機械原理與機械設計 第十三章 機械零件設計基礎

1、 機械零件的計算準則機械零件的計算準則 摩擦學設計基礎摩擦學設計基礎 機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則 機械零部件的標準化機械零部件的標準化第十三章第十三章 機械零件設計基礎機械零件設計基礎機械零件的失效及其類型機械零件的失效及其類型強度準則強度準則剛度準則剛度準則穩(wěn)定性準則穩(wěn)定性準則耐熱性準則耐熱性準則可靠性準則可靠性準則1.1 機械零件的計算準則機械零件的計算準則 機械零件的計算準則機械零件的計算準則機械零件的失效及其類型機械零件的失效及其類型失效失效零件喪失正常工作能力或達不到設計要求的性能零件喪失正常工作能力或達不到設計要求的性能失效形式失效形式：變形、斷裂、腐蝕、磨損、老化、

2、打滑和松動：變形、斷裂、腐蝕、磨損、老化、打滑和松動等，也有復合型式的失效等，也有復合型式的失效工作能力工作能力機械零件具有足夠的抵抗失效的能力機械零件具有足夠的抵抗失效的能力計算準則計算準則以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的零件工作能力計算依據(jù)的基本原則零件工作能力計算依據(jù)的基本原則因為失效類型不同，所以機械零件的工作能力類型因為失效類型不同，所以機械零件的工作能力類型也不同，故機械零件的計算準則也不同也不同，故機械零件的計算準則也不同 載荷和應力1載荷和應力載荷和應力 、載荷載荷動載荷動載荷：由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷：由于運動中產(chǎn)生的慣

3、性力和沖擊等引起的載荷靜載荷靜載荷變載荷變載荷按是否隨時間變化，載荷按是否隨時間變化，載荷機械零件的計算準則機械零件的計算準則2、應力、應力應力應力靜應力靜應力循環(huán)應力循環(huán)應力2minmaxm2minmaxamax最大應力；最大應力； min最小應力最小應力m平均應力；平均應力； a應力幅值應力幅值r 應力比（循環(huán)特性）應力比（循環(huán)特性）maxminr循環(huán)應力循環(huán)應力載荷和應力3對稱循環(huán)對稱循環(huán)脈動循環(huán)脈動循環(huán)常見的循環(huán)應力常見的循環(huán)應力對稱循環(huán)應力r = -1、 m0脈動循環(huán)應力 r=0、 min0靜應力 r=1靜應力（可看作是循環(huán)應力的一個特例）靜應力（可看作是循環(huán)應力的一個特例）靜應力只

4、在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應力可由變載荷產(chǎn)生，也可靜應力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應力可由變載荷產(chǎn)生，也可 由靜載荷產(chǎn)生。由靜載荷產(chǎn)生。機械零件的計算準則機械零件的計算準則強度準則強度：強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。 強度條件有兩種表示方法：強度條件有兩種表示方法：1 1） 用應力表示：用應力表示： Slim2 2）用安全系數(shù)表示：）用安全系數(shù)表示：SSlimS式中：式中：計算最大應力計算最大應力lim極限應力極限應力計算安全系數(shù)計算安全系數(shù)SS許用應力許用應力許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)注：對于切應力，只須將上述各公式中的

5、注：對于切應力，只須將上述各公式中的 換成換成 即可。即可。機械零件的計算準則機械零件的計算準則強度準則強度準則靜應力下的強度一、靜強度一、靜強度 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。材料種類不同，所取極限應力也不同。斷裂。材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料塑性材料 單向應力狀態(tài)下：單向應力狀態(tài)下： slimslim，復合應力狀態(tài)下復合應力狀態(tài)下： 按第三或第四強度理論計算當量應力。按第三或第四強度理論計算當量應力。 脆性材料脆性材料 單向應力狀態(tài)下：單向應力狀態(tài)下： ，blimblim復合應力狀態(tài)下：復合應力狀態(tài)下

