第1章機械零件設(shè)計概論

§1.1

機械、機器、機構(gòu)及其組成§1.2本課程的內(nèi)容、性質(zhì)的任務(wù)§1.3機械設(shè)計的基本要求和設(shè)計

過程§1.4機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則§1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力§1.6

機械零件的材料的選用原則§1.7機械設(shè)計的新發(fā)展第一章概論1.1機械、機器、機構(gòu)及組成機械：機器與機構(gòu)的總稱

機器：是能執(zhí)行機械運動并被用來變換或傳遞能量、物料與信息的裝置。由動部分、傳動部分、執(zhí)行部分組成。零件：是機器最基本的組成要素，是制造的最小單元。構(gòu)件：機器中最小的運動單元。構(gòu)件可以是一個零件，可能是多個零件連接在一起組成。

輔助系統(tǒng)（潤滑、顯示、照明......)控制系統(tǒng)動力部分傳動部分執(zhí)行部分

機構(gòu)只能變換或傳遞運動和力，而機器除能變換或傳遞運動和力之個，還具有變換或傳遞能量、物料和信息的功能。1.1機械、機器、機構(gòu)及組成運動角度:由若干個可以相對運動的構(gòu)件組裝而成的。結(jié)構(gòu)角度:由機構(gòu)組成的，而機構(gòu)則是由一些能相對獨立運動的構(gòu)件組成的。機器制造角度:由若干個機械零件裝配面成的。氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪91.2

本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)研究內(nèi)容和要求研究內(nèi)容：工作原理、失效形式、常用材料、工作能力計算、參數(shù)選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計。

基本要求：掌握：零、部件的工作原理和特點；選用或計算方法；結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用、維護知識。學(xué)會：分析零件的失效原因，提出改進措施；運用手冊、

標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范(某產(chǎn)品的要求、規(guī)定)等有關(guān)資料。具有：設(shè)計(或改進)通用零件或簡單傳動裝置的能力。

1.3

機械設(shè)計的基本要求和設(shè)計過程一、機械設(shè)計的基本要求

在完成規(guī)定功能的前提下，力求性能好、效率高、成本低，在規(guī)定使用期內(nèi)，做到安全可靠、操作方便、維護簡單和造型美觀。1、運動學(xué)和動力學(xué)方面的要求2、工作可靠性方面的要求3、經(jīng)濟性方面的要求4、操作方便、安全性和環(huán)境保護方面的要求1.3

機械設(shè)計的基本要求和設(shè)計過程二、機械的一般設(shè)計過程

1、計劃階段2、方案設(shè)計階段3、總體技術(shù)設(shè)計階段4、零件技術(shù)設(shè)計階段5、改進設(shè)計階段調(diào)查研究方案構(gòu)思獲取設(shè)計任務(wù)書研究方案評價獲原理性設(shè)計方案獲總體結(jié)構(gòu)草圖總體設(shè)計零件設(shè)計獲總裝配圖和零件圖樣機試制綜合評價獲各種上設(shè)計技術(shù)文件總體設(shè)計零件設(shè)計計劃階段方案設(shè)計階段技術(shù)設(shè)計階段改進設(shè)計階段一、機械零件的工作能力

失效：工

作

能

力：承

載

能

力：1.4機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則機械零件由于某種原因不能正常工作。不失效前提下，零件能安全工作的限度。以載荷衡量零件工作能力時，零件所能承受的最大載荷二、零件的失效1）零件失效的形式：

2)衡量零件工作能力的指標(biāo)：強度、剛度、抗磨性、耐熱性、振動穩(wěn)定性零件斷裂或發(fā)生塑性變形零件工作表面出現(xiàn)疲勞破壞或過度磨損零件的彈性變形過大零件發(fā)生強烈振動1.4

機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則三、機械零件的計算準(zhǔn)則強度計算準(zhǔn)則(整體強度和表面強度)：剛度計算準(zhǔn)則；抗磨性計算準(zhǔn)則：耐熱性計算準(zhǔn)則：振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

