華理工機械設計教案01課程簡介、機械零件的計算準則

課程名稱：《機械設計》第1講次授課題目第一章機械設計概論課程簡介機械零件的計算準則【目的要求】了解課程的研究對象、內容、課程的性質、任務、特點和學習方法；了解機械設計的一般步驟、機械零件的設計準則、常用材料等基礎知識；【重點】機械零件的主要失效形式和設計準則；【難點】機械零件的計算準則；內容第一章機械設計概論1-1課程簡介課程的性質和內容是研究機械裝置和機械系統(tǒng)的設計問題，培養(yǎng)同學們具有機械設計能力的技術基礎課，是機械類專業(yè)的一門非常重要的主干課。首先介紹幾個常用的概念：1．機械-機器和機構的總稱。2．零件-是機器的制造單元。有些零件是在各種機器中常用的，稱之為通用零件；有些零件只有在特定的機器中才用到，稱之為專用零件。3．部件-為完成同一使命在結構上組合在一起并協(xié)調工作的零件。如滾動軸承。注意：“機械零件”常用來泛指零件和部件。＊機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設水平的重要標志。＊機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和促進技術改造的重任。＊大量地設計制造和廣泛采用各種先進的機器，可大大加強促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的現(xiàn)代化建設。設計是生產(chǎn)機械產(chǎn)品的第一道工序。要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，首先要有好的設計，設計是保證具有良好性能的首要環(huán)節(jié)。如果設計水平不高，即使有再好的加工制造能力也不可能生產(chǎn)出好的機械產(chǎn)品，可見機械設計在機械工程中的地位是非常重要的。任何機械設計都是由若干個零件組成，機器的性能好壞就取決于它的主要零件和關鍵零件的性能好壞。要想設計出好的機器，必須首先設計好它的零件。因此，機械零件的設計是機械設計的基礎，是機械設計的重要組成部分。本課程的基本教學內容主要是通用機械零件的設計和計算。如齒輪、軸承、軸、帶傳動、鏈傳動等。本課程是一門實用性、適用性強的設計課程。介紹的是機械零件的基本設計方法。而近些年發(fā)展起來的如CAD、優(yōu)化設計、可靠性設計等現(xiàn)代設計方法大多是建立在這些基本設計方法之上的，是對這些基本設計方法的發(fā)展和提高。1-2機械零件的計算準則在機械零件的設計中，最終是要確定零件的結構尺寸。通常情況下，都希望尺寸小、重量輕，同時又不能在工作中發(fā)生任何失效。設計時就需要進行必要的計算。常用的計算方法有兩種：1．設計計算：――先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準則通過計算確定零件的機構尺寸。2．校核計算：――先根據(jù)經(jīng)驗確定零件的結構尺寸，然后在驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。一、載荷和應力的分類1．載荷載荷分為靜載荷和變載荷。由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下用力學公式求出的載荷。計算載荷：＝載荷系數(shù)K×名義載荷。其中載荷系數(shù)K用于計入在實際工作中機械零件受到的各種動載荷的影響。2．應力靜應力對稱循環(huán)應力r＝－1恒幅循環(huán)變應力脈動循環(huán)應力r=0循環(huán)變應力非對稱循環(huán)應力變應力變幅循環(huán)變應力隨機變應力＊需注意：變應力由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。名義應力：根據(jù)名義載荷求得的應力。計算應力：根據(jù)計算載荷求得的應力。表示的是零件在工作中實際受到的應力。

二、機械零件的強度1．強度準則強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。機械零件的強度準則有兩種表示方法：1）≤=2）S≥S＝式中：－最大計算應力；－許用應力；－極限應力；S－計算安全系數(shù)；－許用安全系數(shù)；對于一個具體的機械零件而言，兩差值－和S－可稱為安全裕度。其大小表示零件安全的程度。當計算應力相同時，越大，則越安全。當許用應力相同時，越大，則越安全。2．靜應力下的強度在靜應力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料不同，所取極限應力也不同：單向應力狀態(tài)下：單向應力狀態(tài)下：塑性材料復合應力狀態(tài)下：按第三或第四強度理論計算當量應力。單向應力狀態(tài)下：單向應力狀態(tài)下：脆性材料復合應力狀態(tài)下：按第一強度理論計算當量應力。3．變應力下的強度計算變應力下的強度時，應取疲勞極限（詳見第二章）4．許用安全系數(shù)合理選擇許用安全系數(shù)是設計中的一項重要工作。過大，則機器會過于笨重；過小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。的取值主要受下列因素的影響：計算的準確性；2）材料的均勻性；3）零件的重要性。三、機械零件的表面強度1．表面接觸疲勞強度對于高副接觸的機械零件，理論上是點、線接觸，但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處局部會產(chǎn)生很高的應力，這樣的應力稱為表面接觸應力，用表示。的大小用赫茲公式計算，見教材。實際中的高副零件所受的接觸應力都是循環(huán)變化的，例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應力作用，脫離嚙合時不受應力作用。在接觸循環(huán)應力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為：≤在接觸循環(huán)應力作用下，首先在金屬表面上形成很小的微裂紋，之后裂紋沿著與表面成銳角的方向發(fā)展，當?shù)竭_一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金屬剝落下來，在零件的表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕是接觸應力作用下的失效形式，屬于疲勞破壞。點蝕的危害：破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。減小零件的有效工作面積。2．表面擠壓強度當兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下表面產(chǎn)生的應力稱為擠壓應力，用表示。在擠壓應力作用下的強度稱為擠壓強度，其：強度條件為：≤［］＊擠壓應力過大時，接觸面將產(chǎn)生“壓潰”失效。＊相互擠壓表面上的擠壓應力相等。四、機械零件的剛度剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，則有的零件會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機床的主軸如產(chǎn)生過大的彈性變性會影響所加工工件的精度；剛度條件為：實際變形量≤［許用變形量］式中：實際變形量可用相關理論計算或由實驗方法確定。許用變形量是保證正常工作所允許的變形量。＊注意：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。2）用合金鋼的代替碳鋼雖能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。五、振動穩(wěn)定性準則機械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象稱為振動。當作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件自身的自激振動頻率時，便發(fā)生共振，導致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。振動穩(wěn)定性準則：應使受激振作用零件的自激振動頻率遠離外力變化的頻率。即＜0.85f或＞1.15f式中：f――零件的自激振動頻率――外力變化的頻率.六、摩擦學（耐磨性計算）準則在滑動摩擦條件下工作的機械零件，常因為過度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復雜，因此，到目前為止對于磨損失