6、： 按第一強度理論計算當量應力。按第一強度理論計算當量應力。 l對于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），對于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計算靜強度時，可不考慮應力集中的影響。在計算靜強度時，可不考慮應力集中的影響。l對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應考慮應力集中的影響。靜強度時，應考慮應力集中的影響。機械零件的計算準則機械零件的計算準則擠壓強度擠壓強度擠壓應力：擠壓應力：兩零件之間為面接觸時，在載荷作用兩零件之間為面接觸時，在載荷作用下，接觸表面上產(chǎn)生的應力，用下，接觸表面上產(chǎn)生的應力，用 表示。表示。 p擠壓

7、強度：擠壓強度：在擠壓應力作用下的強度。其強度條件為：在擠壓應力作用下的強度。其強度條件為： pp 擠壓應力作用下，接觸面的失效形式是擠壓應力作用下，接觸面的失效形式是“壓潰壓潰” 。相互擠壓表面上的擠壓應力相等。相互擠壓表面上的擠壓應力相等。機械零件的計算準則機械零件的計算準則接觸強度二、疲勞強度二、疲勞強度機械零件的計算準則機械零件的計算準則疲勞：疲勞：機械零件在循環(huán)應力的作用下的失效形式機械零件在循環(huán)應力的作用下的失效形式設計方法：設計方法：標稱應力法、局部應力應變法、損傷容限設計標稱應力法、局部應力應變法、損傷容限設計法和概率疲勞設計法法和概率疲勞設計法 疲勞極限：疲勞極限：應力比為應

8、力比為r r的應力循環(huán)作用的應力循環(huán)作用N N次后，材料不發(fā)次后，材料不發(fā)生疲勞的最大應力生疲勞的最大應力疲勞壽命（疲勞壽命（N N）: :材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N N 疲勞曲線疲勞曲線： 應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線機械零件的計算準則機械零件的計算準則無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)0NN 對稱循環(huán)對稱循環(huán)：脈動循環(huán)脈動循環(huán)：01當當N10N103 3(10(104 4) )高周循環(huán)疲勞高周循環(huán)疲勞當時隨循環(huán)次數(shù)當時隨循環(huán)次數(shù)疲勞極限疲勞極限疲勞曲線方程疲勞曲線方

9、程)10(10(043NN 有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 當當N10N2%2%特點：特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應用：應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。機械零件常用材料機械零件常用材料機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則-含碳量含碳量2%2%(1)(1)鑄鋼鑄鋼 鑄鋼主要用于制造承受重載、形狀復雜的大鑄鋼主要用于制造承受重載、形狀復雜的大型零件。型零件。特點：特點：鑄鋼的力學性能

10、接近變形鋼，與灰鑄鐵比較，鑄鋼的力學性能接近變形鋼，與灰鑄鐵比較，其減振性較差，熔點較高，鑄造收縮率較大，容易其減振性較差，熔點較高，鑄造收縮率較大，容易出現(xiàn)氣孔，故鑄造性不如鑄鐵。出現(xiàn)氣孔，故鑄造性不如鑄鐵。(2)(2)變形鋼變形鋼 碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、合金結碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、工具鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼等。構鋼、彈簧鋼、工具鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼等。是是機械零件應用最廣泛的材料機械零件應用最廣泛的材料機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則二、非鐵金屬材料二、非鐵金屬材料 特點特點：如減摩性、耐蝕性、耐熱性、導電性等。：如減摩性、耐蝕性、

11、耐熱性、導電性等。應用：應用：在一般機械制造中，可用它們作承載、耐磨、減摩在一般機械制造中，可用它們作承載、耐磨、減摩和耐蝕材料，也用做裝飾材料。機械制造采用的非鐵金屬和耐蝕材料，也用做裝飾材料。機械制造采用的非鐵金屬材料有：銅合金、鋁合金、鈦合金和軸承合金材料有：銅合金、鋁合金、鈦合金和軸承合金三、粉末冶金材料三、粉末冶金材料按材質(zhì)分：鐵基、銅基、鎳基、不銹鋼基、鈦基和鋁基粉按材質(zhì)分：鐵基、銅基、鎳基、不銹鋼基、鈦基和鋁基粉末冶金材料。末冶金材料。按用途分：按用途分：結構材料、減摩材料、摩擦材料、多孔材料結構材料、減摩材料、摩擦材料、多孔材料。1 1粉末冶金結構材料粉末冶金結構材料具有高強度