防止失效的判定條件（計算準(zhǔn)則):

計算量<許用量1.4

機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:p≤

[p]

[p]由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定相對運動速度較高時，還應(yīng)考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量

fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將

pv值與許用的

[pv]值進行比較。即:pv≤

[pv]1.4

機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則磨損—運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。耐磨性—零件抗磨損的能力。

磨損↑→間隙↑、精度↓、效率↓、振動↑、沖擊↑、噪音↑據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。

磨損的主要類型：1)磨粒磨損2)粘著磨損(膠合磨損)在滾動或兼有滑動和滾動的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或疲勞點蝕。在摩擦過程申，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損，稱為腐蝕磨硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗洌谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴(yán)重時摩擦表面能相互咬死。3)疲勞磨損(疲勞點蝕)4)腐蝕磨損1.4

機械零件的工作能力及其計算準(zhǔn)則1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力一、應(yīng)力的種類otσσ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σm靜應(yīng)力:

=常數(shù)變應(yīng)力:

隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環(huán)變應(yīng)力otσ變應(yīng)力的循環(huán)特性:σmaxσminσaσa對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1otσ----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力

-1=

0+1----靜應(yīng)力otσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力載荷系數(shù)

---考慮各種附加載荷因素的影響。記為:K。名義載荷

---在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。計算載荷

---載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計算應(yīng)力

---按計算載荷計算所得之應(yīng)力：名義應(yīng)力

---按名義載荷計算所得之應(yīng)力。二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力，

[]、[]----許用應(yīng)力；S----安全系數(shù)；

lim、

lim

----極限應(yīng)力，由實驗方法測定。在機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入1.5機械零件的強度二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料：取屈服極限

S作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力脆性材料：取強度極限

b

作為極限應(yīng)力，許用應(yīng)力三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的損壞形式：疲勞斷裂。疲勞斷裂特征如下：

1）疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強度極限b低，甚至比屈服極限S還低。2）疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3）疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。

若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑。失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。應(yīng)力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線當(dāng)N>N0

時，試件將不會斷裂。N0

---循環(huán)基數(shù)N0對應(yīng)的應(yīng)力稱為：對應(yīng)于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。當(dāng)N<N0

時，有近似公式：1.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力2、許用應(yīng)力

在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力：

σ0—材料的脈動循環(huán)疲勞極限；S—安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：四、安全系數(shù)

安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1)靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2~1.5

鑄鋼件：S=1.5~2.5S↑典型機械的

S可查表求得。無表可查時，原則如下：→

零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→

可能不安全。2)靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3~43)變應(yīng)力下，

S=1.3~1.7

材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7~2.51.5機械零件的載荷、應(yīng)力和許用應(yīng)力1.6機械制造常用材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1、鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵2、鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼鑄鐵常金材用屬料鋼銅合金---含碳量>2%---含碳量≤

2%鐵碳合金特點：良好的液態(tài)流動性、可鑄造成形狀復(fù)雜的零件、較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。1.6機械制造常用材料及其選擇選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。

常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓剛

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件

1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應(yīng)充分

我國資源豐富

1.6機械制造常用材料及其選擇3、銅合金—銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：良好的塑性和液態(tài)流動性；良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類：青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）—含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1、橡膠

橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。

1.6機械制造常用材料及其選擇2、塑料

塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件；不同塑料具有不同特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等；近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

3、其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設(shè)計機械零件時，選擇合適的材料是一項復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟問題設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學(xué)、機械工藝性能、經(jīng)濟性零件材料各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。1.6機械制造常用材料及其選擇

常用鋼鐵材料的牌號及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類別牌號強度極限σB

屈服極限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結(jié)構(gòu)鋼

40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚

10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚

30~2001.7機械設(shè)計的新發(fā)展優(yōu)化設(shè)計可靠性設(shè)計智能設(shè)計穩(wěn)健設(shè)計并行設(shè)計虛擬設(shè)計綠色設(shè)計1.1教學(xué)基本要求

