机械设计基础概论
机械设计基础概论
机械零件的工作能力和计算准则
整体静强度计算准则：σ≤[σ] τ≤[τ] [σ]=σlim/S ，[τ]=τlim/Sτ
式中： σ、τ：零件的工作正应力、切应力； [σ]、[τ]： 零件的许用正应力、许用切应力； σlim、τlim： 零件材料的极限正应力、极限切应力； S、Sτ：正应力、切应力的安全系数。
机械设计的基本要求和一般程序
3. 劳动保护要求
劳动保护要求有两层含义： 1) 机器的操作应方便和安全
设计时要按照人体工程学观点布置各种按钮、手柄，使操 作方式符合人们的心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、 报警装置、显示装置等。 2) 改善操作者及机器的环境 所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。如降低机器运 转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废液、废气 和废物进行治理等。
0.1 机械的组成 0.2 本课程的内容、性质和任务 0.3 对机器的主要要求和设计机器的一般程序 0.4 机械零件的工作能力和计算准则
0.5 机械设计中常用材料的选用原则
0.6 许用应力和安全系数
思考题
机械的组成
一、 机器与机构 1. 机器 如：汽车、起重机、各种机床、内燃机、飞机、洗衣机、 船舶、自行车、工业机器人等。 使用机器可减轻人们的劳动强度、提高劳动生产率。
典型机器的分析→
各类机器构造不同、性能不同、用途不同，但都具有共 同特征： 1) 是由各种零件装配而成的组合体； 2) 各部分间具有确定的相对运动； 3) 用来变换或传递能量、物料和信息。
机械的组成
2. 机构 机构具有机器的前两个特征，用来变换或传递机械运动。
如内燃机：曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构。
min max
稳定交变应力：工作中平均应力、应力幅和循环周期不随 时间变化的交变应力。 注意：描述稳定交变应力有5个参数，但其中只有2个参数是 独立的。
第一章机械设计基础(Ⅱ)机械设计概论PPT课件
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注意:机构 有两个特征: 可动、确定 的运动
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内燃机 连杆
内燃机连杆
套筒
螺栓
垫圈 螺母
连杆体 轴瓦
连杆盖
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机械设计的现代方法
1. 计算机辅助设计（CAD） 借助于计算机进行设计消息处理，利用计算机具有运 算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点，通
➢极限应力lim
极限应力与零件的失效形式有关，而失效形式和应 力有关。
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静应力 失效形式 断裂或塑性 lim
变形
＝ b （脆性材料） ＝ s （塑性材料）
变应力
失效形式
疲劳破坏
lim
＝ r （疲劳极限）
➢ 安全系数S
S用来考虑材料性能的离散性、计算方法的准确性、 零件的重要性等多种不确定因素的影响。主要是根 据经验查表得到。
不等热量传到中心，快速冷却。表面获得高硬度， 而芯部保持韧性。 ➢ 化学表面热处理——将零件放在含有某种化学元 素（碳、氮、铝等）的介质中加热和保温，使该 元素渗透到零件表面。
三、机械零件材料的选择
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1.5 机械零件的工艺性及标准化
1.5.1 零件的结构工艺性——零件的结构在满足使用 要求的前提下，能用生产率高、劳动量小、材料消耗 少和成本低的方法制造出来。
例如发动机的曲轴 。
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3. 有色金属合金 有色金属合金具有特殊性能（高导电性、
导热性、耐腐蚀和减摩性），用在有特殊需要 的场合。 4. 非金属材料 非金属材料的种类繁多，在工程上也发挥着重 要的作用（橡胶、工程塑料、陶瓷）。例如橡 胶密封垫、传动带、树脂材料制作摩擦片、塑 料手柄等等。
机械设计基础概论
机械设计基础概论1. 引言机械设计是工程设计中的一个重要领域，它涉及到机械元件和系统的设计原理、方法和技术。
机械设计的目标是通过合理的设计来实现机械系统的功能，并满足性能、质量、可靠性和经济性等方面的要求。
本文将介绍机械设计的基础概念、设计流程以及常见的机械设计方法。
2. 机械设计的基础概念2.1. 设计需求机械设计的第一步是明确设计的需求。
设计需求包括产品的功能要求、性能要求、质量要求、可靠性要求、工艺要求等。
