機械設計的相關基礎知識

一、機械零件的主要(zhǔyào)失效形式（一）整體(zhěngtǐ)斷裂失效：由于某種原因，機械零件不能正常工作稱為失效。機械零件的失效形式主要有：（二）過大的殘余變形過載斷裂：零件受外載荷作用時，由于某一危險截面上的應力超過零件的強度極限而發(fā)生。疲勞斷裂：零件受變應力作用時，危險截面上發(fā)生。作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限（塑性變形）機械設計相關基礎知識1精品資料（四）破壞正常工作條件引起(yǐnqǐ)的失效（三）零件(línɡjiàn)的表面破壞腐蝕：發(fā)生在金屬表面的一種電化學或化學侵蝕現(xiàn)象。磨損：兩個接觸表面在作相對運動的過程中表面物質喪失或轉移的現(xiàn)象。接觸疲勞：零件表面受接觸變應力的長期作用產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。2精品資料零件發(fā)生哪種形式的失效，與很多因素(yīnsù)有關。但有人對1378項失效所做的分析結果顯示，由于腐蝕、磨損和各種疲勞破壞引起的失效占73.88%，斷裂引起的失效占4.79%。從中可以看出零件失效的主要原因是腐蝕、磨損和疲勞。3精品資料二、設計(shèjì)機械零件時應滿足的基本要求（六）質量(zhìliàng)?。ㄒ唬姸龋ǘ﹦偠龋ㄈ勖翱煽啃裕ㄋ模┙Y構工藝性（五）經(jīng)濟性斷裂、殘余變形統(tǒng)屬于強度不足引起彈性變形4精品資料三、機械零件的設計(shèjì)準則0．85＞P或1.15＜P

(一)強度(qiángdù)準則(二)剛度準則(四)振動穩(wěn)定性準則y≤[y](三)壽命準則5精品資料(五)可靠性準則(zhǔnzé)可靠(kěkào)度的概念有一批某種零件，其件數(shù)為N0，在一定的工作條件下進行試驗。在t時間后仍有N件在正常地工作，則此零件在該工作環(huán)境條件下工作t時間的可靠度R可表示為失效率失效率曲線（浴盆曲線）6精品資料四、機械零件的設計(shèjì)方法(一)理論(lǐlùn)設計(二)經(jīng)驗設計(三)模型實驗設計由設計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設計1、設計計算2、校核計算7精品資料五、機械零件設計(shèjì)的一般步驟機械零件的設計大體要經(jīng)過以下幾個步驟：

1)根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結構。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性與使用范圍等，進行綜合對比并正確選用。

2)根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。

3)根據(jù)零件的類型、結構和所受載荷，分析零件可能的失效形式，從而確定零件的設計準則。4)根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求(例如高溫或在腐蝕性介質中工作等)，選擇適當?shù)牟牧?cáiliào)。5)根據(jù)設計準則進行有關的計算，確定出零件的基本尺寸。8精品資料6)根據(jù)工藝性及標準化等原則進行(jìnxíng)零件的結構設計。

7)細節(jié)設計完成后，必要時進行(jìnxíng)詳細的校核計算，以判定結構的合理性。

8)畫出零件的工作圖，并寫出計算說明書。9精品資料六、機械零件的強度(qiángdù)名義載荷—在理想的平穩(wěn)工作條件(tiáojiàn)下作用在零件上的載荷計算載荷—載荷系數(shù)與名義載荷的乘積載荷系數(shù)—機器運轉時，零件會受到各種附加載荷的影響（一）載荷的分類靜載荷：不隨時間變化的載荷。變載荷：隨時間變化的載荷。1）循環(huán)變載荷a)穩(wěn)定循環(huán)變載荷b)不穩(wěn)定循環(huán)變載荷2）隨機變載荷10精品資料隨機(suíjī)變應力靜應力—不隨時間(shíjiān)變化的應力規(guī)律性不穩(wěn)定變應力（二）應力分類變應力—隨時間變化的應力不穩(wěn)定變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力11精品資料穩(wěn)定循環(huán)(xúnhuán)變應力的基本參數(shù)和種類a)基本參數(shù)應力(yìnglì)循環(huán)特性最大應力最小應力平均應力應力幅b)穩(wěn)定循環(huán)變應力種類：-1<

γ<+1——不對稱循環(huán)變應力γ=+1——靜應力γ=–1——對稱循環(huán)變應力γ=0——脈動循環(huán)變應力12精品資料（三）靜應力(yìnglì)時機械零件的強度計算1、單向(dānxiànɡ)應力下塑性材料零件的強度條件：或2、復合應力時塑性材料零件的強度條件：按第三或第四強度理論對彎扭復合應力進行強度計算第三強度理論

