机械设计基础第1章绪论2011

1、中南大学,机械设计基础,主讲：申儒林 博士 副教授 中南大学机电工程学院 Tel: 13808480496 Email: Public email: passward： 1234321,中南大学,第1章 绪 论,11 本课程研究的对象和内容,12 本课程在教学中的地位,13 机械设计的基本要求和一般过程,15 机械零件的材料选择,14 机械零件工作能力和计算准则,16 机械零件的结构工艺,17 机械零件设计中的标准化,中南大学,顾名思义，本课程研究对象为：机械,机械,机器,斜面,任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。,机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。,机构,（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。 一般而言， 机械是机器和机构的总称,杠杆,起重轱辘,滑轮组,手动(电动)葫芦,现代起重机,起重机的发展历程：,11 本课程研究的对象和内容,中南大学,机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。,机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、 齿轮机构等。种类有限,如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输

2、车辆、农用机器、起重机等。,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,中南大学,典型机器的分析：,1.内燃机,内燃机,组成：,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,工作原理：,1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸；,2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点火燃烧；,3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；,4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。,循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动,中南大学,设计：潘存云,进气,压缩,爆炸,排气,内燃机的工作过程：,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：,内燃机各部分的作用：,曲柄滑块机构,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：,齿轮机构,各部分协调动作的结果：,中南大学,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换 机器的作用,机器的分类：,原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电

3、动机）种类有限,工作机完成有用功（如机床等） 种类繁多,中南大学,机器的组成：,原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。,工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。 其关系如下,原动机,传动,工作,控制,中南大学,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),分析自动洗衣机的组成：,中南大学,同理，通过对典型机构进行分析可知：,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,用来传递力或实现运动的转换。,机构的分类：通用机构和专用机构。,通用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。,机器与机构的关系：由两个实例推广到一般,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素,由机器与机构的共有特征可知： 机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同） ，故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动,中南大学,中南大学

4、,课程性质： 技术基础课,作用： 承前启后,本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。,作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。,12 本课程在教学中的地位,中南大学,机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。,基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,机械设计的内容：,1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；,2. 拟定设计方案；,3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；,4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。,13 机械设计的基本要求和一般过程,中南大学,14 机械零件的工作能力和计算准则,机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。,机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。,工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常

5、此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：,承载能力。,零件的失效形式:,断裂或塑性变形;,过大的弹性变形;,工作表面的过度磨损或损伤;,发生强烈的振动；联接的松弛;,摩擦传动的打滑等。,如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为,中南大学,对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件,强度条件：计算应力许用应力；,机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图;,5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。,防止失效的判定条件是： 计算量许用量,-工作能力计算准则。,2) 确定作用在零件上的载荷;,3) 选择合适的材料;,4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整,失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。,刚度条件：变形量许用变形量；,中南大学,载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。,14.1 强度准则,计算载荷-载荷系数与名义载荷

6、的乘积。,计算应力-按名义载荷计算所得之应力：,名义应力-按名义载荷计算所得之应力。,强度判 定条件：,、,=、-许用应力,S-安全系数,lim、 lim -极限应力，由实验方法测定。,然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入,中南大学,接触强度,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。,失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,中南大学,由弹性力学可知，应力为：,对于钢或铸铁取泊松比： 1=2=0.3 , 则有简化公式。,上述公式称为

7、赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,中南大学,H -最大接触应力或赫兹应力;,b -接触长度;,Fn -作用在圆柱体上的载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,中南大学,中南大学,设计：潘存云,设计：潘存云,弯矩 弯曲变形,扭矩 扭转变形,若刚度不够导致轴的变形过大，就会影响其正常工作。,变形量的描述：,挠度 y,、转角,、扭角,设计要求：,y y,复习材料力学相关内容。,14.2 刚度准则,中南大学,14.3 耐磨性准则,运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。,磨损,间隙、,精度、,效率、,振动、,冲击、,噪音,据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。,磨损的主要类型 ：,1）磨粒磨损,2）粘着磨损(胶合磨损),在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。,在摩擦过程申

8、，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨,硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。,加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。,3）疲劳磨损(疲劳点蚀),4） 腐蚀磨损,中南大学,实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:,p p p由实验或同类机器使用经验确定,相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况下，可将 p v 值与许用的 p v 值进行比较。即:,p v p v ,中南大学,15 机械零件的材料选择,机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。,一、金属材料,1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、

9、合金铸铁等。,2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。,铸铁,常用金属材料,钢,铜合金,-含碳量2%,-含碳量 2%,铁碳合金,特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,中南大学,选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。,应用：应用范围极其广泛。,价格便宜且供应充分,我国资源丰富,中南大学,3.铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,零件毛坯获取方法：辗压、铸造。,应用：应用范围广泛。,种类,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,二、非金属材料,1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,中南大学,2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。,选材因素：,设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,各种材料的化学成分和力

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