12、、高硬度和韌性好等特點，并有良好的耐蝕、具有高強度、高硬度和韌性好等特點，并有良好的耐蝕、密封性和耐磨性。主要用于傳動齒輪、汽車和冰箱壓縮機密封性和耐磨性。主要用于傳動齒輪、汽車和冰箱壓縮機零件等。零件等。2 2粉末冶金減摩材料粉末冶金減摩材料承載能力高，摩擦因數(shù)低，具有良好的自潤滑性、耐高溫承載能力高，摩擦因數(shù)低，具有良好的自潤滑性、耐高溫性和耐磨性。摩擦時不傷配副件，噪聲較低。主要用于制性和耐磨性。摩擦時不傷配副件，噪聲較低。主要用于制作軸承、含油軸承等。作軸承、含油軸承等。機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則3 3粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料摩擦因數(shù)大而穩(wěn)定，耐短時高溫，耐磨，導

13、熱性好，摩擦因數(shù)大而穩(wěn)定，耐短時高溫，耐磨，導熱性好，抗膠合能力強，摩擦時不傷配副件，主要用于制作離合器抗膠合能力強，摩擦時不傷配副件，主要用于制作離合器片、制動器片等。片、制動器片等。4 4粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料綜合性能優(yōu)良，對孔隙的形態(tài)、大小、分布及孔隙度綜合性能優(yōu)良，對孔隙的形態(tài)、大小、分布及孔隙度均可控制。主要用來制作過濾，減振和消音元件，均可控制。主要用來制作過濾，減振和消音元件，以及催化、催化、止火、電極、熱交換和人造骨等制品。止火、電極、熱交換和人造骨等制品。機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則四、四、 有機高分子材料有機高分子材料 1 1工程塑料工程塑料密度小、容

14、易加工，可用注塑成型法制成各種形狀復密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各種形狀復雜、尺寸精確的零件。但是導熱性差。通常用工程塑料作雜、尺寸精確的零件。但是導熱性差。通常用工程塑料作減摩、耐蝕、耐磨、絕緣、密封和減振材料。塑料分為熱減摩、耐蝕、耐磨、絕緣、密封和減振材料。塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料。塑性塑料和熱固性塑料。 2 2橡膠橡膠橡膠分為橡膠分為天然橡膠和合成橡膠天然橡膠和合成橡膠兩大類兩大類特點：特點：彈性高、彈性模量低。在機械制造中橡膠主要用作彈性高、彈性模量低。在機械制造中橡膠主要用作密封、減振元件密封、減振元件, ,傳動帶傳動帶, ,輪胎等。輪胎等。機械零件材料選用原則機械零

15、件材料選用原則五、無機非金屬材料五、無機非金屬材料結構陶瓷結構陶瓷 有氧化物、氮化物、碳化物、硼化有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗氧物陶瓷等。具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、難加工等特性，用來制造軸承、模具、活化、難加工等特性，用來制造軸承、模具、活塞環(huán)、氣閥座、密封件、挺桿等零件。塞環(huán)、氣閥座、密封件、挺桿等零件。功能陶瓷功能陶瓷 電功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能電功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶瓷，生物和化學功能陶瓷等。它們都是為某陶瓷，生物和化學功能陶瓷等。它們都是為某一特殊功能要求而采用的材料一特殊功能要求而采用的材料。. .工程陶瓷工程陶瓷 2 2炭

16、石墨材料炭石墨材料 強度不高，但密度低、耐高溫、耐化學腐蝕、有自潤強度不高，但密度低、耐高溫、耐化學腐蝕、有自潤滑性，在機械工業(yè)中廣泛用作密封圈、活塞環(huán)、軸承、電滑性，在機械工業(yè)中廣泛用作密封圈、活塞環(huán)、軸承、電刷、熱交換器等。刷、熱交換器等。3 3聚合物混凝土聚合物混凝土 是用高分子樹脂代替水泥作粘合劑的混凝土。是用高分子樹脂代替水泥作粘合劑的混凝土。特點：特點：具有高的強度，良好的抗化學藥品腐蝕的性能具有高的強度，良好的抗化學藥品腐蝕的性能( (優(yōu)優(yōu)于不銹鋼于不銹鋼) )，減振和消聲能力是灰鑄鐵的，減振和消聲能力是灰鑄鐵的7 7倍，具有良好的倍，具有良好的耐磨性和電絕緣性。耐磨性和電絕緣性