设计需求的明确对于后续的设计工作非常重要，只有明确需求，才能有针对性地进行设计。
2.2. 设计原则在机械设计中，有一些基本的设计原则需要遵循：•功能原则：设计的产品应能满足预定的功能需求。
•强度原则：设计的产品应具有足够的强度和刚度，以保证在使用过程中不发生破坏或变形。
•可制造性原则：设计的产品应具备可生产和可加工的特性。
•经济性原则：设计的产品应具备较低的制造成本和运营成本。
2.3. 设计步骤机械设计的一般步骤包括：需求分析、构思设计、详细设计、制造以及测试验证。
这些步骤一般是逐步进行的，每个步骤都具有特定的目标和任务。
在需求分析阶段，需要明确产品的功能需求和性能需求；在构思设计阶段，需要产生多个概念设计方案，并进行比较评估；在详细设计阶段，需要进行工程计算和绘图，确定具体的零部件尺寸和结构；制造阶段则是实际加工制造零部件和组装成整体产品；最后，在测试验证阶段，需要对产品进行性能测试和功能验证。
3. 机械设计方法3.1. 经验设计法经验设计法是一种基于经验和直觉的设计方法。
通过参考类似产品的设计经验和实践，来完成设计工作。
这种方法适用于一些简单的设计问题，但在复杂的设计问题中可能存在不足。
3.2. 可行性设计法可行性设计法是一种探索性的设计方法。
它通过对各种可能的设计方案进行分析和评估，以确定哪种方案最为可行。
这种方法可以在设计的早期阶段就能够发现可能存在的问题和风险。
3.3. 参数化设计法参数化设计法是一种基于参数化建模的设计方法。
机械设计基础课件!设计概论Z
机械设计基础课件!设计概论Z机械设计基础课件：设计概论一、引言机械设计是机械工程领域的重要组成部分，它涉及到机械产品的结构、性能、功能、可靠性等方面。
机械设计基础是机械设计的基本理论和方法，它是机械设计师必须掌握的知识。
本课件将介绍机械设计的基本概念、设计方法和设计过程，帮助读者了解机械设计的基本原理和方法。
二、机械设计的基本概念1.机械设计的目的：机械设计的目的是根据用户的需求，设计出具有良好性能、可靠性和经济性的机械产品。
2.机械设计的任务：机械设计的任务包括确定产品的结构方案、选择合适的材料和加工方法、进行强度和刚度的计算、进行动力学分析等。
3.机械设计的分类：机械设计可以分为新产品设计和改进产品设计。
新产品设计是指从无到有的设计过程，改进产品设计是指在原有产品的基础上进行改进和优化。
三、机械设计的方法1.经验设计法：经验设计法是依据设计师的经验和直觉进行设计的方法，适用于简单机械产品的设计。
2.理论设计法：理论设计法是依据机械原理和数学模型进行设计的方法，适用于复杂机械产品的设计。
3.计算机辅助设计法：计算机辅助设计法是利用计算机软件进行设计的方法，可以提高设计效率和精度。
四、机械设计的过程1.设计准备阶段：设计准备阶段包括市场调研、需求分析、技术可行性分析等，目的是明确设计目标和设计要求。
2.方案设计阶段：方案设计阶段是根据设计要求，提出不同的设计方案，并进行初步的评价和选择。
3.详细设计阶段：详细设计阶段是对选定的方案进行详细的计算和设计，包括结构设计、材料选择、加工方法等。
4.设计验证阶段：设计验证阶段是对设计结果进行验证和试验，确保设计满足要求。
五、机械设计的注意事项1.安全性：机械设计必须保证产品的安全性，避免造成人身伤害和财产损失。
2.可靠性：机械设计必须保证产品的可靠性，避免因故障而影响生产和使用。
3.经济性：机械设计必须考虑产品的经济性，降低成本，提高效益。
4.环保性：机械设计必须考虑产品的环保性，减少对环境的影响。
自考 机械设计基础复习资料
第一章机械设计基础概论一．机器的组成：1.按机器的各部分功能分析：机器由四大部分组成：动力部分，工作部分，传动部分，控制部分；2.按机器的构成分析：机器是由一个或几个机构和动力源组成。
机构是由若干个构件通过可动联接（零件之间有相对运动的联接）面组成的具有确定运动的组合体。
构件是由一个或若干个零件通过刚性联接而组成，它是运动的单元体。
机械零件是加工的单元体。
机器和机构统称为机械。
第二章平面机构运动简图及自由度度一．运动副：两构件直接接触并能产生相对运动的活联接称为运动副。
分为高副和低副，高副：以点或线接触所形成的运动副称为高副，如凸轮副和齿轮副；低副：以面接触所形成的运动副称为低副，如转动副，移动副。
第二节．平面机构的自由度：一个自由构件在平面中，有三个自由度。
沿X，Y轴移动和绕Z轴转动。
二．平面运动副对构件的约束：每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束。
三．平面机构的自由度：设一个平面机构有N个构件，其中必有一个构件为机架，故活动构件数为n,其中P L个低副，P H个高副，则这些运动副引入的约束为2P L+P H，若用F表示自由度，则F=3n-2P L-P H，这就是平面自由度计算公式。
也称为平面机构的结构公式。
四．机构具有确定运动的条件：机构的自由度数目必须与主动件数目相等。
自由度F要大于零。
五．复合铰链、局部自由度和虚约束1. 复合铰链：由两个以上的构件通过转动副并联在一起所构成的铰链称为复合铰链。
用K 个构件构成的复合铰链其转动副数目应为K-1。
