机械力学及机械设计第一章

4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。
机械零件的工作能力准则
• 对机器的要求：
机器的全部功能 预定的使用寿命 制造和运转成本 重量与尺寸指标 运输可能性、操作方便性、外形美观等
• 对机械零件的要求：
足够的强度和刚度 一定的耐磨性 无强烈振动 具有耐热性
机械零件设计步骤：
1. 拟定计算简图 2. 确定作用在零件上的载荷大小 3. 选择合适的材料 4. 确定零件尺寸 5. 绘制零件工作图
4. Exhaust stroke 活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。 Once the piston hits the bottom of its stroke, the exhaust valve opens and the exhaust leaves the cylinder to go out the tail pipe.
一个构件可以是一个零件，如曲轴
构件也可由几个零件所组成，如连杆 连杆：连杆体、连杆盖、轴瓦和轴套、螺栓、螺母
常用机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等 通用零件：螺纹联接件、齿轮、轴、轴承、弹簧、蜗轮、带等 专用零几种常用机构的组成形式、运动特性和选用原则
第一章 机械设计概论
一、本课程研究的对象和内容
二、本课程在教学计划中的地位
三、机械设计的基本要求和过程
本课程研究的对象和内容
本课程研究的对象：机械
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 习惯上，用机械作为机器和机构的总称 机器是执行机械运动的装置，用来变化或传递能量、 物料、信息。
内燃机： 活塞往复移动——曲轴连续转动
the linear motion of the pistons is converted into rotational motion by the crank shaft
热能——机械能
电动机：电能——机械能
总结： 机器具有以下特征：
1.人为的实物组合 2.各部分之间具有确定的运动 3.完成有效的机械功或做能量转换
5.表面热处理：强化零件表面
表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到 淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。 化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素介 质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热 处理方法。它包含渗碳、氮化和氰化等。 渗碳：以碳原子渗入钢制零件表面，经淬火及低温回火后， 表面获得很高的硬度和耐磨性。 氮化：以氮原子渗入钢制零件表面，提高表面硬度、耐磨 性、抗蚀性及疲劳强度等。 氮化后不在进行其它任何热处理和大余量的切削加工。 氰化：以碳及氮原子渗入钢制零件表面。提高零件表面的硬度、 耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。需经淬火和低温回火处理。
组成内燃机的机构 曲柄滑块机构：气缸体、活塞（滑块）、连杆、曲轴（曲柄）
活塞的往复移动——曲轴的连续转动
凸 轮 机 构：
气缸体、凸轮、顶杆 凸轮的连续转动——顶杆的往复移动
齿 轮 机 构：
气缸体、曲轴上的齿轮、凸轮轴上的齿轮 保证两轴的转速比
机构：具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构。
机构的特征：
2.机器动力学的基本知识
3.通用机械零件的特点、结构及工作原理、选用原则、使用及维护 4.介绍有关的国家标准和规范
学习要求 1. 作业必须按时完成 2. 理论联系实际，仔细观察实物和模型
本课程在教学计划中的地位
课程性质：技术基础课
目 的：培养学生初步具有选用、分析，以及维护保 养简单的机械传动装置并能进行设计的能力，为学习专 业设备中的机械部分提供必要的基础。
零件的工作能力准则 1. 强度：机械零件抵抗断裂、表面疲劳破坏或过大塑性变形
等失效的能力 强度准则 : 零件计算截面的名义应力（σ 、τ ）不得超过 许用应力（ [σ] 、 [τ] ）。
即
σ ≤[σ] 或τ ≤ [τ]

lim
S
,
lim
S
σlim ---正应力的极限值 τlim ---切应力的极限值 S --- 安全系数
3.刚度
构件抵抗弹性变形的能力。 刚度准则要求零件在载荷作用下的弹性变形y在许用极限 值[y]之内，其表达式为 y≤[y]。
4.振动稳定性 机器在工作时不能发生振幅超过容许值的振动现象 振动稳定性准则要求所设计的零件的固有频率ξρ应与其 工作时所受激振源的频率ξ错开。 当ξρ>ξ时，要求ξρ>1.15ξ 当ξρ<ξ时，要求ξρ<0.85ξ
2.
3.
