第2章 机械设计总论 §1－1 机器的组成及典型机械介绍 §1－2 机械零件的计算准则 §1－3 机械零件的材料及选用

§1－1 机器的组成及典型机械介绍 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； 机械控制式 电气控制式 §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； 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。

自动洗衣机的组成： 上盖 进水口 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

自动洗衣机的工作原理： 洗涤： 脱水： 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。 洗衣机系统简图 带传动 脱水桶 波轮 自动洗衣机的工作原理： A B 洗涤： 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。 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。

典型机械实例： ２．减速器 潘存云教授研制

典型机械实例： ３．工业机器人

典型机械实例： ３．工业机器人 潘存云教授研制

典型机械实例： ３．工业机器人 潘存云教授研制

典型机械实例： ３．工业机器人 潘存云教授研制

典型机械实例： ３．工业机器人 潘存云教授研制

操作手 工业机器人的组成 控制系统 示教盒（编程器） 示教盒用于输入控制命令或控制程序。 控制系统用于控制操作机各关节内伺服电机的运动。 潘存云教授研制 示教盒（编程器） 潘存云教授研制 示教盒用于输入控制命令或控制程序。 控制系统用于控制操作机各关节内伺服电机的运动。 操作手在控制系统的指挥下，完成各种复杂的作业。

机 器 典型机械实例： 润滑、显示、照明等辅助系统 原动机 传动装置 执行机构 控 制 系 统 ２．减速器； ３．工业机器人 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： 机 器 润滑、显示、照明等辅助系统 原动机 传动装置 执行机构 控　制　系　统 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。

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。 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。 设计机器的一般程序 对机器的主要要求 ……… 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 教材P5表2-1

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

国外机械龙头企业： 美国卡特彼勒公司成立于1925年，是世界上最大的工程机械和矿山设备生产厂家、燃气发动机和工业用燃气轮机生产厂家之一，也是世界上最大的柴油机厂家之一。 沃尔沃集团成立于1927年，是世界最大的卡车、客车及建筑设备的生产商之一，在海洋及工业能源系统方面和飞机发动机元件领域占有领先地位。 JCB拥有挖掘装载机(BackhoeLoader，俗称“两头忙”)、伸缩臂式叉装机、履带式和轮式挖掘机、轮式装载机、工地叉车、滑移式装载机、小型挖掘机、自卸车、高速拖拉机等300多个产品系列。 小松工程机械有限公司工程机械、特种工程机械、进口工程机械、地下工程机械、产业机械

石油机械：北石、兰石、宝石、江汉四机、南阳二机、胜利高原、山东墨龙、德州联合、江苏金石、天津奥凯、牡丹江…… 国内机械行业强大的股份公司： 沪东重机（船用柴油机） 、风帆股份（保定）、 三一重工（长沙）、太原重工、徐工科技、 经纬纺机（北京）、石油济柴（济南）、柳工机械 江钻股份（武汉）、中核科技（苏阀）、 秦川发展（秦川机床）天地科技（北京煤业）… 石油机械：北石、兰石、宝石、江汉四机、南阳二机、胜利高原、山东墨龙、德州联合、江苏金石、天津奥凯、牡丹江……

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

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）。

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

方案设计： 原动机： 工作机： 中间传动机构： 需要解决的问题 选用交流电动机，满载转速1450r/min， 工作频率80次/min ①旋转运动变换为直线运动 ②高速运动变换为低速运动 ③连续运动变换为往复运动

旋转运动变换为直线运动 可选择的运动变换技术方案： 1.曲柄滑块 2.齿轮齿条 3.凸轮顶杆 4.螺旋传动 ……

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

曲柄压力机传动原理图

结构设计: 仅以连杆部件为例讨论结构设计问题 结构设计: 仅以连杆部件为例讨论结构设计问题

结构设计: 连杆部件

结构设计: 连杆部件

结构设计: 连杆部件

结构设计: 连杆部件

§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。 注意： §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、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） 注意： 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。

机械零件失效实例： 齿轮轮齿折断 轮齿塑性变形 轴瓦磨损 轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形 齿面接触疲劳点蚀 潘存云教授研制 潘存云教授研制

一、几个名词： 2）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。 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） 2）工作能力： 即机械零件在一定条件下抵抗失效的能力。 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： 为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。 （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）。

为了防止机械零件在工作中产生失效，设计 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： 为了防止机械零件在工作中产生失效，设计 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： 载荷和应力1 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）