第四強度理論13精品資料3、脆性(cuìxìng)材料與低塑性材料脆性材料(cáiliào)極限應力：（強度極限）

1）單向應力狀態(tài)強度條件：或

失效形式：斷裂復合應力計算安全系數(shù)為：或14精品資料2）復合應力下工作(gōngzuò)的零件按第一(dìyī)強度理論：15精品資料疲勞斷裂具有以下(yǐxià)特征：變應力下，零件的損壞(sǔnhuài)形式是疲勞斷裂1）疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3）疲勞斷裂是損傷的積累，它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，直至余下的未裂開的截面積不足以承受外載荷時，零件就突然斷裂。（四）變應力時機械零件的強度計算16精品資料疲勞破壞的機理：損傷的累積影響因素：不僅與材料性能有關，零件的表層缺陷、截面尺寸突變、應力集中部位(bùwèi)等，變應力的循環(huán)特性，應力循環(huán)次數(shù)，應力幅都對疲勞極限有很大影響。1、σ—N疲勞曲線：σ—N疲勞曲線在疲勞曲線的左半部（N＜N0）循環(huán)(xúnhuán)基數(shù)鋼m=9——拉、彎應力、剪應力17精品資料2、影響(yǐngxiǎng)機械零件疲勞強度的主要因素應力(yìnglì)集中有效應力集中系數(shù)零件尺寸尺寸系數(shù)表面狀態(tài)表面狀態(tài)系數(shù)3、許用應力（五）安全系數(shù)1、靜應力下，塑性材料以屈服極限為極限應力。S=1.2～1.5；對于塑性較差的材料

S=1.5～2.5

2、靜應力下，脆性材料以強度極限為極限應力，取較大的安全系數(shù)。S＝3～43、變應力下，以疲勞極限作為極限應力S=1.3～1.7或S=1.7～2.518精品資料1、干摩擦(mócā)粘附(zhānfù)理論：按表面潤滑情況，將摩擦分為以下幾種狀態(tài)兩摩擦表面間不加任何潤滑劑七、機械零件的摩擦、磨損與潤滑劑（一）摩擦狀態(tài)19精品資料2、邊界摩擦(mócā)（邊界潤滑）兩摩擦表面間有潤滑油存在，由于潤滑油與金屬表面的吸附作用(zuòyòng)，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜。邊界油膜厚約0.1~0.4μm

20精品資料摩擦(mócā)是在流體內部的分子之間進行，不會有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦(mócā)狀態(tài)。3、流體摩擦(mócā)(流體潤滑)4、混合摩擦(混合潤滑)摩擦表面處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)時，稱為混合摩擦。21精品資料1、機械零件磨損(mósǔn)的三個階段磨合階段穩(wěn)定(wěndìng)磨損階段劇烈磨損階段磨合的作用摩擦表面輪廓峰的形狀變化表面材料被加工硬化（二）磨損類型磨損曲線22精品資料（1）粘附磨損（2）磨粒磨損（3）疲勞磨損（疲勞點蝕）（4）流體(liútǐ)磨粒磨損和流體(liútǐ)侵蝕磨損（沖蝕磨損）（5）機械化學磨損（腐蝕磨損）（6）微動磨損（復合磨損）2、磨損(mósǔn)分類根據(jù)磨損機理分類23精品資料潤滑劑分為氣體、液體(yètǐ)、半固體和固體4種類型1、潤滑油有機油(jīyóu)、礦物油、化學合成油潤滑油的性能指標：（1）粘度（2）潤滑性(油性)（3）極壓性

（4）閃點（5）凝點（6）氧化穩(wěn)定性（三）潤滑劑潤滑的目的在于降低摩擦功耗，減少磨損，同時還起到冷卻、吸振、防銹等作用。24精品資料1）動力(dònglì)粘度粘性(zhānxìnɡ)定律：潤滑油流動的阻力或潤滑油流動的內摩擦力在流體中任意點處的切應力均與該處流體的速度梯度成正比。

——國際單位

Pa·s（帕·秒）（1）粘度厘米克秒制單位是P（泊）25精品資料2）運動(yùndòng)粘度我國石油產(chǎn)品是用運動粘度(zhāndù)標定的國際單位制中單位是厘米克秒制單位是St（斯）或cSt

26精品資料（2）潤滑性(油性(yóuxìng))是指潤滑油中極性分子與金屬表面吸附(xīfù)形成一層邊界油膜的能力。（3）極壓性潤滑油中加入含硫、氯、磷的有機極性化合物后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學反應邊界膜的性能。

（4）閃點

油汽遇火焰即能發(fā)出閃光時的最低溫度。（5）凝點

在規(guī)定條件下，潤滑油不能再自由流動時所達到的最高溫度。

（6）氧化穩(wěn)定性

在高溫氣體中時，會發(fā)生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一些膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。27精品資料2、潤滑脂潤滑脂是由潤滑油和各種(ɡèzhǒnɡ)稠化劑（如鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。鈣基潤滑脂，它有耐水性，常用(chánɡyònɡ)于60℃以下的各種機械設備中軸承的潤滑。鈉基潤滑脂可用于115～145℃以下，但不耐水。鋰基潤滑脂性能優(yōu)良，耐水，在-20～150℃范圍內廣泛使用，可以代替鈣基、鈉基潤滑脂。3、固體潤滑劑石墨、二硫化鉬、聚氯乙烯樹脂等潤滑脂性能指標：（1）錐(針)入度(或稠度)它標志著潤滑脂內阻力的大小和流動性的強弱。（2）滴點滴點決定了潤滑脂的工作溫度。28精品資料八、機械零件的材料(cáiliào)及選用（一）機械零件常用材料

1、金屬材料

黑色金屬

有色金屬(yǒusèjīnshǔ)

2、非金屬材料

高分子材料

陶瓷材料

復合材料銅、鋁、鋅及其合金塑料、橡膠及合成纖維用于密封件、滾動軸承和切削刀具基體相和增強相組成鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵鑄鋼碳鋼與合金鋼29精品資料（二）材料選用原則(yuánzé)

1、載荷、應力的大小和性質

2、零件的工