工艺方面的要求
经济方面的要求
许用应力和安全系数
一、应力的分类
1. 静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力 只能在静载荷作用下产生 2. 变应力：随时间变化的应力 可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生
脉动循环应力 对称循环应力 任意不对称循环应力
二、选择许用应力的方法
1. 查许用应力表法 2. 部分系数法
常用热处理方法
1.退火
加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。
退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬度以改善切削 加工性能。
2. 正火
正火与退火相似，只是在保温后以较快的速度冷却。 正火后钢的硬度和强度都有所提高，但消除内应力效 果不如退火好。低碳钢大多采用正火代替退火。 对于要求不太高的零件，常只采用正火来提高其力学 性能，而不再进行其他热处理。
机器示例：内燃机 internal combustion engine
气缸体
活塞 顶杆 连杆
凸轮
内燃机工作原理: 1. intake stroke 活塞下行，进气阀开启，气体进入汽缸 The piston starts at the top, the intake valve opens, and the piston moves down to let the engine take in a cylinder-full of air and gasoline. Only the tiniest drop of gasoline needs to be mixed into the air for this to work. pression stroke 活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩 Then the piston moves back up to compress this fuel/air mixture. Compression makes the explosion more powerful.
1.人为的实物组合 2.各部分之间具有确定的运动
相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动传递和 运动形式转换的特征。
仅从结构和运动的观点看，机器和机构并无区别
构件和零件
构件：组成机构的各个相对运动部分
零件：从制造和装配的观点看，机器是由许多独立加工、
独立装配的单元体所组成，这些单元体称为零件。
构件是运动的单元，零件是制造的单元
lim
(1) 安全系数 S = S1S2S3 (2) 极限应力 a. 静应力 塑性材料：屈服极限 σs 脆性材料：抗拉强度σB b. 变应力 疲劳极限 应力集中系数 kσ 尺寸系数 εσ 表面状态系数β
S
,
lim
S
机械零件的工艺性和标准化
一、从工艺出发对零件结构的基本要求
• 选择合理的毛坯种类 • 零件的结构要简单 • 规定合理的制造精度和表面粗糙度
2. 耐磨性
零件抗磨损的能力
1）验算比压P不超过许用值[p]，以保证工作面不致因油膜破 坏而产生过度磨损 2）对滑动速度v比较大的摩擦表面，为防止胶合破坏，要限 制单位接触表面上单位时间产生的摩擦功不能过大。当摩 擦系数f为常数时，可验算pv值不超过许用值[pv]。其表达 式为 p≤[p] （MPa） pv≤[pv] （MPa）
5.耐热性 在高温下工作的零件需要进行蠕变计算
机械制造中常用材料及其选择
常用金属材料：
• 钢
碳素钢 合金钢 • 铸铁 灰铸铁 、可锻铸铁、球墨铸铁 • 有色金属合金
为了充分发挥钢材的潜力，提高机械零件的工作 能力，通常大多数钢制零件都要进行热处理。
钢的热处理：
将钢在固态下加热到一定温度，经过一定 时间的保温，然后用一定的速度冷却，来改变 金属及合金的内部结构，以期改变金属及合金 的物理、化学和力学性能的方法。
非金属材料
• 塑料
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
• 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。
• 玻璃
•
1.
选择材料应满足的要求
使用方面的要求
3.淬火
淬火是将钢加热到一定温度，保温一定时间，而后 急速冷却（水冷或油冷）。 淬火后钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力， 脆性也相应增加。 淬火的主要目的是提高材料的硬度，以提高零件的 耐磨性及疲劳强度等。
4. 回火
回火是将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然 后冷却（一般在空气中冷却）。 低温回火的加热温度为150~250º C，淬火钢经低温回火后， 可以减小内应力和脆性，保持淬火钢的高硬度和耐磨性，适用 于刀具、量具、滚动轴承等。 中温回火的加热温度为300~450º C，淬火后的工件经中温回 火后，提高了弹性，减小了内应力和脆性，但硬度有所下降， 适用于有弹性要求的零件，如弹簧等。 高温回火的加热温度为450~650º C，淬火工件经高温回火后， 可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合力学性能， 适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。习惯 上把淬火后高温回火的热处理方法称为调质。
二、机械零件的标准化