2.局部自由度：在机构中常用一种与整个机构运动无关的。
局部的独立运动，称为局部自由度，在计算机构自由度时应除去不计。
3.虚约束：机构中某些运动副所引入的约束可能与其他运动副所起到的限制作用是一致的，这种对机构不起真正约束作用的约束称为虚约束，在计算自由度时也应除去不计。
平面机构的虚约束常出现在以下场合中：1）两构件组成多个平行的移动副时，只有一个移动副起作用；2）两构件间组成多个轴线重合的转动副，只有一个转动副起作用；3）传递机构中的对称部分。
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机械设计基础概论
§1.5 本课程的研究内容、性质及任务
• 本课程研究的内容：
常用机构、常用的传动和通用的零部件的工作 原理、结构特点、基本设计理论、计算方法和国 家标准的应用等内容。
• 本课程的性质
机械设计基础是建立在画法几何及机械制 图、理论力学、材料力学、工程材料及金 工等课程的基础上的一门技术基础课。
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§1.3 机械零件的材料及其选用
•常用材料
常 用 的 材 料
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1、金属材料—力学性能较好，能满足机械零 件的多种性能和用途要求，应用广泛。
2、高分子材料—原料丰富，耐腐蚀性较好， 主要用于化工设备和冷冻设备中。
3、陶瓷材料—硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高， 主要用于切削刀具等结构中。
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零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳 而产生的表面破坏失效。
如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、 胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷 超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。
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1.4.2机械零件的设计准则
设计准则
•强度准则、刚度准则 •寿命准则 •振动稳定性准则 •可靠性准则
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失效形式及设计计算准则
1.4.1机械零件的主要失效形式
整体断裂
零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的 应力超过零件的强度极限而发生的断裂。
过大的残 余变形
零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的 过大残余变形而导致的失效。
零件的表 面破坏
正常工作 条件破坏
4、复合材料—具有较高的强度和弹性模量， 主要用于航空、航天等领域。
第0章 机械设计基础概论
内燃机各部分的作用：
1.活塞4往复运动通过连杆3转变为曲轴2的连续转动； 2.凸轮8和顶杆7用来启闭进气阀5和排气阀6；
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3.齿轮9、10用来保证进、排气阀5、6与活塞4之间形 成协调动作。
0.2 关于机械的概述（机械的组成）
2.机构 定义：具有确定相对运动的各种实物的组合体。 也就是说，所有的机构都具有二个共同的特征： （1）人为的各种实物的组合； （2）组成机构的各种实物间具有确定的相对运动； 与机器相比较，机构也是人为实体的组合，各运动实体之间也具 有确定的相对运动，但不能做机械功，也不能实现能量转换。 功能：起到改变运动规律或形式，改变速度大小。
举例：内燃机（单缸） 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作， ——组成齿轮机构
0.2 关于机械的概述（机械的组成）
机器与机构的区别在于: 机器的主要功用是利用机械能做功或实现能量的转换;而机构的主 要功用在于传递或转变运动的形式。 例如航空发动机、数控机床、纺织机和拖拉机等都是机器，而钟 表、仪表、数控机床中的变速装置或分度装置等都是机构。 通常的机器必包含一个或一个以上的机构。 如果不考虑做功或实现能量转换，只从结构和运动的观点来看， 机器和机构二者之间没有区别。 机械是机器与机构的总称。
0.2 关于机械的概述（机械的组成）
3.机器的组成 （机器的各部分功能分析）
根据功能的不同，一部完整的机器由以下四部分组成： 1.动力部分：机器的动力来源。 2.工作部分：完成工作任务的部分。 3.传动部分：把原动机的运动和动力传递给工作机。 4.控制部分：对上述各部分进行监测、操纵和控制，使系统按照 预定要求实现正常而高效的运转，提高系统的精确性、可靠性 、安全性及过程的柔性化、自动化、智能化。
