《机械设计原理》课件

《机械设计原理》课程导论课程内容与教学目标课程内容教学目标本课程涵盖机械设计的基本概念、机械零件的标准化与互换性、公差与配合、机械零件的受力分析与强度计算、常用金属与非金属材料、摩擦与润滑、各种机械零件的设计（如螺纹连接、键连接、轴、轴承、联轴器、齿轮传动、带传动、链传动、凸轮机构、弹簧）以及机械系统的动态特性分析考核方式与学习要求考核方式学习要求12本课程的考核方式包括平时学生应认真听讲，积极参与成绩和期末考试两部分平课堂讨论，按时完成作业，时成绩占，主要考察学认真完成实验，努力掌握本30%生的课堂参与度、作业完成课程的核心知识点同时，情况以及实验报告质量期鼓励学生查阅相关资料，拓末考试占，主要考察学宽知识面，提高解决实际问70%生对本课程核心知识点的掌题的能力握程度学习资源机械设计的基本概念定义目的内容机械设计是指根据使用要求，运用机械设计的目的是设计出满足使用机械设计的内容包括总体设计、结科学原理和技术方法，对机械进行要求、性能可靠、经济合理、安全构设计、零件设计、计算、绘图、构思、设计、计算、绘图、制造、环保的机械产品制造工艺设计等试验和改进的过程机械设计的发展历程古代1古代机械设计主要依靠经验和直觉，缺乏理论指导，如水车、风车等近代2近代机械设计随着科学技术的发展，开始运用力学、材料力学等理论进行计算和分析，如蒸汽机、内燃机等现代3现代机械设计广泛应用计算机辅助设计（）、计算机CAD辅助制造（）、计算机辅助工程（）等技术，实CAM CAE现设计、制造和分析的集成化，如数控机床、机器人等机械设计的一般步骤需求分析明确机械产品的功能、性能、可靠性、寿命等要求方案设计根据需求，提出多种可行的设计方案，进行比较和选择详细设计对选定的方案进行详细的结构设计、零件设计和计算制造与试验根据设计图纸进行制造，并进行试验验证设计的合理性机械产品的质量要求功能性可靠性耐久性机械产品应能实现预机械产品应能在规定机械产品应具有较长定的功能，满足使用的时间内，在规定的的使用寿命，能承受要求条件下，完成规定的一定的磨损和老化功能安全性机械产品应安全可靠，不会对操作人员和环境造成危害机械零件的标准化目的2提高机械产品的通用性、互换性、生产效率和经济效益定义标准化是指在一定的范围内，对重1复性的事物制定统一的标准内容包括尺寸标准化、参数标准化、系列标准化、材料标准化、试验方法3标准化等机械零件的互换性完全互换性任何符合标准的零件，都可以装配到同一类型的机械产品上，无需任何选择1或修配不完全互换性2部分零件需要进行选择或修配才能装配到机械产品上定义3指同一规格的零件，可以相互替换使用，而不会影响机械产品的功能和性能公差与配合概述基本尺寸1设计时确定的尺寸极限尺寸2允许尺寸变化的两个界限值公差3允许尺寸变化的范围公差与配合是机械设计中重要的概念，用于控制零件的尺寸精度和配合性质，保证机械产品的装配和使用要求合理的公差与配合设计，可以提高机械产品的互换性和使用寿命表面粗糙度定义影响评定参数指零件表面微观几何形状的偏差，包影响零件的耐磨性、疲劳强度、密封常用评定参数有、、等，Ra RzRy