西北工业大学机械设计课件
☆西北工业大学国家精品课程]-机械原理PPT课件完整版
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西北工业大学【国家精品教程】机械原理（课件完整版）目录• 第一章 绪论 • 第二章 机构的结构分析 • 第三章 平面机构的运动分析 • 第四章 平面机构的力分析 • 第五章 机械的效率及自锁 • 第六章 机械的平衡目录• 第七章 机械的运转及其速度 波动的调节• 第八章 平面连杆机构及其设计 • 第九章 凸轮机构及其设计 • 第十章 齿轮机构及其设计目录• 第十一章 齿轮系及其设计 • 第十二章 其他常用机构 • 第十三章 工业机器人机构及其设计第一章 绪 论§1-1 本课程研究的对象及内容 §1-2 学习本课程的目的 §1-3 如何进行本课程的学习返回§1-1 本课程研究的对象及内容1．研究对象机械 是机构和机器的总称。
机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。
机器是指一种执行机械运动装置，操 作 机可用来变换和传递能量、物料和信息。
实例：示 教内燃机板工件自动装卸装置六自由度工业机器人2．研究内容 有关机械的基本理论控制系统§1-2 学习本课程的目的课程性质、任务及作用 机械未来发展§1-3 如何进行本课程的学习掌握本课程的特点 注重理论联系实际 逐步建立工程观点 认真对待每个教学环节机器和机构的概念（1）机构机构 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。
如常 见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、螺 旋机构等等。
这些机构一般被认为是由刚性件组成的。
而现代机构中除了 刚性件以外，还可能有弹性件和电、磁、液、气、声、光…等元 件。
故这类机构称为广义机构；而由刚性件组成的机构就称为狭 义机构。
（2）机器机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息。
例如： 电动机、内燃机用来变换能量；机器和机构的概念(2/3)机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。
由于各种机器的主要组成部分都是各种机构。
机械设计基础(西北工业大学)
第一章绪论§1-0 引言§1-1 机械工业在现代化建设中的作用§1-2 机器的基本组成要素§1-3 本课程的内容、性质与任务§1-4 认识机器引言引言人类社会的进步源于不断地创新，设计活动则是创新的策划、起点和关键环节。
机器是人们改造世界和现代化生活的重要工具，机器的发明、使用和发展是现代社会发展的一个重要创新过程。
在这一创新过程中，人们总结出了进行机械设计的理论与方法，从而为更高层次的创新与设计奠定了基础。
现代教育的目标是素质教育，而素质教育的核心应该是创新素质教育。
作为集中了人们关于机械及装备创新智慧的机械设计的理论与方法，应该是同学们学习创新的理想内容。
关于机械设计的理论与方法是博大精深的，而作为大学本科阶段的一门课程，机械设计课程的主要任务是讲述通用机械零部件的设计以及机械系统设计的基础知识。
机械工业在现代化建设中的作用第一节机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。
机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。
只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。
机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。
大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设。
机器的基本组成要素第二节一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。
一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。
有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。
通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。
机械设计基础(西北工业大学)
第一章绪论§1-0 引言§1-1 机械工业在现代化建设中的作用§1-2 机器的基本组成要素§1-3 本课程的内容、性质与任务§1-4 认识机器引言引言人类社会的进步源于不断地创新，设计活动则是创新的策划、起点和关键环节。
机器是人们改造世界和现代化生活的重要工具，机器的发明、使用和发展是现代社会发展的一个重要创新过程。
在这一创新过程中，人们总结出了进行机械设计的理论与方法，从而为更高层次的创新与设计奠定了基础。
现代教育的目标是素质教育，而素质教育的核心应该是创新素质教育。
作为集中了人们关于机械及装备创新智慧的机械设计的理论与方法，应该是同学们学习创新的理想内容。
关于机械设计的理论与方法是博大精深的，而作为大学本科阶段的一门课程，机械设计课程的主要任务是讲述通用机械零部件的设计以及机械系统设计的基础知识。
机械工业在现代化建设中的作用第一节机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。
机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。
只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。
机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。
大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设。
机器的基本组成要素第二节一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。
一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。
有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。
通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。
机械设计基础第三章（西北工业大学）
