机械设计概论授

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1、大 家 好 陈 晓 岑 欢 迎 联 系 与 合 作正 确 的 学 习 态 度l课 前 预 习 ；l课 堂 讲 授 ；l课 后 作 业 ； l大 家 共 同 探 讨 ， 共 同 提 高 。Eail： cen_ 上 课 方 式 、 考 核 方 法授 课 课 时 安 排 ： 50课 时 讲 课 ， 6课 时 两 次 实 验 （ 课 外 ） 。考 核 方 法 ： 卷 面 考 试 （ 70%） 与 平 时 成 绩 （ 30%） 相 结 合 ， 平 时 成 绩 包 括 : 作 业 、 出 勤 、 实 验 。 参 考 资 料 ： 机 械 原 理 孙 桓 主 编 ； 高 等 教 育 出 版 社 等 ； 机 械

2、 设 计 彭 文 生 主 编 ； 高 等 教 育 出 版 社 等 0-1机 械 的 组 成机 械 是 机 器 与 机 构 的 总 称 。 机 械 (machine)的 种 类 繁 多 ， 其 构 造 、 性能 和 用 途 等 各 不 相 同 。 但 从 机 械 的 组 成 分 析 ，又 有 其 共 同 点 ， 它 们 都 由 一 些 典 型 的 机 构 和 零件 所 组 成 。 一 、 机 器 （ machine） 一 台 发 展 完 善 的 现 代 化 机 器 可 由 四 部 分 组 成 ：原 动 机 、 传 动 机 构 、 执 行 机 构 和 控 制 系 统 。1、 机 器 的 组 成 (

3、Composing of a Machine)： 机 器 组 成 ： 原 动 机 传 动 装 置 工 作 机控 制 系 统辅 助 系 统 （ 如 仪 表 、 照 明 等 ）轿 车 组 成 ： 普 通 车 床 加 工 机 械 ， 机 器 FA-22猛 禽 战 斗 攻 击 机 “罗 斯 福 ” 号 舰 母 “神 舟 五 号 ” 发 射 时 的 情 景 。 发 射 塔 、 运载 火 箭 都 是 庞 大 的 机 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

4、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 。 例 ： 内 燃 机2、 机 器 的 特 征 缸 体活 塞连 杆曲 轴齿 轮 机 构凸 轮推 杆 曲柄滑块机构凸 轮 机 构内 燃 机 由 : 曲 柄 滑 块 机 构 、 齿 轮 机 构 、 凸 轮 机 构 组 成 。 机 器 的 特 征 ：1 它 们 都 是 由 零 件 人 为 装 配 组 合 而 成 的 实 物 体 ；2 各 构 件 之 间 具 有 确 定 的 相 对 运 动 ； 3 能 完 成 有 用 的 机 械 功 或 转 换 机 械 能 。 机构 机器机 械 是 完 成

5、 有 用 的 机 械 功 或 者 是 搬 运 物 品 。例 金 属 切 削 机 床 、 轧 钢 机 、 织 布 机 、 包装 机 、 汽 车 、 飞 机 、 起 重 机 输 送 机 等 。是 用 来 获 得 和 变 换 信 息 。 例 如 ， 复 印 机 、打 印 机 、 绘 图 机 、 传 真 机 、 照 相 机 等 。是 能 量 变 换 的 装 置 ， 即 可 将 某 种 形 式的 能 量 变 换 成 机 械 能 ， 或 者 把 机 械 能变 换 成 其 他 形 式 的 能 量 。 例 如 ， 内 燃机 、 涡 轮 机 、 电 动 机 、 发 电 机 等 。 机 器 与 其 它 装 置 的

6、 主 要 区 别 是 ：零 件 (part) ： 制 造 单 元 体 。 机 器 （ machine） ： 一 定 要 作 机 械 运 动 ，并 通 过 运 动 来 实 现 能 量 、 物 料 和 信 息 的 变 换 。 机 构 (mechanism)： 是 用 来 传 递 运 动 和 力或 改 变 运 动 形 式 的 机 械 装 置 。构 件 (link )： 机 器 中 每 一 个 独 立 的 运 动 单 元 体 ；机 器零 件 构 件 机 构 构 件 ： 机 器 中 每 一 个 独 立 的 运 动 单 元 体 。 构 件 可 以 是 单 一 的 整 体 ， 也 可 是 由 几 个 零 件