为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算。机械零件的设计准则大体有： 载荷和应力1 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

二、载荷和应力 1 载荷 静载荷 按是否随时间变化，载荷分为： 变载荷 按是否考虑动载荷的影响，载荷分为： 1 载荷 静载荷 按是否随时间变化，载荷分为： 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。

2 应力 变应力 变应力 静应力 应力分为 smax─最大应力； smin─最小应力 sm─平均应力； sa─应力幅值 2 应力 载荷和应力2 静应力 应力分为 变应力 变应力 smax─最大应力； smin─最小应力 sm─平均应力； sa─应力幅值 r ─应力比（循环特性） 应力与外载荷、零件的截面形状有关 强度与材料本身的机械性能有关，而与外载荷、截面形状等无关。 强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。

 静应力 应力 o t 稳定循环变应力 变应力 非稳定循环变应力 脉动循环应力 对称循环应力 非对称循环应力 规律性非稳定循环变应力 随机性非稳定循环变应力

 静应力 应力 o t 稳定循环变应力 变应力 非稳定循环变应力 规律性 随机性 脉动循环应力 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 规律性 随机性 周期 尖峰应力

最大应力： 最小应力： 应力幅： 平均应力： 循环特性（应力比）： 脉动循环应力： 静应力： 非对称循环应力： 对称循环应力：

静应力（可看作是循环应力的一个特例） 对称循环应力 r = -1、 sm＝0 脉动循环应力 r=0、 smin＝0 静应力 r=1 　脉动循环应力 r=0、 smin＝0 静应力 r=1 注：静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。 （承受静载荷的回转运动或周期运动的零件将产生变应力） 名义应力：根据名义载荷求得的应力 另外，应力还分为 计算应力：根据计算载荷求得的应力

三、强度准则 1） 用应力表示： 2）用安全系数表示： 强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 强度条件有两种表示方法： ≤ ＝ 2）用安全系数表示： ≥ 式中： —计算最大应力 —极限应力 —计算安全系数 —许用应力 —许用安全系数 注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。

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。 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。 单向应力状态： ， 塑性材料 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： 按第一强度理论计算当量应力。 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。

计算变应力下的强度时，应取 疲劳极限 （详见第三章）。 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 疲劳极限 （详见第三章）。 3 许用安全系数 过大，则机器会过于笨重；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。 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。

4 表面接触疲劳强度 接触强度2 对于高副零件，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，公式见教材 P35。

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： ≤ 接触循环应力作用下的失效形式是：疲劳点蚀（简称点蚀）。 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。

5 表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面 上产生的应力称为挤压应力，用 表示。 5 表面挤压强度 两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面 上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： ≤［ ］ 挤压应力作用下，接触面的失效形式是－“压溃” 。 注：相互挤压表面上的挤压应力相等。

四、刚度准则 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，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 挤压强度及刚度准则 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，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度。 刚度条件： 实际变形量 y ≤许用变形量 ［y］ 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［y］－－是保证正常工作所允许的变形量。 注：1）零件材料的弹性模量E越大，则其刚度越大。 2）用合金钢代替碳钢能提高零件的强度，但不能提高零件的刚度。

五、振动稳定性准则 刚度准则及振动稳定性 当作用在零件上的周期性外力的变化频率与零件的自激振动频率（固有频率）接近或者相等时，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：使零件的自激振动频率f 远离外力变化 的频率 。 即 ＜0.85f 或 ＞1.15f 改善振动稳定性的方法： 改变零件或系统的刚性，改变支承位置，增加或减少辅助支承等来改变 f ； 隔离激振源、采用阻尼以减小受激振动零件的振幅等。

六、寿命准则 七、可靠性准则 失效率曲线 （浴盆曲线） 影响寿命的主要因素——腐蚀、磨损、疲劳； 目前腐蚀、磨损寿命的计算方法尚不成熟。关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限或额定载荷来作为依据，下节再做介绍。 七、可靠性准则 可靠度 R 工作时间 t 失效率 失效率曲线 （浴盆曲线）

八、摩擦学准则 （耐磨性计算） 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因素防止产生过大的磨损量。 即 压强不超过许用值 p ≤［ p ］ 速度不超过许用值 ≤［ V ］ 压强与速度乘积不超过许用值 p ≤［p ］ 注：限制 p 值就是间接的限制因摩擦而产生的热量，防止温度过高。

