机械设计第2章 机械设计总论

潘存云教授研制
机械控制式
电气控制式
模糊控制式
除了控制方式以外，上述三种洗衣机的主要传动系统没有很大的差别。
机械设计
自动洗衣机的组成：
进水口
上盖 控制面板 外箱体
排水管
盛水桶 支撑拉杆 波轮 脱水桶 电动机 带传动
减速器
机械设计
自动洗衣机的工作原理：
波轮 A B
脱水桶
带传动
洗涤：
洗衣机系统简图
A制动，B放开，运动经电动机、带传动、中心齿轮、行星轮、 行星架、带动波轮旋转。
按第一强度理论计算当量应力。
复合应力状态： 按第三或第四强度理论计算当量应力。
单向应力状态：
脆性材料
复合应力状态：
注：1）对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算 静强度时，可不考虑应力集中的影响。 2）对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度 时，应考虑应力集中的影响。
机械设计
2
循环应力下的强度
接触强度
计算变应力下的强度时，应取 lim 疲劳极限 rN （详见第三章）。 3 许用安全系数 〔S〕
过大，则机器会过于笨重；过小，可能不安全。 〔S〕 因此，在保证安全的前提下，应尽可能选用较小的许用安全系数。 〔S〕 的取值主要受下列因素的影响：
1） 计算的准确性；
机械设计
机械零件失效实例：
潘存云教授研制
潘存云教授研制 潘存云教授研制
齿轮轮齿折断
齿面接触疲劳点蚀
轮齿塑性变形
潘存云教授研制 潘存云教 授研制
潘存云教授研制
轴瓦磨损
轴承内圈破裂
轴承外圈塑性变形
机械设计
一、几个名词：
2）工作能力： 的能力。 即机械零件在一定条件下抵抗失效
3）承载能力： 对载荷而言的工作能力。（也就是 用载荷表示的工作能力） 4）工作能力计算准则： 效而应满足的条件。 为防止机械零件发生某种失
机械设计
三、强度准则
强度条件有两种表示方法：
强度准则
强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。
1） 用应力表示： 2）用安全系数表示：
式中： σ —计算最大应力 σ lim —极限应力
S —计算安全系数
σ
≤〔σ〕
S
≥ 〔S〕
〔σ〕＝ σ lim S＝ σ
σ lim S
〔σ〕 —许用应力 〔S〕 —许用安全系数
机械设计
从一个设计实例 看机械设计的一般过程
社会需求
设计任务 方案设计
结构设计
编制技术文件
机械设计
以冲压工艺所需的压力加工设备为 例进行分析
社会需求： 以上、下模具之间的直线往 复运动对平板材料进行加工（拉伸， 弯曲，切断，冲裁，压印等）。
机械设计
设计任务：
力——标准吨位 位移——工作行程 速度——最高连续工作速度 加速度——允许速度波动 运动精度——允许运动误差 经济性——最高造价 可靠性——平均无故障工作时间 安全性——意外情况下对人和设备进行保护 其他要求——运输，安装，调整
（也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全件”， 是设计零件时的理论依据）。
机械设计
为了防止机械零件在工作中产生失效，设计
载荷和应力1
时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要
的计算，常用的理论计算方法（过程）有两种：
5）设计计算：先分析零件的可能失效形式， 根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的 结构尺寸。
6）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再 验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改 零件的尺寸。
除理论设计方法外，机械零件常规的设计方 法还有经验设计、模型试验设计。（教材P16）
机械设计
为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，
载荷和应力1
需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计 算。机械零件的设计准则大体有：
强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。
机械设计
静应力 o 变应力 t
脉动循环应力
应 力
稳定循环变应力
对称循环应力
非对称循环应力 规律性非稳定循环变应力
非稳定循环变应力
随机性非稳定循环变应力
机械设计
应 力 静应力
o
变应力
t
脉动循环应力 对称循环应力 非对称循环应力
稳定循环变应力
H
F 1 1 B 1 2 2 1 12 1 2 E2 E1
机械设计
实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的。如齿
轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。
接触强度2
•在接触循环应力作用下的强度称为表面接触疲劳强度。 强度条件为： H≤ H
注：对于切应力，只须将上述各公式中的
σ 换成 τ 即可。
机械设计
1
静应力下的强度
静应力下的强 度