17、。這種材料是金屬加工機床底座的理想材料這種材料是金屬加工機床底座的理想材料機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則六、六、 復合材料復合材料復合材料是由兩種或兩種以上材料，即基體材料和增強材料復合材料是由兩種或兩種以上材料，即基體材料和增強材料復合而成的一類多相材料。復合而成的一類多相材料。l根據(jù)基體材料來分：金屬基、聚合物基和陶瓷基復合材料；根據(jù)基體材料來分：金屬基、聚合物基和陶瓷基復合材料；l根據(jù)增強材料形狀分：有顆粒復合材料、纖維復合材料和層迭根據(jù)增強材料形狀分：有顆粒復合材料、纖維復合材料和層迭復合材料；復合材料；l根據(jù)使用目的分：有結構復合材料和功能復合材料。根據(jù)使用目的分：有結構復

18、合材料和功能復合材料。特點特點：la. a. 比強度和比模量高。比強度高的材料能承受高的應力；比比強度和比模量高。比強度高的材料能承受高的應力；比模量高象征材料輕而剛度大；模量高象征材料輕而剛度大；lb. b. 抗疲勞性能好?？蛊谛阅芎谩c. c. 減振性能好。材料內(nèi)大量界面對振動有反射吸收作用。減振性能好。材料內(nèi)大量界面對振動有反射吸收作用。ld. d. 高溫性能好。高溫性能好。機械零件材料選用原則機械零件材料選用原則載荷及應力的大小和性質(zhì)載荷及應力的大小和性質(zhì) 零件的工作情況零件的工作情況 零件的結構及加工性零件的結構及加工性 材料的經(jīng)濟性材料的經(jīng)濟性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量

19、 材料選用原則材料選用原則 適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設計適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復雜的工作。設計者應根據(jù)是一項受多方面因素所制約的復雜的工作。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。 選材的一般原則選材的一般原則 通用化通用化系列化系列化組合化組合化1. 機械零部件的標準化機械零部件的標準化 標準

20、標準是對科學技術和經(jīng)濟領域中某些多次重復的事物給是對科學技術和經(jīng)濟領域中某些多次重復的事物給予公認的統(tǒng)一規(guī)定。予公認的統(tǒng)一規(guī)定。標準化標準化就是制訂、貫徹和推廣應用標準的過程。就是制訂、貫徹和推廣應用標準的過程。機械產(chǎn)品標準化的主要內(nèi)容和形式是機械產(chǎn)品標準化的主要內(nèi)容和形式是通用化、系列化和通用化、系列化和組合化組合化( (模塊化模塊化) )。 最大限度地擴大同一零部件使用范圍的一種標準化形式。最大限度地擴大同一零部件使用范圍的一種標準化形式。它是以互換性為前提的，統(tǒng)一具有相同或相似功能和結構它是以互換性為前提的，統(tǒng)一具有相同或相似功能和結構的零部件，以擴大零部件的制造批量和重復使用范圍，減的零部件，以擴大零部件的制造批量和重復使用范圍，減少設計和制造中的勞動量，保證結構、質(zhì)量的穩(wěn)定性，并少設計和制造中的勞動量，保證結構、質(zhì)量的穩(wěn)定性，并便于組織專業(yè)化生產(chǎn)和協(xié)作，以降低生產(chǎn)成本。便于組織專業(yè)化生產(chǎn)和協(xié)作，以降低生產(chǎn)成本。緊固件、滾動軸承等是通用化程度最高的零件之一緊固件、滾動軸承等是通用化程度最高的零件之一。通用化通用化機械零部件的標準機械零部件的標準