机械设计基础概论
第一章机械设计基础概论【教学内容】：机器的组成及概念；机器和机械零件设计的基本知识及现代设计方法；本课程的性质、内容、任务及学习方法等。
【基本要求】：明确本课程研究的对象和内容、学习方法；掌握机械、机器、机构、构件和零件等概念的含义；了解机械零件的失效形式及设计计算准则、机械零件设计的标准化、系列化及通用化。
【教学重点及难点】：机械、机器、机构、构件和零件等；机械零件的失效形式及设计计算准则。
【教学方法】: 讲授法多媒体教学、实训教室现场教学【学时】：课堂教学：2学时；第一节机械工业发展概况（略）第二节机器的组成一、机器的组成1、机器和机构机器——凡能实现确定的机械运动，又能作有用的机械功或完成能量、物料与信息转换和传递的装置就称为机器。
机构——一种用来传递运动和动力的可动的装置。
机器和机构最明显的区别是：机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。
两者之间也有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。
机械——机器和机构的统称。
2、构件和零件构件——组成机器的各个相对运动的单元称为构件，构件是运动的单元体。
零件——机械中不可拆的制造单元体。
构件可以是单一零件，也可以是多个零件的组合体。
构件是从研究机械运动观点来看，零件是从机械制造方面来看。
通用零件：螺钉、齿轮、轴、轴承、弹簧等专用零件：内燃机曲轴、活塞等。
机械（器）构成层次关系：机器零件例：内燃机分析３、机器的分类：机器种类较多，根据用途不同，可分为：1) 动力机器如：电动机、内燃机、发电机、液压机，主要用来实现机械能量的转换。
２）工作机器如：轧钢机、包装机及各类机床、汽车、飞机、轮船、运输机，主要用来完成有用机械功（搬运物品、变换物料）。
3）信息机器如：复印机、传真机、摄像机，主要用来获取或处理信息。
４、机器的组成部分：机器的组成如下：二、本课程研究的主要内容1、各种常用机构及机器动力学的基本知识；2、通用零件的工作原理的工作原理、设计理论和计算方法；3、扼要介绍国家标准和有关规范。
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1、金属材料—力学性能较好，能满足机械零 件的多种性能和用途要求，应用广泛。
常
用
2、高分子材料—原料丰富，耐腐蚀性较好， 主要用于化工设备和冷冻设备中。
的
材 3、陶瓷材料—硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高， 料 主要用于切削刀具等结构中。
4、复合材料—具有较高的强度和弹性模量， 主要用于航空、航天等领域。
第一章 机械设计基础概论
§1.1 机械的概念 §1.2 机械设计的基本要求和一般程序 §1.3 机械零件的常用材料 §1.4 机械零件的失效形式及设计计算准则 §1.5 本课程的研究内容、性质及任务
§1.1 机械的概念
• 机器、机构及其结构组成
机械是各类机器的通称。它是人类改造自然、发展进 步的主要工具。在日常生活和工作中，我们接触到很多 机器。
齿轮机构：实现转动的传递。 凸轮机构：将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。
综合：通过上述三个机构的协调工作便能 将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。
结论：机器是由各种机构组成的。一部机器可能 由多种机构组成，如上述的内燃机就是由曲柄滑块 机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而 成；也可能仅由一个最简单的机构组成，如电动机 就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。
机械零件的材料选用原则
1、载荷、应力的大小和性质
材
2、零件的工作情况——包括环境、温度等
料
的 3、零件的尺寸及质量
选
择
4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性
原
则
5、材料的经济性——包括材料的相对价格、
加工费用、材料的利用率等的考虑。
§1.4机械零件的主要失效形式及设计计算准则
1.4.1机械零件的主要失效形式
名义载荷： 用力学公式计 算出的载荷。 计算载荷： 考虑实际工作 条件影响的载
荷。1Βιβλιοθήκη 2.3 机械零件设计中的标准化所谓零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要 素、材料性能、检验方法、设计方法、制图等要求，制定 出共同遵守的标准。标准化的优越性表现为：
1）标准零件集中加工，成本大大降低，质量得到保证；
2）材料和零件的性能指标得到统一，提高了零件的可靠性；
