机械原理及设计（Ⅱ）

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1、机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机 械 原理及设计 （）第二章第二章 机械设计总论机械设计总论*机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第二章第二章 机械设计总论机械设计总论2-1 2-1 设计机器时应满足的基本要求设计机器时应满足的基本要求2-22-2 设计机器的一般程序 设计机器的一般程序2-32-3 机械零件设计概述 机械零件设计概述2-42-4 机械零件的失效形式和设计准则 机械零件的失效形式和设计准则机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系一、机器的组成（本节将以汽车为例讲述机器的组成）2-1 2-1 设计机器时应满足的基本要求设计机器时应满足的基本要求1动力部分

2、： 原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等）2执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身）3传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速箱、传动轴、差速器等）4控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它各种操作手柄及刹车、油门、离合器踏板） 5辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照明、显示、信号等）机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系原动机部分传动部分执行部分辅助系统控制系统框图中的蓝色框蓝色框部分表示机器的基本组成部分，简单的机器就只由 这三部分组成，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越 来越高，辅助系统、控制系统就应运而生，在这些组成部

3、分中，绝大 多数机器不可或缺的组成部分-传动部分（尤其是机械传动），这 将是我们讲课的重点（课程设计：减速器的设计）机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系1功能要求（或使用要求）：如起动、转弯半径、吨位 速度、制动2经济要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等）3安全性与劳动保护要求：安全装置（气囊、安全带）、噪声4生态环境的要求：环境保护（尾气、噪声）5人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则二、对机器的主要要求: （以汽车为例）6可靠性要求：在规定的使用条件及使用期限内不出故障7.其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等）机械工程学院机械设计

4、系机械工程学院机械设计系2-22-2 设计机器的一般程序 设计机器的一般程序机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平 ，机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定 的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机 器的一般程序。设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，在设计中不 可避免的会出现反反复复，在设计中要注意运用先进的设计方法、 设计手段来进行设计，如采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助 设计等来提高设计质量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽 快地进入市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。样机样机试制、检测、验收、改进原型的设计从小批到中批再到大批，注重售后服务售后服务

5、，不 断反馈信息，不断改进、不断提高市场调研、比较分析并拟定设计任务书设计任务书如:开 发的吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益 、性能的先进性等计划阶段(提出问题)技术设计阶段(解决问题)试制鉴定阶段(验证问题)方案设计阶段(分析问题)产品设计定型批量生产阶段对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择 ，评价决策、选择最终方案最终方案。如：四轮、三轮 ；柴油机、汽油机；有无驾驶室；传动方案（皮 带、链、传动轴）等运动分析：原动机参数-各运动构件的运动参数 动力分析：由运动参数计算零件所受载荷的大小 零件工作能力分析：由载荷进行零件的初步设计 图纸设计及技术文件编制：绘图（总装图、部件 图、

6、零件图）、编制技术文件（设计说明书、工 艺文件、标准件、自制件、外协件明细表、使用 说明书）等 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系一、设计零件应满足的基本要求1在预定的寿命期内安全可靠、避免失效的要求，具体表现 为： 强度强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形） 刚度刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度 寿命寿命：影响寿命的主要因素有材料的疲劳、材料的腐蚀、磨损2结构工艺性的要求：结构简单便于制造加工与装拆、降低成本2-32-3 机械零件设计概述 机械零件设计概述3经济性、质量小的要求：价廉物美、轻巧耐用（遵循三化原则）4可靠性要求：零件的可靠性决定了机器的可靠性机

7、械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系二机械设计中的“三化”1 1 标准化标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验 方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标 准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大 量的、集中制造，用户根据要求选用）2 2 系列化系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在 同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸 不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、 宽度系列，工程机械的系列化）33通用化通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（如： 汽车与农用车之间零部件的通用）机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系我国标

8、准我国标准: 国标(GB)、行业标准(如JB)、企业标准 国际标准国际标准: ISO标准三机械零件设计步骤1类型选择（选型）：选择符合要求的零件类型与结构 2受力分析： 计算载荷、求作用力 3材料选择：选择合适的材料5结构设计：根据工艺及标准化进行零件的结构设计结构设计4承载能力计算：分析零件的失效形式，确定计算准则， 确定零件的基本尺寸设计是一个边计算、边画图、边修改的反复过程，上述步骤要反复地进行才能设计出优秀的产品来，结构设计结构设计是机械设计的重 要设计内容之一标准 分类6校核计算、画零件工作图、编写技术资料机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系四机械零件的常规设计方法：1经验设