§1－3 机械零件的材料及选用 “机械零件的材料及其选用”在工程材料中已学过，本节要求大家自学。 P17-19 §1－3 机械零件的材料及选用 “机械零件的材料及其选用”在工程材料中已学过，本节要求大家自学。 P17-19 耐磨性计算 了解机械零件常用材料及其力学性能； 机械零件材料选择的原则及其应用： ▲载荷及应力的大小和性质 ▲零件的工作情况 ▲零件的结构及加工性 ▲材料的经济性 ▲零件的尺寸及重量 选材的一般原则

铸铁 钢 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500-5) 低碳钢 (08F) 中碳钢 (45) 高碳钢 (60) 合金钢 (1Cr18） …… 黑色金属 钢 金属材料 铸铁 灰铸铁 (TH300) 球墨铸铁(QT500-5) 有色金属 铝合金 (LY12) 铜合金 (ZCuSn10P1) 高分子材料 塑料 橡胶 合成纤维 陶瓷材料 高温结构陶瓷 刀具结构陶瓷 复合材料

类 别 牌 号 强度极限σB 屈服极限σS 延伸率% mm 表1 常用钢铁材料的牌号及力学性能 材 料 力 学 性 能 试件尺寸 类 别 牌 号 强度极限σB 屈服极限σS 延伸率% mm Q215 335～410 215 31 碳素 结构钢 Q235 375～460 235 26 d≤ 16 Q275 490～610 275 20 20 410 245 25 优质碳素结构钢 35 530 315 20 d≤ 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d≤ 25 合金 40Cr 981 785 9 d≤ 25 20CrMnTi 1079 834 10 d≤ 15 60Mn 981 785 8 d≤ 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d≤100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 　　　　 —　　 　 — 灰铸铁 HT200 195 —　　 　 — HT250 240 —　　 　 — 壁厚 10～20 QT400-15 400 250 15 球墨铸铁 QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 30～200

表２ 常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 1 表２　常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 热轧圆刚 碳素结构钢Q235 （φ 33~42） 1 铸 件 优质碳素钢 （φ 29~50） 1.5~1.8 合金结构钢（φ 29~50） 1.7~2.5 滚动轴承钢（φ 29~50） 3 合金工具钢（φ 29~50） 3~20 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50） 5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件 8~10

判断下面的说法是否正确： 脆性材料适于制造在静载荷下工作的零件； 不锈钢、铜合金具有良好的防锈和耐腐蚀能力，可以作为在湿热环境下工作的零件的材料； 请问某单位需要一单件箱体，设计人员考虑到铸铁比刚板价廉于是预采用铸铁材料进行铸造加工，合适吗？ （铸模费用高，用钢板焊接较有利）

标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 代号为 ISO GB JB、HB QB “机械零件设计中的标准化” P19-20 耐磨性计算 什么是零件的标准化？标准化的优越性体现在那几个方面？有哪些标准等级？GB和GB/T有什么不同？ 标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准 代号为　 ISO　　　　GB　　 JB、HB　　　QB 推荐性标准（GB/T） ——鼓励企业自愿采用。 标准性质 强制标准（GB） ——必须强制执行； GB ××××(为标准序号) －××××(为批准年代) ， 强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。 GB／T ××××－××××，推荐性国家标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。

国际标准 ISO ，代表140个国家的标准化组织； 石油天然气行业标准 SY 美国石油学会标准 API American Petroleum Institute 美国机械工程师学会标准 ASME The American Society of Mechanical Engineers 锅炉及压力容器规范被世界许多国家参照或直接采用。

机械现代设计方法简介 ▲静态的 动态的 ——如机器结构动力学计算 ▲定性的 定量的 ——如有限元计算 ▲确定量 随机量 ——如可靠性设计 ▲静态的 动态的 ——如机器结构动力学计算　 ▲定性的 定量的 ——如有限元计算　 ▲确定量 随机量 ——如可靠性设计　 ▲可行性设计 优化设计 ——如优化设计　 ▲串行设计 并行设计 ——如并行设计　 ▲宏观的 微观的 ——如微纳米摩擦学设计　 ▲分部处理法 系统工程法 ——如系统工程　 ▲人工设计 自动化设计 ——如计算机辅助设计　 CAD、优化设计、可靠性设计、并行设计、虚拟产品设计、参数化设计、智能设计、绿色设计……

机械设计的新发展 精密微型 CAD CAE 虚拟设计 工业设计