7、 组 成 的 钢 性 结 构 。 如 内 燃 机 的 连 杆 。构 件 与 零 件 的 区 别 二 、 机 构 零 件 ： 最 小 的 不 可 分 割 的 制 造 单 元 。 如 ： 轴 、 连 杆 体 、 连 杆 盖 、 轴 瓦 、 螺 栓 、 螺 母 等 。曲 轴 连 杆 体 连 杆 盖 轴瓦螺栓 螺 母 连 杆 （ 构 件 ） 连 杆 机 构常 用 的 机 构 凸 轮 机 构齿 轮 机 构间 歇 运 动 机 构带 传 动 和 链 传 动 机 构螺 旋 机 构组 合 机 构 连 杆 机 构常 用 的 机 构 齿 轮 机 构 凸 轮 机 构常 用 的 机 构 凸 轮 机 构常 用 的 机 构

8、 常 用 的 机 构 双 爪 棘 轮 机 构槽 轮 机 构 常 用 的 机 构棘 轮 机 构 的 应 用 常 用 的 机 构螺 旋 机 构 常 用 的 机 构内 不 完 全 齿 轮 机 构 内 槽 轮 机 构 球 面 槽 轮 机 构 组 合 机 构 常 用 的 机 构 电 影 机 构 组 合 机 构 ： 锥 齿 轮 槽 轮 机 构 组 合 机 构 ： 螺 旋 齿 轮 单 十 字 万 向 机 构 组 合 机 构 ： 凸 轮 五 连 杆 机 构 组 合 机 构 ： 自 卸 货 车 翻 转 机 构 机 械 设 计 基 础 是 一 门 技 术 基 础 课 ， 主 要 介 绍 ：一 . 本 课 程 的

9、主 要 内 容1、 机 械 设 计 的 一 般 原 则 和 程 序 ；2、 机 械 的 组 成 ；3、 常 用 机 械 传 动 (如 v带 传 动 、 链 传 动 、 齿 轮 传 动 、 蜗 杆 传 动 和 连 杆 机 构 、 凸 轮 机 构 等 )以 及 通 用 的 联 接 零 件 、 轴 系 零 件 的 工 作 原 理 、 结 构 特 点 、 基 本 设 计 理 论 和 计 算 方 法 或 选 用 原 则 。 4、 机 械 系 统 的 现 代 设 计 方 法 概 述 ；5、 机 械 系 统 设 计 综 述 。二 、 本 课 程 的 性 质 和 任 务 机 械 设 计 基 础 课 程 是 一

10、 门 培 养 学 生 具 有 一 定 的 机 械设 计 能 力 的 技 术 基 础 课 程 。通 过 本 课 程 的 学 习 ， 应 达 到 的 基 本 要 求 是 ：1） 掌 握 机 构 的 结 构 原 理 、 运 动 特 性 和 机 械 动 力 学 的 基 本 知 识 ， 初 步 具 有 分 析 和 设 计 基 本 机 构 的 能 力 ， 并 对 机 械 运 动 方 案 的 确 定 有 所 了 解 。 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 ， 并 初 步 具 有 设 计 简 单 机 械 及 常 用 机 械

11、传 动 装 置 的 能 力 。3） 具 有 运 用 标 准 、 规 范 、 手 册 、 图 册 等 有 关 技 术 资 料 的 能 力 。 本 课 程 需 应 用 许 多 先 修 课 程 的 知 识 ， 如 机 械 制 图 、 金属 工 艺 学 、 工 程 力 学 等 ， 涉 及 的 知 识 面 广 且 偏 重 于 应 用 。学 习 时 应 重 视 理 论 联 系 实 际 、 基 本 技 能 的 训 练 ； 注 意 学 习分 析 和 解 决 问 题 的 方 法 ， 力 求 运 用 所 学 知 识 解 决 具 体 的 机构 和 一 般 简 单 机 械 及 其 零 部 件 的 设 计 问 题 。