机械设计基础第三章（西北工业大学）第三章机械零件的强度3-1 材料的疲劳特性§3-2 机械零件的疲劳强度计算§3-3 机械零件的抗断裂强度§3-4 机械零件的接触强度疲劳曲线机械零件的疲劳大多发生在s －N 曲线的CD 段，可用下式描述：)(D C m rN N N N C N ≤≤= s )D r rN N N >=∞（s s D 点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：由于N D 很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N 0(称为循环基数)，用N 0及其相对应的疲劳极限σr 来近似代表N D 和σr∞，于是有：CN N ==0m rm rN s s 有限寿命区间内循环次数N 与疲劳极限s rN 的关系为：式中，s 、N 及m 的值由材料试验确定。
二、s －N 疲劳曲线m0r rN N N s s =0mrN r N N=s s s －N 疲劳曲线详细说明极限应力线图三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）机械零件材料的疲劳特性除用s －N 曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。
该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。
在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。
用A 'Ｇ'C 折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。
A 'Ｇ'直线的方程为：m a1s ψs s s '+'=-s m as s s ='+'C Ｇ'直线的方程为：12s s s ψs -=-ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：详细介绍对于碳钢，ψ≈0.1~0.2，对于合金钢，ψ≈0.2~0.3。
机械零件的疲劳强度计算1一、零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。
以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e 的比值，即e11--=s s s K 在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。
机械设计基础第三章(西北工业大学)
第三章机械零件的强度3-1 材料的疲劳特性§3-2 机械零件的疲劳强度计算§3-3 机械零件的抗断裂强度§3-4 机械零件的接触强度疲劳曲线机械零件的疲劳大多发生在s －N 曲线的CD 段，可用下式描述：)(D C m rN N N N C N ≤≤= s )D r rN N N >=∞ （s s D 点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：由于N D 很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N 0(称为循环基数)，用N 0及其相对应的疲劳极限σr 来近似代表N D 和σr∞，于是有：CN N ==0m rm rN s s 有限寿命区间内循环次数N 与疲劳极限s rN 的关系为：式中，s 、N 及m 的值由材料试验确定。
二、s －N 疲劳曲线m0r rN N N s s =0mrN r N N ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=s s s －N 疲劳曲线详细说明极限应力线图三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）机械零件材料的疲劳特性除用s －N 曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。
该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。
在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。
用A 'Ｇ'C 折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。
A 'Ｇ'直线的方程为：m a1s ψs s s '+'=-s m as s s ='+'C Ｇ'直线的方程为：12s s s ψs -=-ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：详细介绍对于碳钢，ψ≈0.1~0.2，对于合金钢，ψ≈0.2~0.3。
机械零件的疲劳强度计算1一、零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。
以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e 的比值，即e11--=s s s K 在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。
机械设计第三章(西北工业大学出版社)(第八版) ppt课件
•是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲
劳断裂。
20
3. 疲劳破坏的特征
疲劳破坏的过程
光滑的疲劳发展区
crack growth crack initiation
疲劳破坏断面
D
CD段方程
N
N
ND
m N
N C
C为常数
NC N ND
m为材料常数，由实验确定。 需要时可以查阅机械设计手册
30
4. 材料的疲劳曲线
D 点以后的曲线 — 无限寿 max 命疲劳阶段，只要应力低 于持久疲劳极限，无论应 A B 力变化多少次，材料都不 1max 2 max 会破坏。 CD 曲线 D 点以后的曲线代 表的疲劳为高周疲劳，大 r 多数机械零件的失效都是 N1 由高周疲劳引起。
a
为疲劳和塑性失效区。 A’(0,-1) D’(0/2, 0/2) G’
M ( m , a )
工作应力点
O
45°
C(s,0)
σ
m
37
简化的材料疲劳极限应力图
直线A‘G’方程： －1
' a ' m
2 －1 0 0
σ
a
直线CG‘方程： ' A’(0,-1)
主动
被动
主动
被动
15
2. 变应力的特性参数及类型
非对称循环变应力举例 气缸盖法兰盘螺纹连接的螺栓杆
16
[例1] 发动机连杆大头螺钉工作最大拉力Pmax =58.3kN， 最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹小径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。
☆西北工业大学国家精品课程]-机械原理PPT课件完整版
