机械零件的二机械零件的强强度条件式度条件式静应力作用下静应力作用下过载断裂、塑性变形过载断裂、塑性变形 二）二）零件零件强强度条件式：度条件式：=limlim /S S 材料的极限应力材料的极限应力安全系数安全系数脆性材料制造的零件：脆性材料制造的零件：lim=b 塑性材料制造的零件：塑性材料制造的零件：lim=S 1 1静应力作用下静应力作用下 零件极限应力零件极限应力 2 2变应变应力作用下零件力作用下零件极极限限应应力力 limlim=rNrN疲疲劳劳极限极限一）零件的失效形式一）零件的失效形式变应变应力作用下力作用下疲疲劳劳破坏破坏约约占零件占零件损损坏事故中坏事故中的的80%80%。3.3.安全系数安全系数SS的取的取值对值对零件的零件的结结构尺寸、工作可靠性均构尺寸、工作可靠性均有影响，有影响，设计时应设计时应根据零件的重要性、零件材料的根据零件的重要性、零件材料的质质量、量、载载荷荷计计算准确性等方面，合理算准确性等方面，合理选选取，具体数取，具体数值值可参考可参考设计资设计资料。料。二机械零件的强度条件式静应力作用下过载断裂、塑性变形 22三三机械零件机械零件材料材料的的疲劳极限疲劳极限 描描述述应应力力循循环环次次数数N N和和疲疲劳劳极极限限rNrN间间关关系系的的曲曲线线，其其横横坐坐标标为为应应力力循循环环次数次数N N，纵坐标为疲劳极限，纵坐标为疲劳极限rNrN疲劳曲线疲劳曲线无限寿命区无限寿命区rN有限寿命区有限寿命区N0rN1N1rN2N2rNN NN0 r一一）N N 疲疲劳劳曲曲线线DD点以后的疲劳曲线呈一水点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区。平线，代表着无限寿命区。在作疲劳试验时，常规定一个循环次数在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N N0 0(称为称为循环基数循环基数)，将相应于，将相应于N N0 0的疲劳极限称为材料的疲劳的疲劳极限称为材料的疲劳极限极限r r，于是在有限寿命区，有，于是在有限寿命区，有:机械零件的疲劳大多发生在机械零件的疲劳大多发生在s sN曲线曲线D D点以前点以前，可用下式描，可用下式描述：述：三机械零件材料的疲劳极限 描述应力循环次数N和疲劳极23有限寿命区间内循环次数有限寿命区间内循环次数N N与疲劳极限与疲劳极限rN的关系为：的关系为：式中，式中，r r、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。N应力循环次数应力循环次数N=60 n th 每转受每转受载载次数次数使用寿命（使用寿命（h）转速转速（r/min）用疲用疲劳劳曲曲线线求疲求疲劳劳极限极限NN的方法的方法无限寿命区（无限寿命区（NNNN0 0）疲疲劳劳极限：极限：rNrN=r r，k kN N=1=1k kN N 寿命系数寿命系数有限寿命区（有限寿命区（N NN N0 0)疲疲劳劳极限极限:m-m-与应力状态有关的指数与应力状态有关的指数有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为：式中，24二）二）极限应力图(-图)借助极限应力图,可得到各种循环特征r下的疲劳极限值。对称循环时材料的疲劳极限 脉动循环时材料的疲劳极限对称循环点A（0,）脉动循环点B（/2,/2）静应力点C（，0）。疲劳极限应力图ABC曲线。简化极限应力图简化极限应力曲线-用AD和DG两直线构成的疲劳曲线二）极限应力图(-图)25 因为因为 所以图中曲线上任一点纵横坐标之和就等于所以图中曲线上任一点纵横坐标之和就等于材料在该点循环特征为材料在该点循环特征为r r时的极限应力（疲劳极限）时的极限应力（疲劳极限）,即即在在DGDG线上，如线上，如P P点处，因为点处，因为 PF=FG PF=FG，所以，所以 因为 所以图26不同应力循环特征不同应力循环特征 r 时的疲劳极限时的疲劳极限材料的极限应力材料的极限应力简图简图已知材料的机械性能已知材料的机械性能可作可作简图简图对于对于n n点点(工作应力为工作应力为和和)应力循环特征：应力循环特征：对应的疲劳极限：对应的疲劳极限：等效系数等效系数不同应力循环特征 r 时的疲劳极限材料的极限应力简图已知材料27零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处应力集中：零件剖面几何形状突变处(如孔、圆角、键槽、螺纹等）如孔、圆角、键槽、螺纹等）局部应力远大于各义应力，使疲劳极限降低局部应力远大于各义应力，使疲劳极限降低用应力集中系数用应力集中系数来考虑来考虑绝对尺寸：绝对尺寸：零件零件剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数用绝对尺寸系数来考虑来考虑表面状态表面状态：零件零件表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限用用表面状态表面状态系数系数来考虑来考虑用综合影响系数用综合影响系数或或考虑以上因素影响考虑以上因素影响钢的强度越高，钢的强度越高，值越大。所以对于用高强度钢值越大。所以对于用高强度钢制造的零件为了得到提高强度的效果必须特别注意减少应力集制造的零件为了得到提高强度的效果必须特别注意减少应力集中和提高表面质量。中和提高表面质量。零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响用28 注意：注意：由试验得知，有效应力集中系数、绝对尺寸系数和由试验得知，有效应力集中系数、绝对尺寸系数和表面状态系数，表面状态系数，只对变应力的应力幅部分产生影响只对变应力的应力幅部分产生影响。因而，。因而，计算时可用综合影响系数对变应力的计算时可用综合影响系数对变应力的应力幅应力幅部分进行修正。部分进行修正。注意：由试验得知，有效应力集中系数、绝对尺寸系数和29机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2 2四四.