12、0-3 机 械 设 计 的 基 本 要 求 和 一 般 程 序 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 。功 能 ： 用 户 提 出 的 需 要 满 足 的 使 用 上 的 特 性 和 能 力 。动 力 要 求 ： 设 计 的 机 械 应 具 有 足 够 的 功 率 ， 以 保 证 机 械 完 成 预 定 的 功 能 。 运 动 要 求 ： 设 计 的 机 械 应 保 证 实 现 规 定 的 运 动 速 度 和 运 动 规 律 ， 满 足 工 作 平 稳 性 、 启 动 性 、 制 动 性 能 等 要 求 。

13、 6 其 他 特 殊 要 求 ： 环 保 、 噪 音 、 外 观 等 。 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 ；2 可 靠 性 和 安 全 性 的 要 求 。可 靠 性 ： 机 械 在 规 定 的 使 用 条 件 下 ， 在 规 定 的 时 间 内 ， 完 成 规 定 功 能 的 能 力 。 3 市 场 需 要 和 经 济 性 的 要 求 。4 机 械 零 部 件 结 构 设 计 的 要 求 。5 工 艺 性 及 标 准 化 、 系 列 化 、 通 用 化 的 要 求 。机 械 设 计 的 一 般 程 序 ：

14、 试 验 -研 究 -设 计 -制 造 -安 装 -使 用 -维 护 。 0 4 机 械 零 件 的 工 作 能 力 和 计 算 准 则一 、 机 械 零 件 的 工 作 能 力 零 件 的 工 作 能 力 ： 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 。机 械 零 件 的 主 要 失 效 形 式 ：1、 断 裂 2、 变 形 3、 表 面 失 效 衡 量 零 件 工 作 能 力 的 指 标 称 为 零 件 的 工 作 能 力 准 则 。主 要 准 则 有 ： 强 度 、 刚 度 、 耐

15、 磨 性 、 振 动 稳 定 性 和 耐 热 性 。 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 。 二 、 机 械 零 件 的 计 算 准 则强 度 (strength)： 零 件 在 一 定 载 荷 下 抵 抗 破 坏 的 能 力 。 1 强 度 准 则 （ 主 要 针 对 零 件 断 裂 、 塑 性 变 形 或 表 面 疲 劳 损 坏 失 效 。 ） 若 零 件 的 强 度 不 够 ， 就 会 出 现 整 体 断 裂 、 表 面 接 触疲 劳 或 塑 性 变 形 等 失 效 而 丧 失 工 作 能 力 。 所 以

16、， 设 汁 零件 时 ， 必 须 满 足 强 度 要 求 ， 而 强 度 的 计 算 准 则 为 ： MPa 或 MPa = lim / S极 限 应 力安 全系 数 当 零 件 刚 度 不 够 时 ， 则 变 形 过 大 ， 加 工 精 度 下 降 。 刚 度 的 计 算 准 则 为 ：2 刚 度 准 则 （ 针 对 过 大 弹 性 变 形 ）刚 度 ： 零 件 在 载 荷 作 用 下 抵 抗 弹 性 变 形 的 能 力 。y、 和 分 别 为 零 件 工 作 时 的 挠 度 、 偏 转 角 和 扭 转 角 。 y y ； ； 实 践 证 明 ， 能 满 足 刚 度 要 求 的 零 件 ，

17、一 般 说 ， 其 强度 总 是 足 够 的 。 耐 磨 性 ： 相 对 运 动 的 零 件 的 工 作 表 面 抵 抗 磨 损 的 能 力 。 3 耐 磨 性 准 则 （ 针 对 过 度 磨 损 、 胶 合 破 坏 ）pv pv MPam/s。 防 止 胶 合 破 坏 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 MPa； 防 止 过 度 磨 损 f 零 件 的 固 有 振 动 频 率 ， 取 决 于 零 件 的 质 量 和 刚 度4 振 动 和 噪 声 准 则 针 对 高 速 机 械 的 振 动 失 稳 即 共

18、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 f p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 ： f p 0 87 f 或 f p 1 18 ff p 零 件 受 激 振 源 作 用 引 起 的 强 迫 振 动 频 率 0 5 机 械 设 计 中 常 用 材 料 的 选 用 原 则 二 、 符 合 工 艺 要 求 机 械 设 计 中 常 用 的 材 料 有 钢 、 铸