西北工业大学【国家精品教程】机械原理（课件完整版）目录• 第一章 绪论 • 第二章 机构的结构分析 • 第三章 平面机构的运动分析 • 第四章 平面机构的力分析 • 第五章 机械的效率及自锁 • 第六章 机械的平衡目录• 第七章 机械的运转及其速度 波动的调节• 第八章 平面连杆机构及其设计 • 第九章 凸轮机构及其设计 • 第十章 齿轮机构及其设计目录• 第十一章 齿轮系及其设计 • 第十二章 其他常用机构 • 第十三章 工业机器人机构及其设计第一章 绪 论§1-1 本课程研究的对象及内容 §1-2 学习本课程的目的 §1-3 如何进行本课程的学习返回§1-1 本课程研究的对象及内容1．研究对象机械 是机构和机器的总称。
机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。
机器是指一种执行机械运动装置，操 作 机可用来变换和传递能量、物料和信息。
实例：示 教内燃机板工件自动装卸装置六自由度工业机器人2．研究内容 有关机械的基本理论控制系统§1-2 学习本课程的目的课程性质、任务及作用 机械未来发展§1-3 如何进行本课程的学习掌握本课程的特点 注重理论联系实际 逐步建立工程观点 认真对待每个教学环节机器和机构的概念（1）机构机构 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。
如常 见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、螺 旋机构等等。
这些机构一般被认为是由刚性件组成的。
而现代机构中除了 刚性件以外，还可能有弹性件和电、磁、液、气、声、光…等元 件。
故这类机构称为广义机构；而由刚性件组成的机构就称为狭 义机构。
（2）机器机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息。
例如： 电动机、内燃机用来变换能量；机器和机构的概念(2/3)机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。
由于各种机器的主要组成部分都是各种机构。
机械设计第八版西工大6精品PPT课件
圆柱销
圆锥销
内螺纹圆锥销
槽销
开尾圆锥销
销轴和开口销
详细说明
销的材料为35、45钢（开口销为低碳钢），许用应力[t]=80MPa，许用 挤压应力[p]与键联接的挤压应力相同。
zpofrp 2013-10-23
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
键槽中绕其圆心摆动， 以适应轮毂上键槽的斜度，
安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。
3．楔键联接
详细说明
楔键的上、下表面为工作面，两侧面
为非工作面。键的上表面与键槽底面均有
1:100 的斜度。工作时，键的上下两工作
面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠
其摩擦力和挤压传递扭矩。
4．切向键
详细说明
键联接
键联接3
普通平键
导向平键 滑键
详细说明
普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接。 导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接。 普通平键应用极为广泛。 轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。
zpofrp 2013-10-23
2．半圆键联接
键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的
定载荷为：
Tm mT
m为额定载荷系数。
zpofrp 2013-10-23
销联接
销联接
销联接主要用于确定零件之间的相互位置，并可传递不大的载荷。也可 用于轴和轮毂或其他零件的联接。
根据销的用途不同，一般有：定位销、联接销、安全销。 详细说明
根据销的结构形式有：圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等。
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轴的结构设计
三、各轴毂直径和长度的确定
◆ ◆ ◆ ◆
轴的结构设计2
首先按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。 安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。 有配合要求的零件要便于装拆。
◆
应保证轴上零件能可靠的轴向固定。
四、提高轴的强度的常用措施
2．按弯扭合成进行强度条件验算 一般的转轴强度用这种方法验算。计算步骤如下：
① ②
轴的计算3
轴的弯矩与扭矩分析 校核轴的强度 轴的弯扭合成强度条件为：
ca
M 2 (T ) 2 M 2 T 2 ( ) 4( ) [ 1 ] W 2W W
详细内容
式中[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表选取）；
轴的计算5
偏转角
θ≤[θ]
详细说明
[y]和[θ]分别为轴的许用挠度及许用偏转角。
2．轴的扭转刚度校核计算
轴的扭转刚度以扭转角来度量。轴的扭转刚度条件为
[ ]
更多内容
轴的计算
三、轴的振动及振动稳定性的概念
◆
轴的计算6
轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动。 ◆ 当轴的振动频率与轴的自振频率相同时，就会产生共振。 ◆ 共振时轴的转速称为临界转速。 ◆ 临界转速可以有很多个，其中一阶临界转速下振动最为激烈，最为危险， 一般通用机械中的轴很少发生共振。若发生共振，多为弯曲共振。 一阶临界转速
◆
nc1
60 30 k 30 c 2 m
g y0
详细推导
刚性轴：工作转速低于一阶临界转速的轴； ◆ 挠性轴：工作转速超过一阶临界转速的轴； 一般情况下，应使轴的工作转速n<0.85nc1，或1.15 nc1<n<0.85 nc2。满足 上述条件的轴就是具有了弯曲振动的稳定性。
轴的设计实例
一、轴的结构分析
轴的设计实例
轴的结构应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上 的零件应便于装拆和调整，轴应具有良好的制造工艺性等。下面通过一 具体轴系结构的改错加以说明。 轴的结构分析 二、装配顺序演示 轴上装有多种零件时，各零件有其正确的装配顺序，下面通过一 具体实例来说明装配顺序。
为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径
有一个键槽 轴径d＞100mm 轴径增大3% 有两个键槽 轴径增大7%
轴径d≤100mm