3）采用了标准结构及零、部件，使设计工作得到简化，同 时缩短了设计周期，提高了设计质量。此外，由于具有较 好的互换性，从而简化了机器的维修工作。
目前采用的标准有：国际标准ISO, 国家标准GB，行业 标准和企业标准。
§1.3 机械零件的材料及其选用
整体断裂
零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的 应力超过零件的强度极限而发生的断裂。
过大的残 余变形
零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的 过大残余变形而导致的失效。
零件的表 面破坏
正常工作 条件破坏
零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳 而产生的表面破坏失效。
如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、 胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷 超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。
执行部件
以轿车的组成为例：
§1.2机械设计的基本要求和一般程序
1.2.1 机械设计的基本要求
• 对机器的主要要求
1） 使用功能要求； 2） 经济性要求； 3） 劳动保护和环境保护要求； 4） 可靠性要求； 5）其它专用要求。
基本要求
设计机械零件时应满足的基本要求
基本要求
•工作能力要求：强度、刚度、 寿命、稳定性、耐磨性；
随着机械的功能和类型的日益增多，作为组成机 械的最基本单元的零件更是多种多样。通常将机械零件 分为通用机械零件和专用机械零件两大类。
机器的组成
作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的 它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器 一般主要由以下五部分组成：
机器组成
原动机
辅助系统 传动装置 控制系统
例如：
构件：机器的种类繁多、外形万变、用途各异。 但从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，这些不同的机器 都是由能产生相对运动的单元体组合而成，这些单元体称为构件。 机构：具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构。
机器组成示例：
活塞 连杆
气缸体
曲轴
齿轮 齿轮
•各机构的功能：
曲柄滑块机构：将活塞的往复移动转化为曲轴的 连续转动。
•机器的共同特征：
从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机 器的共同特征： （1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造 的一种装置。 （2）它们必须执行确定的机械运动。 （3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动 力学任务。 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。
构件和零件:
机械都是由机械零件组成的。机械零件是指机械中每 一个单独加工的单元体，例如上图(a)所示的曲轴。 构件可以是单一的机械零件，也可以是若干机械零件的 刚性组合。例如图( b)所示，它是由连杆体、 连杆盖、螺栓和螺母等零件组合而成的。这些零件之间 没有相对运动，是一个运动整体，故属一个构件。 因此，构件是运动的单元，零件是制造单元。
编制设计计算说明书、使用说明 书及其它技术文件。
结束
机械零件设计的一般步骤
1、根据机器具体工作情况确定作用 在零件上的名义载荷及计算载荷。
设 2、选择零件材料。
计
3、由失效形式确定计算准则并依此 确定零件主要尺寸。
步 4、根据工艺性进行零件结构设计。 骤
5、根据结构尺寸进行详细校核计算。
6、绘制零件工作图，写出计算说明书。
•结构工艺性及经济性要求。
•质量小及可靠性要求
1.2.2 机械设计的一般程序
一般程序
设计机器的一般程序
计划阶段
对所设计的机器需求情况进行 充分调查分析，明确机器功能 及约束条件，形成设计任务书。
分析机器功能，确定功能参数， 拟定多种方案并进行综合评价。
方案设计阶段
技术设计阶段 技术文件编制
确定原动机参数及各运动构件的 运动参数，确定主要零件上的载 荷大小、特性，依工作能力设计 准则初步完成零件基本尺寸的确 定，作出零部件装配草图及总装 配图，完成主要零件的校核计算。
1.4.2机械零件的设计准则
设计准则
•强度准则、刚度准则 •寿命准则 •振动稳定性准则 •可靠性准则
§1.5 本课程的研究内容、性质及任务
• 本课程研究的内容：
常用机构、常用的传动和通用的零部件的工作 原理、结构特点、基本设计理论、计算方法和国 家标准的应用等内容。