1.弄清機器與機構(gòu)、構(gòu)件與零件的概念，了解它們的區(qū)別和聯(lián)系。

2.明確機械的基本設(shè)計要求；初步理解機械零件的主要失效形式以及強度、剛度、抗磨性、耐熱性、振動穩(wěn)定性等工作能力計算準(zhǔn)則。

3.能正確判斷零件中應(yīng)力的循環(huán)特性，了解疲勞斷裂和疲勞點蝕的產(chǎn)生機理和影響因素。

4.了解機械設(shè)計常用材料的選用原則。1.2重點與難點分析

本章的重點是機器與機構(gòu)、構(gòu)件與零件的概念以及機械零件的工作能力計算準(zhǔn)則，難點是變應(yīng)力下許用應(yīng)力的確定。

1.零件零件是機器最基本的組成要素，它是加工制造時的最小單元。

2.構(gòu)件構(gòu)件是機器中最小的運動單元。構(gòu)件可以是單個零件，但是由于結(jié)構(gòu)和工藝上的需要，常常將幾個零件固定聯(lián)接在一起，組成一個構(gòu)件。機器中各構(gòu)件之間會產(chǎn)生相對運動，但同一構(gòu)件上的零件之間無相對運動。

3.機構(gòu)機構(gòu)是能變換或傳遞運動與動力的、用可動聯(lián)接組合而成、而且有一個構(gòu)件被固定的構(gòu)件系統(tǒng)。機構(gòu)作為一個構(gòu)件系統(tǒng)，用來傳遞運動和力。4.機器機器是能執(zhí)行機械運動、并用來變換或傳遞能量、物料與信息的裝置。一部機器可以是單個機構(gòu)，但是大多數(shù)機器由多個機構(gòu)組成。例如鼓風(fēng)機和動機只包含一個機構(gòu)，而內(nèi)燃機則包含曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等多個機構(gòu)。除構(gòu)件系統(tǒng)之外，機器還可能含有電氣、液壓、氣壓、光學(xué)等其他系統(tǒng)，因此機器除傳遞運動和力之外，還具有變換或傳遞能量、物料與信息的功能。

5.機械由于機器的主體是由機構(gòu)組成的，在研究構(gòu)件的運動和受力情況時，機器與機構(gòu)之間并無區(qū)別，因此人們把機器與機構(gòu)統(tǒng)稱為機械。

6.機械零件的工作能力機械零件抵抗失效的能力，稱為機械零件的工作能力。其中強度是零件抵抗斷裂、塑性變形以及表面損壞的能力；剛度是零件抵抗彈性變形的能力；抗磨性是零件表面的抗磨損能力；耐熱性是零件在較高溫度下抗蠕變、抗氧化和抗熱變形的能力；振動穩(wěn)定性是零件在周期性外力作用下不發(fā)生劇烈振動的能力。零件設(shè)計中通常使用一些計算公式來判斷零件是否具有足夠的工作能力，這些計算公式稱為機械零件的工作能力計算準(zhǔn)則。

7.機械零件的強度計算準(zhǔn)則強度計算準(zhǔn)則通常用零件的最大工作應(yīng)力（正應(yīng)力σ或切應(yīng)力τ）不大于零件的許用應(yīng)力（[σ]或[τ]）來表示。需要注意，大多數(shù)機械零件的工作應(yīng)力屬于變應(yīng)力。在變應(yīng)力下工作的零件，其許用應(yīng)力既與應(yīng)力循環(huán)特性r有關(guān)，也與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有關(guān)，還與零件產(chǎn)生初始裂紋的難易程度有關(guān)。在許用應(yīng)力的計算公式中，壽命系數(shù)用來考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的影響；表面狀況系數(shù)、應(yīng)力集中系數(shù)和尺寸系數(shù)用來考慮零件產(chǎn)生初始裂紋難易程度的影響。

1.3自測試題

1.3.1判斷題

1.電子計算機也是一種機械