《机械设计》课程授课教案（讲稿）1.1、1.2 课程简介、机械零件的计算准则

第_1课程名称：《机械设计》讲次第一章机械设计概论1-1课程简介授课题目1-2机械零件的计算准则【目的要求】了解课程的研究对象、内容、课程的性质、任务、特点和学习方法：了解机械设计的一般步骤、机械零件的设计准则、常用材料等基础知识：[重点】机械零件的主要失效形式和设计准则：【难点】机械零件的计算准则；内 容第一章机械设计概论1-1课程简介课程的性质和内容是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的技术基础课，是机械类专业的一门非常重要的主干课。首先介绍几个常用的概念：1. 机械-机器和机构的总积。2.学件是机器的制造单元。有些学件是在各种机器中常用的，想之为遗用学件；有单件只有在特定的机器中才用到，之为专用零件。3部件-为成同一使命在结构上组合在一起并协调工作的导件。如演动轴承。注意：“机城零件”常用来还指零件和部件。*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。设计是生产机械产品的第一道工序。要想生产出好的产品，首先要有好的设计，设计是保证具有良好性能的首要环节。如果设计水平不高，即使有再好的加工制造能力也不可能生产出好的机械产品，可见机械设计在机械工程中的地位是非常重要的。任何机械设计都是由若干个零件组成，机器的性能好坏就取决于它的主要零件和关键零件的性能好坏。要想设计出好的机器，必须首先设计好它的零件。因此，机械零件的设计是机械设计的基础，是机械设计的重要组成部分。本课程的基本教学内容主要是通用机械零件的设计和计算。如齿轮、轴承、轴、带传动、链传动等。本课程是一门实用性、适用性强的设计课程。介绍的是机械零件的基本设计方法。而近些年发展起来的如CAD、优化设计、可靠性设计等现代设计方法大多是建立在这些基本设计方法之上的，是对这些基本设计方法的发展和提高

课程名称：《机械设计》 第 1 讲次 授课题目 第一章 机械设计概论 1-1 课程简介 1-2机械零件的计算准则 【目的要求】 了解课程的研究对象、内容、课程的性质、任务、特点和学习方法； 了解机械设计的一般步骤、机械零件的设计准则、常用材料等基础知识； 【重 点】 机械零件的主要失效形式和设计准则； 【难 点】 机械零件的计算准则； 内 容 第一章 机械设计概论 1-1 课程简介 课程的性质和内容 是研究机械装置和机械系统的设计问题，培养同学们具有机械设计能力的技术基础课，是机械 类专业的一门非常重要的主干课。 首先介绍几个常用的概念： 1．机械-机器和机构的总称。 2．零件-是机器的制造单元。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。 3．部件-为完成同一使命在结构上组合在一起并协调工作的零件。如滚动轴承。 注意：“机械零件”常用来泛指零件和部件。 ＊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。 设计是生产机械产品的第一道工序。要想生产出好的产品，首先要有好的设计，设计是保证具 有良好性能的首要环节。如果设计水平不高，即使有再好的加工制造能力也不可能生产出好的 机械产品，可见机械设计在机械工程中的地位是非常重要的。 任何机械设计都是由若干个零件组成，机器的性能好坏就取决于它的主要零件和关键零件的性 能好坏。要想设计出好的机器，必须首先设计好它的零件。因此，机械零件的设计是机械设计的基 础，是机械设计的重要组成部分。 本课程的基本教学内容主要是通用机械零件的设计和计算。如齿轮、轴承、轴、带传动、链传 动等。 本课程是一门实用性、适用性强的设计课程。介绍的是机械零件的基本设计方法。而近些年发 展起来的如 CAD、优化设计、可靠性设计等现代设计方法大多是建立在这些基本设计方法之上的， 是对这些基本设计方法的发展和提高

1-2机械零件的计算准则在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺寸小、重量轻，同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。常用的计算方法有两种：1.设计计算：一一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机构尺寸。2.校核计算：一一先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在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。一、载荷和应力的分类1.载荷载荷分为静载荷和变载荷。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，厂名义载荷：在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷。L计算载荷：=载荷系数K×名义载荷。其中载荷系数K用于计入在实际工作中机械零件受到的各种动载荷的影响。2.应力一静应力对称循环应力r=一1脉动循环应力r=0恒幅循环变应力非对称循环应力-循环变应力变应力变幅循环变应力随机变应力0m*需注意：变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。厂名义应力：根据名义载荷求得的应力。计算应力：根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应力

1-2 机械零件的计算准则 在机械零件的设计中，最终是要确定零件的结构尺寸。通常情况下，都希望尺寸小、重量轻， 同时又不能在工作中发生任何失效。设计时就需要进行必要的计算。常用的计算方法有两种： 1．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 件的机构尺寸。 2．校核计算：――先根据经验确定零件的结构尺寸，然后在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。 一、载荷和应力的分类 1．载荷 载荷分为静载荷和变载荷。 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。 名义载荷： 在理想平稳条件下用力学公式求出的载荷。 计算载荷：＝载荷系数 K×名义载荷。 其中载荷系数 K 用于计入在实际工作中机械零件受到的各种动载荷的影响。 2．应力 静应力 对称循环应力 r＝－1 恒幅循环变应力 脉动循环应力 r=0 循环变应力 非对称循环应力 变应力 变幅循环变应力 随机变应力 ＊需注意：变应力由变载荷产生，也可由静载荷产生。 名义应力： 根据名义载荷求得的应力。 计算应力： 根据计算载荷求得的应力。表示的是零件在工作中实际受到的应力