9、计：根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经 验关系式，或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计。如： 箱体、机架、传动零件的各结构要素等，一般用在不重要的场合。2模型实验设计：对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其 是一些重型整体机械零件，为提高设计质量，可采用此方法。即根据相 似理论的方法做模型，从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设 计的依据，对设计进行逐步的修改，直至完善。如：飞机的风洞试验、 桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开发）。3理论设计：根据在模型实验与科学理论基础上发展起来的设计理 论进行设计的方法，应用形式有：设计计算设计计算（由已知载荷与材料性

10、能 求零件的尺寸）；校核计算校核计算（已知零件尺寸，校核其是否满足使用的 要求）。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2-42-4 机械零件的失效形式和设计准则 机械零件的失效形式和设计准则机械零件的失效机械零件的失效是指零件失去了正常的工作能力，零件 的失效将不可避免的导致机器的失效，零件的性能与质量直接影响机器的性能与质量。在以后的学习中我们将在以后的学习中我们将 从分析零件的主要失效形式入手，根据失效从分析零件的主要失效形式入手，根据失效 形式提出其设计准则，并根据设计准则进行形式提出其设计准则，并根据设计准则进行 零件设计。零件设计。下面将把失效形式和与其对应的设计准则结合起来

11、进行讲解机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系设计准则：强度准则强度准则强度条件：有二种表达形式失效形式：塑变或断裂（静强度断裂、疲劳断裂）塑变或断裂（静强度断裂、疲劳断裂）一1应力表示法：正应力剪应力2安全系数表示法：正应力剪应力机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系讨论：越小，或Sca越大，则强度越好?说明：1lim为极限应力，即： B 强度极限-静强度断裂； s 屈服极限-塑性变形； r 疲劳极限疲劳极限-疲劳断裂（在第三章讲述） Hlim接触疲劳极限接触疲劳极限-疲劳点蚀（在第三章讲述）2Sca为计算的安全系数3也与之相同机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系设计准则

12、：刚度准则刚度准则失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形问：合金钢代替碳钢能否提高零件的刚度？二刚度条件：弯曲刚度：挠度y y 扭转刚度：扭转角TT偏转角y机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系设计准则：寿命准则寿命准则。影响寿命的主要因素是腐蚀、过度 磨 损、疲劳（表面接触疲劳、整体疲劳简称疲劳）。1.对于腐蚀、磨损由于因素很复杂，无有效的定量的计算方法，一般只作条件性计算。如（“耐磨性准则耐磨性准则” ”）2.对于疲劳通常通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据（ 见前面的强度准则强度准则部分），在轴承的寿命计算中我们将具体的应 用到寿命准则寿命准则和后面将要将要讲的可靠性准则

13、可靠性准则失效形式：表面破坏表面破坏（表现为：腐蚀、磨损、接触疲劳）pp 防止压力过大而产生过度磨损vv 防止速度过高而产生过度磨损pvpv 防止温度过高而发生胶合三耐磨性准则（条件性计算：如在不完全液体润滑滑动轴承的设计计算中）机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系振动稳定性准则：固有频率f与激振频率fp 之间满 足085ffp或115f fp的关系。四失效形式：破坏正常的工作条件引起的失效破坏正常的工作条件引起的失效。有些零件只 有在一定的工作条件下才能正常工作，当条件被破坏 是就不能正常工作，从而导致失效。如表现为：1. 带传动及摩擦轮传动中，传递的有效圆周力大于临界 摩擦力，将发

14、生打滑的失效。2. 完全液体润滑滑动轴承中的完整润滑油膜被破坏，将 发生过热、胶合、磨损等失效。3. 高速转动的零件（转子）的固有频率接近激振频率时 将发生共振引起振幅过大，引起断裂的失效。设计准则：防止零件的正常工作条件被破坏，避免失效的防止零件的正常工作条件被破坏，避免失效的 发生发生。如采用限制工作载荷、供油充分、避开激振频率（振动稳振动稳 定性准则定性准则）等来确保零件的正常工作条件机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系一耐热性准则：一些特殊的零件特殊要求二可靠性准则可靠度可靠度R Rt t：指产品在规定条件下和规定时间内，完成规 定功能的概率。一批零件，设个同样零件，在规定时间内有Nf 个失效，Nt 个仍能正常工作，则可靠度R Rt t为：应力/强度应力强度 分布密度应力强度五机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系本章结束谢 谢 大 家！谢谢大家！