机械零件的疲劳强度计算一）单向稳定变应力时的疲劳强度计算一）单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max max 及及 minmin确确定平均应力定平均应力m m与应力幅与应力幅a a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点应力点M M或或N N。应力比为常数：应力比为常数：r=C r=C 例如绝大多数转轴中的应力状态例如绝大多数转轴中的应力状态 平均应力为常数平均应力为常数 m m=C =C 例如振动着的受载弹簧中的应力状态例如振动着的受载弹簧中的应力状态 最小应力为常数最小应力为常数 minmin=C =C 例如紧螺栓连接中受轴向变载荷时的应力状态例如紧螺栓连接中受轴向变载荷时的应力状态相应的疲劳极限应力应是极限应力相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点曲线上的某一个点 所代表所代表的应力的应力.用哪一点来表示极限应力才算用哪一点来表示极限应力才算合适合适,要根据零件应力可能发生的变化要根据零件应力可能发生的变化规律来确定、通常规律来确定、通常机械零件可能发生的机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：典型的应力变化规律有以下三种：机械零件的疲劳强度计算2四.机械零件的疲劳强度计算一）单向30 当 r=C 时，找出一个循环特性与零件工作应力的循环特性相同的极限应力值。因为 当 r=C 时，找出一个循环特性与零件工作应力的循31单向应力状态下的安全系数（当单向应力状态下的安全系数（当C C时）时）安全系数定义：安全系数定义：对应于对应于N N点的零件的极限应力点的零件的极限应力单向应力状态下的安全系数（当C时）安全系数定义：对应于N32 对应于对应于M点的极限应力点点的极限应力点 位于直线位于直线DG上。上。此时的极限应力为屈服极限。只需进行静强度此时的极限应力为屈服极限。只需进行静强度计算。其强度计算式为计算。其强度计算式为 以上为正应力公式，用以上为正应力公式，用替代替代则对剪应力同样适用则对剪应力同样适用 对应于M点的极限应力点 位于直线DG上。此时33例：某钢制机械零件受弯曲应力作用，危险剖面上的应力集中系数 =1.2,尺寸系数 =0.85,表面状态系数1。材料的 =750MPa,=580MPa,=350MPa。求：1)试绘制考虑应力集中系数 、尺寸系数 和表面状态系数 影响的简化极限应力图；2)在简化极限应力图上标出下列两种不同工作应力时的工作应力点，并判断哪种工作应力下可近似按静强度计算。=200MPa =-50MPa =480MPa =320MPa 例：某钢制机械零件受弯曲应力作用，危险剖面上的应力集中系数34解：1)画出简化极限应力图其中：解：352)两种不同工作应力下的 、分别为：工作应力点如图示。由于 应力幅较小，故可近似地将该工作应力下零件进行静强度计算。2)两种不同工作应力下的 、分别为：361-4 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦一、机械中的摩擦 、干摩擦：表面间无任何润滑剂或、干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦系数一般大于系数一般大于0.1 0.1 、边界摩擦：表面间被极薄的润、边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约在在0.010.010.1 0.1、流体摩擦：表面间的润滑膜把、流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦，决于流体分子内部摩擦力的摩擦，摩擦系数可达摩擦系数可达0.0010.0010.008 0.008 1-4 机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题一、机械中的摩擦 37、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦擦 二、机械中的磨损二、机械中的磨损、磨损的定义：、磨损的定义：由于表面的相对运动而使物体工作表面由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象的物质不断损失的现象零件的磨损过程大体可分零件的磨损过程大体可分为三个阶段：为三个阶段：磨合磨损磨合磨损阶段、阶段、稳定磨损稳定磨损阶段及阶段及剧烈磨损剧烈磨损阶段阶段 2 2、磨损过程、磨损过程、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时38粘着磨损：粘着磨损：磨损类型磨损类型磨粒磨损：磨粒磨损：摩擦表面的微凸体在相互作用的各摩擦表面的微凸体在相互作用的各点发生粘着作用，使点发生粘着作用，使材料材料由一表面由一表面转移转移到另一表面的磨损到另一表面的磨损摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较软的材料表面上犁刨出很多软的材料表面上犁刨出很多沟纹沟纹的微切削过程的微切削过程表面疲劳磨损表面疲劳磨损：摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损过程即为疲劳磨损；过程即为疲劳磨损；腐蚀磨损：腐蚀磨损：在摩擦过程中金属与周围介质发生化学在摩擦过程中金属与周围介质发生化学反应而引起的磨损反应而引起的磨损 粘着磨损：磨损类型磨粒磨损：摩擦表面的微凸体在相互作用的39结束40例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：658MPa，400MPa，屈服极限189Mpa，应力幅为129Mpa ，零件的应力集中系数1.26，尺寸系数如取安全系数Smin1.5，核验此零件是否安全。658MPa，780MPa，所承受的弯曲变应力0.78，表面状态系数1。例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：658MPa41解：(1)(2)因(3)(4)故得因此，该零件安全。零件产生疲劳破坏零件产生疲劳破坏解：(1)(2)因(3)(4)42
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