Ra括微小的峰谷和划痕性、配合性质等为轮廓算术平均偏差机械零件的受力分析目的内容12确定零件所受的各种载荷包括确定载荷的类型、大，为强度计算提供依据小、方向和作用位置方法3常用的方法有静力平衡法、动力分析法、有限元分析法等机械零件的强度计算目的内容根据零件的受力情况和材料包括确定零件的危险截面，的强度性能，判断零件是否计算危险截面的应力，并与满足强度要求材料的许用应力进行比较方法常用的方法有解析计算法、数值计算法、实验法等应力的基本概念正应力1垂直于截面的力引起的应力，包括拉应力和压应力剪应力2平行于截面的力引起的应力切应力3又称剪应力，由切向力引起应变的基本概念正应变由正应力引起的变形，包括拉伸应变和压缩应变剪应变由剪应力引起的变形定义指物体在外力作用下产生的变形程度强度理论概述第一强度理论第二强度理论第三强度理论第四强度理论最大拉应力理论，适用于脆最大伸长线应变理论，适用最大切应力理论，适用于塑畸变能理论，适用于塑性材性材料于塑性材料性材料料疲劳强度概述影响因素包括应力幅值、平均应力、零件的表面质量、材料的种类等定义疲劳寿命指零件在交变应力作用下，经过长时指零件在交变应力作用下，从开始到间的工作后发生断裂的现象发生断裂所经历的应力循环次数213接触强度概述定义1指零件在接触面上抵抗局部压溃的能力影响因素2包括接触面的形状、大小、材料的弹性模量和泊松比等应用3常用于齿轮、滚动轴承等零件的设计机械零件的材料选择强度1材料应具有足够的强度，能承受工作载荷刚度2材料应具有足够的刚度，能保证零件的变形在允许范围内耐磨性3材料应具有良好的耐磨性，能抵抗摩擦磨损材料选择是机械设计中重要的环节，应根据零件的工作条件、载荷类型、精度要求、经济性等因素，综合考虑，选择合适的材料常用的材料选择原则包括强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性、工艺性、经济性等常用金属材料及其性能碳钢合金钢铸铁铝合金强度高、塑性好、韧性好通过添加合金元素，可以具有良好的铸造性能、减密度低、强度高、耐腐蚀、易于加工，但耐腐蚀性提高钢的强度、韧性、耐振性能和耐磨性，但强度性好，但价格较高，常用差，常用于制造磨性、耐腐蚀性等，常用和韧性较低，常用于制造于制造航空航天零件সাধা零件于制造重要零件机座、箱体等零件রণ非金属材料及其应用塑料橡胶12具有重量轻、耐腐蚀、易具有良好的弹性、耐磨性于成型等优点，广泛应用和减振性能，常用于制造于制造各种零件密封件、减振垫等陶瓷3具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，常用于制造刀具、轴承等摩擦与润滑基础摩擦润滑目的指两个相互接触的物体，当它们之指在两个相对运动的物体表面之间合理的摩擦与润滑设计，可以提高间存在相对运动或相对运动趋势时，加入润滑剂，以减小摩擦、减少机械产品的效率、寿命和可靠性，在接触面上产生阻碍相对运动的磨损、降低温度、防止腐蚀等现象摩擦的类型与特点滑动摩擦1指两个物体表面之间发生相对滑动时产生的摩擦滚动摩擦2指一个物体在另一个物体表面滚动时产生的摩擦静摩擦3指两个物体表面之间存在相对运动趋势，但尚未发生相对运动时产生的摩擦润滑方式与选择液体润滑指在摩擦表面之间形成一层液体润滑膜，将摩擦表面完全隔开，减小摩擦边界润滑指在摩擦表面之间形成的润滑膜较薄，摩擦表面部分接触，摩擦较大固体润滑指在摩擦表面之间涂覆一层固体润滑剂，减小摩擦气体润滑指在摩擦表面之间形成一层气体润滑膜，减小摩擦螺纹连接的类型螺栓连接螺钉连接双头螺柱连接通过螺栓和螺母将两