19、铁 、 有 色 合 金(如 铝 合 金 、 锅 台 金 等 )和 非 金 属 材 料 (如 尼 龙 、 工 程塑 料 、 橡 胶 等 )。常 用 材 料 的 选 用 原 则 ：一 、 满 足 使 用 要 求三 、 综 合 经 济 效 益 要 求 0 6 许 用 应 力 和 安 全 系 数 在 机 械 设 计 过 程 中 主 要 零 件 的 基 本 尺 寸 往 往 是 通 过强 度 、 刚 度 计 算 等 确 定 的 。 而 进 行 设 计 计 算 ， 应 先 确 定 该零 件 工 作 时 所 承 受 的 载 荷 和 应 力 的 性 质 。一 、 载 荷 和 应 力载 荷 ： 构 件 或 零 件

20、 工 作 时 所 承 受 的 外 力 。载 荷 变 载 荷 大 小 或 方 向 随 时 间 变 化 的 载 荷 。静 载 荷 大 小 和 方 向 均 不 随 时 间 变 化 的 载 荷 。 应 力 静 应 力 大 小 和 方 向 均 不 随 时 间 变 化 或 变 化 极 缓 慢 ） 的 应 力 。 例 如 锅 炉 中 的 压 力 、 拧 紧 螺 栓 引 起 的 应 力等 ， 是 静 应 力 。 较 典 型 的 变 应 力 有 ： 非 对 称 循环 变 应 力 、 对 称 循 环 变 应 力 和 脉 动 循 环 变 应 力 。 变 应 力 大 小 和 方 向 ， 或 大 小 或 方 向 随 时

21、 间 变 化 的 应 力 。静 应 力 只 能 由 静 载 荷 产 生 ， 变 应 力 可 能 由 变 载 荷 或 静 载 荷 产 生 。 二 、 变 应 力 参 数 及 典 型 变 应 力1） 变 应 力 参 数 ：最 大 应 力 ： max 应 力 循 环 特 征 ： 用 来 表 示 应 力 的 变 化 情 况 。平 均 应 力 ： 2 minmaxm 2 minmaxm 应 力 幅 ： maxmmin aa t = min/ max最 小 应 力 ： min 2） 典 型 变 应 力 及 应 力 循 环 特 征 a） 静 应 力 ： b） 非 对 称 循 环 变 应 力 maxmmin

22、aa t t =常 数 c） 对 称 循 环 变 应 力 ： max ta min d） 脉 动 循 环 变 应 力 ： taa maxm= +1 在 （ +1 -1） 间 变 化= -1 = 0 三 、 零 件 的 极 限 应 力静 应 力 作 用 下 过 载 断 裂 、 塑 性 变 形 。 零 件 失效 形 式 零 件 强 度 条 件 式 ： = lim / S 材 料 的 极 限 应 力 安 全 系 数1） 静 应 力 下 的 极 限 应 力 脆 性 材 料 制 造 的 零 件 ： lim = b 塑 性 材 料 制 造 的 零 件 ： lim = S 2） 变 应 力 作 用 下 的

23、极 限 应 力 疲 劳 极 限变 应 力 作 用 下 疲 劳 破 坏 约 占 零 件 损 坏 事 故 的 80% 。 材 料 的 强 度 极 限 材 料 的 屈 服 极 限 lim = N 四 、 许 用 应 力 和 安 全 系 数 安 全 系 数 (或 许 用 应 力 )的 选 择 ， 对 零 件 的 结构 尺 寸 、 零 件 材 料 的 质 量 、 载 荷 计 算 的 准 确 性 等方 面 有 很 大 的 影 响 。 若 安 全 系 数 选 得 过 大 ， 则 许用 应 力 过 小 ， 将 使 结 构 笨 重 ， 浪 费 材 料 ； 反 之 ，安 全 系 数 选 得 过 小 ， 则 许 用 应 力 过 大 ， 零 件 将 不够 安 全 。 对 于 各 种 不 同 的 机 械 零 件 ， 设 计 时 应 根据 零 件 的 重 要 性 ， 合 理 选 取 ， 具 体 数 值 可 参 考 设计 资 料 。 结束