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1、第一章 绪 论,1 本课程研究的对象和内容 2 机械零件设计的基本准则及 一般设计步骤 3 机械零件常用金属材料和钢 处理常识（自学）,本课程研究的对象是机械（机器和机构统称）。,1 本课程研究的对象和内容,古代水碓,牛头刨 床,内燃机,照相机,凸轮机构,齿轮机构,棘轮机构,曲柄滑块机构，将活塞往复 移动转化为曲柄的连续转动； 齿轮机构，改变转速大小和 转向；凸轮机构，将凸轮的 连续转动转变为推杆往复移动。,机器实例：内燃机,1、功能：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。,2、组成包含三种机构：,一、机械、机器和机构,活塞下行，进气阀打开， 燃气被吸入汽缸,3、工作过程：,4、运动分
2、析：,原动件：活塞由燃气推动（驱动力所作用的构件）,主运动：将活塞的往复直线运动曲轴的回转运动,辅助运动：配气 启闭进排气阀,机器：既能实现确定的机械运动，又能完成有用的机械功，或者能传递或转换能量、物料、信息等。如,车床实现确定的机械运动，又作有用的机械功,内燃机转换能量,机械手传递物料,照相机传递信息,机构：仅能传递或转换运动。如,齿轮机构传递运动,凸轮机构转换运动,机械：是机器和机构的总称。,总结：,二、机械的特征,1）人为的实物组合由人工组合的构件系统,2）各实物间具有确定的相对运动,3）实现能量转换或完成有效的机械功,1、机器的特征,具有以上三个特征机器,机器是由一种或多种机构组成的
3、。,只具有机器的前两个特征机构,2、机构的特征,3、机器和机构的关系,三、构件和零件,1. 机器由机构组成:,3.构件：机构的基本运动单元，是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成。,单一零件曲轴,多个零件 刚性组合 连杆,2. 机构是人工组合的构件系统，必须满足两点:若干构件的组合；这些构件具有确定的相对运动。,4.零件是组成机器最基本的单元体，是机械制造的单元体。,专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片 通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等,5.部件：若干个零件的装配体,机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计
4、算的基本理论和方法及有关标准规范,四、本课程的研究对象和研究方法,一、机械零件设计的基本准则,1.2 机械零件设计基本准则 及一般设计步骤,零部件丧失正常工作能力称为失效。 主要失效形式永久性：断裂、塑性变形、过度磨损、胶合等；暂时性失效：弹性变形，打滑和共振等。,失效原因强度、刚度、耐磨性、振动稳定性不能满足工作要求。根据失效原因制定了设计准则，并作为防止失效和进行设计计算的依据。,(一)强度 1、体积强度：抵抗断裂和过大塑性变形的能力，, 极限应力lim,lim应根据零件材料性质及所受应力类型作如下选择： )静应力下工作的塑性材料零件，失效为塑性变形，应按不发生塑性变形的强度条件计算，常以
5、材料的屈服点，作为极限应力lim,lim。 )静应力下脆性材料，失效为断裂，应按不发生断裂的强度条件计算，常以材料的强度极限，作为极限应力lim,lim。,)交变应力下，失效为疲劳断裂，应按不发生疲劳断裂的强度条件计算，常以材料的疲劳极限作为极限应力lim,lim。,、表面强度：抵抗表面损伤的能力 ）表面挤压强度： 面接触的两零件受载后接触面间产生挤压应力。 失效形式：塑性材料表面塑性变形；脆性材料表面压溃。 挤压强度条件：ss,）表面接触强度 产生原因：点、线接触的零件受载后产生的局部应力 失效形式： 静载荷：脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形； 循环接触：表面疲劳磨损，疲劳点蚀（在
6、交变应力的反复作用下，零件表面的金属成小片状脱落下来而形成一些小凹坑的现象） 不发生失效的强度条件：,（二）刚度 抵抗弹性变形的能力。最大变形量不能超过许用变形量：包括线性变形，转角和扭角变形。 （三）耐磨性 载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。 在滑动摩擦下工作的零件，常因载荷大，转速高过度磨损而失效。影响磨损的因素很多，通过限制零件工作面的单位压力和相对滑动速度，进行良好的润滑以及提高零件表面硬度和表面质量来提高耐磨性。 （四）振动稳定性 避免零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍,二、机械零件的疲劳强度,静应力强度：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的
7、通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴） 变应力强度：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。 疲劳破坏定义：金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。,（一） 应力的类型和特点 静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。 交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。 例：,常见变应力及其基本变化规律,变应力参数,O,t,max,min,s,a,max 最大应力 min 最小应力 m 平均应力 s 应力幅 r 变应力循环特性,对称循环应力,s= 0,r = -1,min= 0,r =
8、0,脉动循环应力,例：火车轮轴、双向转动的齿轮轮齿的弯曲应力,例：单向转动的齿轮轮齿的弯曲应力,非对称循环应力,-1 r 0,0 r 1,t,O,r+1 静应力,变应力参数不随时间改变的变应力称为稳定变应力；,变应力参数随时间改变的变应力称为不稳定变应力。,随机变应力,可看作循环变应力的特例！例：定滑轮轴、自行车前轮轴的弯曲应力。,m=max= min,t,O,1）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏； 2）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。 疲劳破坏的原因：材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，
9、在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。,（二）疲劳破坏的特征：,（三） 疲劳曲线,材料的疲劳性能是通过试验来测定的。在材料的标准试件上加上一定循环特性r（通常是对称循环）的等幅变应力，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N。 材料的疲劳曲线（-N曲线）,r,O,N,C,D,ND,rN,r,rN,r,无限寿命疲劳极限 持久疲劳极限,对应于应力循环次数N时的弯曲疲劳极限,ND,分界转折点,水平直线段 N ND 无限寿命区 曲线段 N ND 有限寿命区,有限寿命（为N）时疲劳极限,m 随应力状态而不同的指数,N,r, 循环基数,ND
10、 =10625107,N0,三、机械零件设计的一般步骤,1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同用途、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3）根据零件的工作要求及对零件的特殊要求，选择适当的材料。 4）根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准则进行计算，确定出零件的基本尺寸。 5）根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。,三、机械零件设计的一般步骤,6）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。 7）画出零件的工作图，并写出计算说明书。,作业,P13 1-1 1-2,