通过螺钉直接拧入零通过双头螺柱和螺母个或多个零件连接在件上的螺纹孔中，将将两个或多个零件连一起两个或多个零件连接接在一起在一起螺纹连接的计算预紧力计算确定螺纹连接的预紧力，保证连接的可2靠性强度计算计算螺纹连接的拉伸强度、剪切强1度、弯曲强度等防松计算3采取防松措施，防止螺纹连接松动螺栓连接的设计螺栓选型1根据载荷类型、连接强度要求等选择合适的螺栓规格连接结构设计2设计合理的连接结构，保证螺栓的受力均匀预紧力控制3采用合适的预紧力控制方法，保证连接的可靠性键连接与花键连接键连接1通过键将轴和轮毂连接在一起，传递扭矩花键连接2通过花键将轴和轮毂连接在一起，传递扭矩，并能承受较大的载荷键连接和花键连接是常用的轴与轮毂的连接方式，它们能够传递扭矩，实现动力传递键连接结构简单、成本低廉，适用于传递较小扭矩的场合；花键连接承载能力强、定心性好，适用于传递较大扭矩和精度要求较高的场合销连接的应用定位连接安全利用销的准确定位功能，保证零件之利用销的剪切强度，传递较小的载荷作为安全销，防止超载或误操作引起间的相对位置的损坏铆接的基本知识定义特点12指用铆钉将两个或多个零连接可靠、工艺简单、成件连接在一起的方法本低廉，但连接强度较低应用3常用于薄板结构的连接，如飞机、桥梁等焊接的基本知识定义特点指将两个或多个零件通过加连接强度高、密封性好、适热或加压，使其结合在一起应性强，但易产生焊接变形的方法和残余应力类型包括电弧焊、气焊、激光焊、电子束焊等轴的类型与特点转轴1用于支承转动零件，传递扭矩心轴2用于支承转动零件，不传递扭矩传动轴3用于传递动力轴的强度计算弯曲强度计算轴在弯矩作用下的应力扭转强度计算轴在扭矩作用下的应力疲劳强度计算轴在交变应力作用下的疲劳寿命轴的结构设计轴径确定轴肩设计槽的设计根据强度和刚度要求确定轴的直径设计合理的轴肩，用于固定轴上的零设计合理的槽，用于安装键、销等零件件轴承的分类滚动轴承2利用滚动摩擦支承转动轴滑动轴承1利用滑动摩擦支承转动轴特点各有特点，选择时需根据具体工况3进行考虑滑动轴承的设计轴颈材料选择1选择合适的轴颈材料，保证轴颈的耐磨性和承载能力轴承间隙确定2确定合理的轴承间隙，保证轴承的正常工作润滑方式选择3选择合适的润滑方式，保证轴承的润滑良好滚动轴承的选择类型选择1根据载荷类型、转速、精度要求等选择合适的滚动轴承类型尺寸选择2根据载荷大小和寿命要求选择合适的滚动轴承尺寸润滑选择3选择合适的润滑方式，保证滚动轴承的润滑良好滚动轴承的选择是机械设计中重要的环节，需要根据实际工况选择合适的类型和尺寸，并保证良好的润滑，才能保证机械产品的可靠性和寿命滚动轴承具有摩擦系数小、启动转矩小、承载能力强、易于维护等优点，被广泛应用于各种机械设备中联轴器的应用传递动力补偿偏差缓冲减振将两个轴连接在一起，传递动力补偿两个轴之间的不对中和角位移缓冲冲击和减小振动离合器的工作原理接合分离12将主动轴和从动轴连接在将主动轴和从动轴分离，一起，传递动力切断动力传递用途3用于起动、变速、制动等齿轮传动概述定义特点指利用齿轮啮合传递动力和传动效率高、寿命长、结构运动的机械传动紧凑，但制造成本较高类型包括直齿轮传动、斜齿轮传动、螺旋齿轮传动、锥齿轮传动、蜗杆传动等齿轮的几何参数齿数1齿轮上齿的总数模数2齿轮齿距与圆周率的比值压力角3齿轮齿廓上某一点的法线与该点速度方向之间的夹角齿轮的受力分析齿面力