第00章機械設計概論Hewhoquestionsnothinglearnsnothing機器(Machine)—主要是指機械裝置。如電動、內燃機、機床、汽車、火車、飛機、輪船、起重運機械、冶金礦山機械、輕紡食品機械等等。機械（Machinery)——是機器和機構統稱。

機械設計(MachineDesign)——即為各種機械裝置的設計，機械設計是為了滿足機器的某些特定功能而進行的創造性過程，設計是創造性的勞動，設計的本質在于創新。本課程主要介紹機械設計中的一些基礎知識。內燃機機械基礎課程的研究對象——機械。如：指南車破碎機帶式運輸機運輸帶電動機聯軸器聯軸器減速器索杰納火星車它是美國國家航空航天局于格林威治時間1997年7月4日17時07分發射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸，該飛船攜帶了索杰納火星車，這也是一種機器。世界最小的微型機械人

World'ssmallestrobot美國山迪亞國家實驗室的科學家，成功研制了相信是世界最小的微型機械人，這微型機械人體積只有四分之一立方寸，體重小於一盎司。

“神舟五號”發射時的情景。發射塔、運載火箭都是龐大的機器。一.機器及其類型§0-1機器的組成是完成有用的機械功或者是搬運物品。——帶式運輸機、縫紉機等是用來獲得和變換信息。——電話機動力機器工作機器信息機器2.機器類型是能量變換的裝置，即可將某種形式的能量變換成機械能，或者把機械能變換成其他形式的能量——電動機、內燃機等1.機器——是指執行機械運動的裝置，用來變換和傳遞能量、物料與信息。機器是由機構組成的。如：二.機器的組成——缸體活塞連桿曲軸曲柄滑塊機構齒輪機構凸輪機構內燃機由曲柄滑塊機構齒輪機構凸輪機構組成凸輪推桿三.機構及基本組成單元1.機構——是由構件以可動聯接方式聯接起來，用來傳遞運動和力的構件系統。如：內燃機中由缸體、活塞、連桿、曲軸四構件組成的曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構缸體（機架）活塞（滑塊）連桿曲軸（曲柄）曲軸2．基本組成單元構件（link）——構件是機構中的運動單元，構件可以是單一的整體如活塞、曲軸，也可以是由幾個零件組成的剛性結構（如：連桿）零件（element）——是制造的單元，是不可分割的最小單元。如：連桿體、連桿蓋、軸瓦螺栓、螺母、開口銷

連桿體連桿蓋軸瓦螺栓螺母開口銷連桿機械：是機器和機構的總稱機器：是執行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量，物料和信息。機器由若干機構組成。機構：是由構件以可動聯接方式聯接起來，用來傳遞運動和力的構件系統。構件：是機構中的運動單元。構件可以是單一的整體，也可是由幾個零件組成的鋼性結構。如內燃機的連桿零件：是最小的制造單元。如軸系結構中的齒輪，軸等。結論機器的基本組成要素是構件和零件機器與機構的區別

構件與零件的區別

§0-2機械基礎課程的內容、性質和任務

機械設計基礎是一門技術基礎課，主要介紹機械中的常用機構和通用零部件的工作原理、結構特點、基本設計理論和計算方法。

連桿機構常用的機構輪系齒輪機構凸輪機構一.機械設計基礎主要內容1、研究機構的組成及具有確定運動的條件；基本機構的工作原理、特性和運動學設計方法。齒輪機構凸輪機構連桿機構通用的零件設計帶傳動齒輪傳動蝸桿傳動螺紋聯接軸鍵聯接軸承聯軸器2

、研究通用機械零部件（齒輪、蝸桿、帶傳動，螺紋聯接，鍵聯接，軸、軸承、聯軸器）的工作原理、特點、選用及設計計算等。蝸桿傳動齒輪傳動輪系鏈傳動vv主動輪1傳動帶3從動輪2n2n1α1α2帶傳動螺紋聯接鍵聯接花鍵聯接滾動軸承半聯軸器

鍵齒輪滾動軸承軸套筒軸系零部件設計軸鍵槽滾動軸承聯軸器半聯軸器螺栓聯接柱銷彈性套半聯軸器二.《機械設計基礎》課程的性質與作用機械基礎課程是介入基礎課和專業課之間的一門設計性的技術基礎課。它起著呈上啟下的橋梁作用，目的是培養學生的機械設計能力。三.《機械設計基礎》課程的任務1．培養學生正確的設計思想和創造性思維的方法，了解和貫徹執行國家的技術經濟政策；

2．掌握常用機構的結構、原理、運動特性初步具有分析和設計常用機構的能力，并能正確設計和確定機械運動方案；3．

掌握通用機械零件的工作原理、特點、選用和設計計算的基本知識，具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力；4．培養學生運用各類標準、規范、手冊、圖冊、CAD及網絡信息等資料，對設計方案(或構思圖)具有自我思考、判斷和決策的能力；5、為機械的創新和技術革新提供必要的基礎知識。一）先修課程：機械制圖、工程力學、金屬工藝學、互換性與技術測量等。四．本課程需用到的先修課程及學習方法二）正確的學習方法：1．緊密聯系生產實際，聯系機構及整體機械系統進行分析