轴径增大5%～7%
轴径增大10%～15%
轴的计算
2． 按弯扭合成进行强度条件验算 一般的转轴强度用这种方法验算。计算步骤如下：
①
轴的计算2
轴的弯矩与扭矩分析
轴的计算
轴的结构设计
轴的结构设计应该确定：轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构设计应该保证： ◆ 轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；
◆ ◆
轴的结构设计1
轴上的零件应便于装拆和调整； 轴应具有良好的制造工艺性等。
一、拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定 几种装配方案，进行分析与选择。 二、轴上零件的定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈和圆螺母等来保证的。 轴上零件的周向定位是通过键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合来实 现的。
轴的概述2
（1）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地 确定轴的结构形式和尺寸。
（2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。 轴的设计过程是： 根据总体结构的要求进行轴的结构设计
轴的承载能力验算
no
验算合格?
yes
结 束
轴的概述
三、轴的材料
热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。 碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。 合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求 减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常 采用合金钢。
轴
§1 轴的概述 §2 轴的结构设计 §3 轴的概述1
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
按照承受载荷的不同，轴可分为：
◆ ◆
心 轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。 传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。
◆
转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
◆ ◆ ◆ ◆
合理布置轴上零件以减小轴的载荷 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 改进轴的结构以减小应力集中的影响 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度
详细说明
轴的结构设计
五、轴的结构工艺性
轴的结构设计3
在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。 轴上应有满足加工和装配所要求的倒角、圆角、螺纹退刀槽和砂轮越程槽等。
轴的概述3
轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种
在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差
不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。
高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸
振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。 轴的常用材料及其主要力学特性表
为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。
扭转切应力
静应力
弯曲应力为对 称循环变应力
脉动循环变应力
对称循环变应力
≈0.3
≈0.６
=1
轴的计算
3．按疲劳强度条件进行校核
轴的计算4
在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强度进行校核， 轴的疲劳强度条件为
S ca
4．按静强度条件进行校核
轴的计算
轴的计算1 一、轴的强度校核计算 1．扭转强度条件计算 这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在 作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。
轴的扭转强度条件为
P 9550 10 T n [ ] T T 3 WT 0.2d
3
实心轴的直径为：
9550 103 P 9550 103 3 P P 3 3 3 d A0 0.2[ T ] n 0.2[ T ] n n
S S S S
2 2
S
详细内容
对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴，应当进行静 强度条件校核。轴的静强度条件为：
S Sca
S S S S
2 2 S S S S
SS
详细内容
轴的计算
二、轴的刚度校核计算
1. 轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角θ来度量。 对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。 对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。 轴的弯曲刚度条件为 挠度 y≤[y]
装配过程演示
三、轴的设计实例 轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容，下面通过设 计一个圆锥─圆柱齿轮减速器的输出轴来说明一具体轴的设计内容。
轴的设计实例
按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。 直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。 轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。 除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空
间位置。
图例
轴的概述
二、轴设计的主要内容
轴的设计包括结构设计和工作能力验算两方面的内容。