二、机械零件的强度1.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。机械零件的强度准则有两种表示方法[0]-1m1] α ≤ []阿S=Clim2] s ≥[S]a式中：一最大计算应力；[]一许用应力；im一极限应力；S一计算安全系数；[S]一许用安全系数；对于一个具体的机械零件而言，两差值[o]-α和S一[s可称为安全裕度。其大小表示零件安全的程度。当计算应力相同时，[]越大，则越安全。当许用应力[相同时，越大，则越安全2.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。材料不同，所取极限应力也不同：Qlim=o单向应力状态塑性材料Tlim=Ts复合应力状态下：按第三或第四强度理论计算当量应力。Clim=Ob单向应力状态下：脆性材料Tlim=Tb复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。3.变应力下的强度计算变应力下的强度时，应取αim=疲劳极限αrv（详见第二章）4.许用安全系数合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。[S]过大，则机器会过于笨重；[S]过小，可能不安全。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；2）材料的均匀性；3）零件的重要性

二、机械零件的强度 1．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。 机械零件的强度准则有两种表示方法： 1）  ≤    = S  lim 2） S ≥ S S＝   lim 式中：  －最大计算应力；   －许用应力；  lim －极限应力； S－计算安全系数； S －许用安全系数； 对于一个具体的机械零件而言，两差值  － 和 S－S 可称为安全裕度。其大小表示零件 安全的程度。 当计算应力  相同时，   越大，则越安全。 当许用应力   相同时，  越大，则越安全。 2．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。材料不同，所取极限应力也 不同：  lim =  s 塑性材料 s  =  lim 复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。  lim =  b 脆性材料 b  = lim 复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。 3．变应力下的强度 计算变应力下的强度时，应取  lim = 疲劳极限  rN （详见第二章） 4．许用安全系数 合理选择许用安全系数是设计中的一项重要工作。 S 过大，则机器会过于笨重； S 过小， 可能不安全。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；2）材料的均匀性；3）零件的重要性。 F 单向应力状态下： 单向应力状态 下：

三、机械零件的表面强度1.表面接触疲劳强度对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为表面接触应力，用表示。的大小用赫兹公式计算，见教材。实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用，脱离啮合时不受应力作用。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：0[o]在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，在零件的表面Q形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳点蚀的危害：1）破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。2）减小零件的有效工作面积。2.表面挤压强度当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用，表示。在挤压应力作用下的强度称为挤压强度，其：强度条件为：a,≤[a,]＊挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。*相互挤压表面上的挤压应力相等。四、机械零件的刚度刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，则有的零件会因为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹性变性会影响所加工工件的精度；刚度条件为：实际变形量≤【许用变形量]式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。＊注意：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度

三、机械零件的表面强度 1．表面接触疲劳强度 对于高副接触的机械零件，理论上是点、线接触，但实际上在载荷作用下材料发生弹性变形 后，理论上的点、线接触变成了很小的面接触，在接触处局部会产生很高的应力，这样的应力称为 表面接触应力，用  H 表示。  H 的大小用赫兹公式计算，见教材。 实际中的高副零件所受的接触应力都是循环变化的，例如齿轮的轮齿，接触啮合时受应力作用， 脱离啮合时不受应力作用。 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 在接触循环应力作用下，首先在金属表面上形成很小的微裂纹，之后裂纹沿着与表面成锐角 的方向发展，当到达一定深度后，又越出零件表面，最后有小片的金属剥落下来，在零件的表面 形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。 点蚀是接触应力作用下的失效形式，属于疲劳破坏。 点蚀的危害： 1） 破坏零件的光滑表面，引起振动和噪音。 2） 减小零件的有效工作面积。 2．表面挤压强度 当两零件之间为面接触时，在载荷作用下表面产生的应力称为挤压应力，用  p 表示。在挤压 应力作用下的强度称为挤压强度，其： 强度条件为：  p ≤［  p ］ ＊挤压应力过大时，接触面将产生“压溃”失效。 ＊相互挤压表面上的挤压应力相等。 四、机械零件的刚度 刚度是指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，则有的零件会因 为产生过大的弹性变形而失效。例如：机床的主轴如产生过大的弹性变性会影响所加工工件的精度； 刚度条件为： 实际变形量≤［许用变形量］ 式中：实际变形量可用相关理论计算或由实验方法确定。 许用变形量是保证正常工作所允许的变形量。 ＊注意： 1）零件材料的弹性模量 E 越大，则其刚度越大。 2）用合金钢的代替碳钢虽能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度

五、振动稳定性准则机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即或f,>1.15ff,<0.85f式中：一一零件的自激振动频率f，一一外力变化的频率六、摩擦学（耐磨性计算）准则在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。为防止产生过大的磨损应满以下条件：p≤ [p]厂压强不超过许用值u≤[u]速度不超过许用值pU≤[pu]压强与速度乘积不超过许用值[本讲作业]思考题1-6、1-7、1-9

五、振动稳定性准则 机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近 或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定 性”。 振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自激振动频率远离外力变化的频率。即 F f ＜0.85f 或 F f ＞1.15 f 式中：f――零件的自激振动频率 F f ――外力变化的频率. 六、摩擦学（耐磨性计算）准则 在滑动摩擦条件下工作的机械零件，常因为过度磨损而失效。影响磨损的因素很多而且比较复 杂，因此，到目前为止对于磨损失效还没有一个完善的计算方法。通常只进行条件性计算，通过限 制影响磨损的主要条件防止产生过大的磨损量。 为防止产生过大的磨损应满以下条件： 压强不超过许用值 p≤［p］ 速度不超过许用值 υ ≤［ υ ］ 压强与速度乘积不超过许用值 p υ ≤［p υ ］ [本讲作业] 思考题 1-6、1-7、1-9