2．努力培養自己的創新思維能力和解決工程實際問題的能力。按解決工程實際問題的思維方法及創新模式努力培養和提高自己的創新設計能力。3．把握每章的重點及分析處理問題的思路和基本方法。本課程中分析問題和解決問題的思路和方法，也正是解決工程實際問題中常用的的思路和方法。兩個著重、兩個不強調1）著重基本概念的理解和基本設計方法的掌握，不強調系統的理論分析；2）著重理解公式建立的前提、意義和應用，不強調對公式的具體理論推導。2．按時、按質、按量獨立完成課外作業，缺交作業或缺課三分之一以上者，取消考試資格；五．學習紀律及要求1．認真聽課，做筆記，做到不遲到、不早退、不無故曠課；平時成績：上課的考勤（個人和團體考勤相結合）、筆記、課外作業、習題討論課及實驗課的成績計入平時成績，平時成績占總成績30%左右。3．不談論與課堂無關的內容考試：不復習，考試重點在講課的時候給出課本：機械設計基礎，黃華梁江：jlhju@131632356705．其他要求：環保、噪音、外觀等§0-3機械設計的基本要求、機械零件的工作能力和計算準則一．機械設計的基本要求1．實現預定的功能，運動和動力性能的要求，工作可靠；2．經濟性好：設計和制造周期短、成本低，產品生產效率高、能耗低\維護管理費用少；3．操作方便，運行安全；4．標準化、系列化程度高：以便簡化設計工作，提高產品質量；二．機械零件的工作能力及計算準則一）機械零件的工作能力零件的工作能力

—

是指在一定的運動、載荷和環境情況下，在預定的使用期限內，不發生失效的安全工作限度。二）機械零件的主要失效形式：過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應力超過材料的強度極限σB引起1．斷裂壓潰、過度磨損——零件接觸表面上的壓應力p過大膠

合——

零件工作溫升△t過高引起表面疲勞損壞——零件表面接觸應力σH過大引起3．表面失效計算準則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依據。對于具體的零件，應根據它們的主要失效形式，采用相應的計算準則。常用的計算準則有：三）機械零件的計算準則1．強度準則—針對零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強度—指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強度不夠，不僅因為零件的失效使機械不能正常工作，還可能導致安全事故。強度的計算準則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對表面疲勞損壞2．剛度準則

—

針對過大彈性變形剛度—指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機床正常工作，提高機床加工產品質量的基本要求。剛度的計算準則為:y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時的撓度、偏轉角和扭轉角；3．耐磨性準則

—

針對過度磨損、膠合破壞耐磨性—指零件在載荷作用下相對運動的兩零件接觸界的抗磨損面能力。耐磨性是保證有相對運動的零件正常工作的基本要求。其驗算式為：p≤[p]—

防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞4．振動和噪聲準則

—

針對高速機械的振動失穩（即共振）當零件的固有振動頻率f等于或趨近于零件的強迫振動頻率fp時，將產生共振。這不僅影響機械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動又是產生噪聲的主要原因。防止共振的條件為：fp

≤0．87f或fp

≥1．18f式中，f—

零件的固有振動頻率，取決于零件的質量和剛度fp

—

零件受激振源作用引起的強迫振動頻率

機械設計應滿足的要求很多，但強度要求是所有零件都必須滿足的首要條件，而強度計算必需確定作用于零件上的載荷和應力。一．載荷和應力的類型一）載荷靜載荷—大小和方向均不隨時間變化的載荷變載荷—大小或方向隨時間變化的載荷靜應力—大小和方向均不隨時間變化（或變化極緩慢）的應力變應力—

大小和方向，或大小或方向隨時變化的應力

二）應力§0-4機械零件強度計算的基本知識2．變應力參數及典型變應力1）變應力參數：最大應力：σmax

最小應力：σmin應力循環特征：用來表示應力的變化情況γ=σmin/σmax2）典型變應力及應力循環特征γ平均應力：應力幅：σmaxσmσminσaσatσ圖1-5應力類型a）靜應力：γ=+1變應力特例b）非對稱循環變應力γ在（+1～-1）間變化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常數c）對稱循環變應力γ=-1σtσaσmaxσmind）脈動循環變應力γ=0σtσaσaσmaxσm二．機械零件的強度計算一）零件的失效形式及強度條件式靜應力作用下——過載斷裂、塑性變形變應力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。

1．零件失效形式2．零件強度條件式：σ≤[σ]=σlim

/S

材料的極限應力安全系數二）極限應力及安全系數確定方法脆性材料制造的零件：σlim=σb

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應力作用下零件極限應力

2．變應力作用下零件極限應力

——σlim=σγN疲勞極限1）疲勞極限σγN

—在給定應力循環特征γ的條件下，經過N次循環后，材料不發生疲勞破壞時的最大應力。

2）疲勞極限σγN的決定——用疲勞曲線求得3）疲勞曲線——表示應力循環次數N和疲勞極限σγN間的關系曲線，其橫坐標為應力循環次數N，縱坐標為疲勞極限σγN圖1-6疲勞曲線無限壽命區σγ有限壽命區N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ圖中：N1、N2…N—應力循環次數N=60n

th

ɑ每轉受栽次數使用壽命（h）σγN1、σγN2…σγN—對應于N1、N2…N時材料有限壽命疲勞極限N0——應力循環基數，材料試驗時規定的應力循環次數，N0的具體數值隨材料性質不同而變化，如中低碳鋼通常取N0=106～107。σγ—疲勞極限（或稱持久疲勞極限），是對應于N0時的疲勞極限。σ-1、σ0、σ+1均可由機械設計手冊中根據材料牌號查出。轉速（r/min）σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ無限壽命區有限壽命區σγN04）用疲勞曲線求取疲勞極限σγN的方法有限壽命區（N＜N0)疲勞曲線方程：σmrNnNn

=σmγN=C無限壽命區（N≥N0）疲勞曲線方程：σγN=σγ

疲勞極限：kN=1，σγN=σγ疲勞極限:kN—壽命系數三）安全系數S安全系數的取值對零件的結構尺寸、工作的可靠性均有影響，設計時應根據零件的重要性、零件材料的質量、栽荷計算的準確性等方面，合理選取，具體數值可參考設計資料。本章內容小結

機器—由機構和零件組成，能