齿轮啮合时，齿面之间相互作用的力径向力沿齿轮径向方向作用的力切向力沿齿轮切向方向作用的力齿轮的强度计算齿根弯曲强度齿面接触强度计算齿根弯曲应力，防止齿根断计算齿面接触应力，防止齿面疲裂劳点蚀蜗杆传动特点结构紧凑结构相对紧凑传动比大自锁性可实现较大的传动比具有一定的自锁性213带传动的工作原理摩擦力依靠带与带轮之间的摩擦力传递动力1张紧力2通过张紧装置，保证带与带轮之间的接触压力传递动力3带绕过主动轮和从动轮，将动力从主动轮传递到从动轮带传动的设计计算带的选择1根据传递功率、转速、中心距等选择合适的带类型和规格带轮设计2设计合适的带轮直径和轮槽形状张紧力计算3计算合适的张紧力，保证传动效率和寿命带传动是一种常用的机械传动方式，具有结构简单、成本低廉、传动平稳等优点，但传动效率较低，易打滑带传动的设计计算需要综合考虑带的类型、带轮的设计、张紧力的计算等因素，才能保证传动的可靠性和效率链传动的特点传动效率高适应性强传递功率大传动效率较高，可达以上可在恶劣环境下工作可传递较大的功率95%链传动的设计链的选择链轮设计12根据传递功率、转速、中设计合适的链轮齿数和齿心距等选择合适的链类型形和规格润滑设计3设计合理的润滑方式，保证链的润滑良好凸轮机构概述定义特点指利用凸轮的回转运动或移能实现复杂的运动规律，但动，使从动件实现预定运动易产生冲击和振动规律的机构应用常用于自动机床、内燃机等凸轮的运动规律等速运动1从动件以恒定的速度运动简谐运动2从动件的运动规律符合简谐振动规律摆线运动3从动件的运动规律符合摆线规律凸轮的设计方法确定运动规律绘制凸轮轮廓修正凸轮轮廓根据工作要求，确定从动件的运动根据运动规律，绘制凸轮的理论轮考虑实际情况，对凸轮轮廓进行修规律廓正弹簧的类型与应用螺旋弹簧板弹簧碟形弹簧常用的弹簧类型，包由多片弹簧片叠加而具有较高的刚度和较括压缩弹簧、拉伸弹成，具有较大的承载小的变形量簧和扭转弹簧能力弹簧的设计计算强度计算计算弹簧的强度，防止弹簧失效2刚度计算计算弹簧的刚度，满足弹性变形要1求稳定性计算3计算弹簧的稳定性，防止弹簧失稳机械系统的速度分析瞬时速度1指某一时刻的速度平均速度2指一段时间内的速度平均值相对速度3指一个物体相对于另一个物体的速度机械系统的受力分析静力分析1分析静止状态下的受力情况动力分析2分析运动状态下的受力情况机械系统的受力分析是机械设计中重要的环节，通过受力分析可以确定零件所受的各种载荷，为强度计算提供依据机械系统的受力分析包括静力分析和动力分析，静力分析主要分析静止状态下的受力情况，动力分析主要分析运动状态下的受力情况机械系统的动态特性固有频率阻尼稳定性指系统自由振动的频率指系统内能量损耗的现象指系统抵抗外界干扰，保持原有状态的能力机械振动基础自由振动强迫振动12指系统在外力撤销后，在指系统在外力作用下的振自身弹性力作用下的振动动共振3指系统在外力频率接近固有频率时，振幅急剧增大的现象减振与隔振设计减振隔振指减小振源产生的振动指隔离振源产生的振动，防止其传递到其他部件方法常用的方法有增加阻尼、改变固有频率、采用隔振器等机械防护与安全设计安全防护装置1防止操作人员接触危险部件安全警示标志2提醒操作人员注意安全安全操作规程3指导操作人员安全操作机械的可靠性设计提高零件的可靠性选择可靠性高的零件和材料简化结构简化结构，减少故障点冗余设计采用冗余设计，提高系统的容错能力。