在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变 形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。
塑性材料 单向应力状态：
lim s ， lim s
lim b ， lim b
机械设计
第2章
§1－1
机械设计总论
机器的组成及典型机械介绍
§1－2
§1－3
机械零件的计算准则
机械零件的材料及选用
机械设计
§1－1
机器的组成及典型机械介绍
在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成、机械的基本要素 有一个感性的认识。下面先看几个例子。
典型机械实例： 全自动洗衣机； 减速器； 工业机器人。 １．全自动洗衣机；
机械设计
高速运动变换为低速运动
可选择的减速传动方案： 1. 带传动 2. 链传动 3. 齿轮传动 4. 蜗杆传动
机械设计
曲柄压力机传动原理图
机械设计
结构设计:
仅以连杆部件为例讨论结构设计问题
机械设计
结构设计:
连杆部件
机械设计
结构设计:
连杆部件
机械设计
结构设计:
连杆部件
机械设计
结构设计:
非稳定循环变应力
规律性非稳定循环变应力
随机性非稳定循环变应力
尖峰应力
周期
规律性
随机性
机械设计
最大应力： max
( max min ) / 2 平均应力： m ( min min ) / 2 min 对称循环应力：r 1 循环特性（应 r 力比）： max 脉动循环应力： r 0
连杆部件
A-A放大
A
A
机械设计
§1－2
机械零件的计算准则
一、几个名词：
1）失效：机械零件由于某种原因不能正常工作，称 为失效。 机械零件失效的主要形式：整体断裂、
注意：
过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常 工作条件引起的失效（教材P10）
a) 失效并不单纯指破坏，破坏只是失效的形式 之一。 机械零件的可能失效形式很多，归纳起来主要有 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性以及温度等方面的失效。 b) 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 例如：轴在工作中可能产生断裂、过大弹性变形、 共振等失效。
使用功能要求 经济性要求 劳保环保要求 寿命可靠性要求 其他专用要求
设计机器的一般程序 教材P5表2-1 对机器的主要要求 ………
机械设计
教材与参考书
教材—濮良贵，纪名刚. 机械设计. 8版. 北京：高等教 育出版社，2006. 《机械设计课程设计图册》、《机械设计课程设计指导 书 》 手册—《机械设计手册》 参考书 1. 吴宗泽. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2001. 2.《机械设计》（第四版）邱宣怀等主编 高教出版社 3.《机械创新设计》 黄纯颖 主编 高等教育出版社
机械设计
典型机械实例：
１．全自动洗衣机； ２．减速器； ３．工业机器人 由以上实例，可归纳得出：
润滑、显示、照明等辅助系统
原动机
机
控
传动装置
器
统
执行机构
制
系
传动装置―在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动 方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。
机械设计
定义： GB10853-89 机器理论与机构学术语 机器是执行机械运动的装置，用来变换或 传递能量、物料、信息。 机构是用来传递运动和力的、有一个构件 为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组 成的构件系统。
脱水：
A放开，B制动，运动经电动机、带传动、内齿圈（脱水桶）、 中心齿轮、行星架，波轮与脱水桶等速旋转。
机械设计
典型机械实例： ２．减速器
潘存云教授研制
机械设计
典型机械实例： ３．工业机器人
机械设计
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
机械设计
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
• 强度准则
• 刚度准则 • 寿命准则 • 振动稳定性准则 • 可靠性准则 • 摩擦学准则
机械设计
二、载荷和应力
1 载荷 按是否随时间变化，载荷分为：
静载荷 变载荷
由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷称为动载荷。
按是否考虑动载荷的影响，载荷分为：
名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷（不考虑动载荷的影响） 计算载荷＝载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数K：用于计入在实际工作中受到的各种动载荷的影响。 额定载荷： 由原动机的额定功率推算出的载荷。
机械设计
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
机械设计
典型机械实例： ３．工业机器人