Ch01機械設(shè)計總論

機械設(shè)計學(xué)時：54（理論學(xué)時：48，實驗學(xué)時：6）學(xué)分：3面向?qū)I(yè)：農(nóng)業(yè)機械化及其自動化機械設(shè)計制造及其自動化先修課程：工程力學(xué)、機械原理、機械制圖、工程材料等

課程性質(zhì)：必修主講：李顯昌E-mail：xianchangli2004@126.comMobilePhone15154505580一、參考書目[1]吳宗澤、高志主編.《機械設(shè)計》（第2版），北京：高等教育出版社2009年1月。[2]黃靖遠等.《機械設(shè)計學(xué)》，北京：機械工業(yè)出版社，2006。[3]《機械設(shè)計》濮良貴主編，高教出版社。二、網(wǎng)絡(luò)資源[1]機械設(shè)計精品課.河北理工大學(xué)./doc/2005/jxsjnew/jiaoxuedagang.html[2]機械設(shè)計精品課程.九江學(xué)院./jxxy/html/xkjs/kcdg.html[3]機械設(shè)計.華北水利水電學(xué)院精品課程/jxsj/第一章機械設(shè)計總論6）了解機械零件常用材料及選用原則?；疽螅?）了解零件的概念、種類；2）了解機械設(shè)計的方法和基本程序，機械設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求；3）了解本課程的研究對象、內(nèi)容、課程的性質(zhì)、任務(wù)、特點及學(xué)習(xí)方法；4）掌握與機械零件失效形式對應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則；5）了解機械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化；1、失效形式和計算準(zhǔn)則。2、機械零件的常用材料及熱處理選擇。重點與難點：§1-1引言§1-1機械設(shè)計概述機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)的重要標(biāo)志。機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和促進技術(shù)改造的重任。大量地設(shè)計制造和廣泛采用各種先進的機器，可大大促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的現(xiàn)代化建設(shè)。產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設(shè)計工作開始的。設(shè)計是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序，要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，首先要有好的設(shè)計。

物質(zhì)生產(chǎn)是人類社會生存發(fā)展的基礎(chǔ)。機械工業(yè)為人類的物質(zhì)生產(chǎn)提供各種技術(shù)裝備。機械設(shè)計是機械工程的“靈魂”。潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)原動機傳動裝置執(zhí)行機構(gòu)/工作機構(gòu)控制系統(tǒng)一、機器的組成

任何機械設(shè)備都是由許多機械零部件組成的，也都是以各個零件為基本單元加工制造的。機械零件——機械制造過程中不可分拆的最小單元

。機械零件通用零件——機械制造過程中為完成同一目的而由若干協(xié)同工作的零件組合在一起的組合體。例如：軸承，聯(lián)軸器。機械部件機器傳動件聯(lián)接件支承件其它—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺栓、鍵、花鍵—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機架專用零件各種機器中常用的。(本課程主要學(xué)習(xí)對象）只在某些特定的機器中才用到。（在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)）—水輪機葉片、活塞、曲軸

機器是由機械零件組成的整體，各個零件之間有緊密聯(lián)系。學(xué)習(xí)時應(yīng)有整體的設(shè)計觀念。注：本課程中，機械零件泛指零件和部件。二、機械設(shè)計的方法和基本程序（一）機械設(shè)計的方法：內(nèi)插式設(shè)計在現(xiàn)有的兩個具有大小不等設(shè)計參數(shù)的設(shè)計方案之間所作的設(shè)計。這是最常用的設(shè)計方法。外推式設(shè)計全部或部分設(shè)計參數(shù)超出現(xiàn)有設(shè)計范圍時所作的設(shè)計。此種設(shè)計必須對外推部分的設(shè)計進行必要的技術(shù)研究、理論探索和科學(xué)實驗。開發(fā)性設(shè)計為了開發(fā)具有新功能的新機器，應(yīng)用新原理、新技術(shù)所作的設(shè)計。（二）機械設(shè)計基本程序：明確設(shè)計任務(wù)方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計試制評價、定型投產(chǎn)◆計算說明書（對關(guān)鍵零部件進行必要的計算）技術(shù)設(shè)計階段的輸出：◆總體規(guī)劃（機器總體布置方案，產(chǎn)生總裝配圖）◆零、部件設(shè)計（主要部件裝配圖和非標(biāo)準(zhǔn)零件工作圖）（三）機械設(shè)計總體過程：設(shè)計任務(wù)調(diào)查研究開發(fā)計劃書試驗研究

技術(shù)設(shè)計樣機試制、實驗技術(shù)經(jīng)濟評價生產(chǎn)設(shè)計小批試制正式投產(chǎn)銷售服務(wù)調(diào)查決策階段研究設(shè)計階段試制階段投產(chǎn)銷售階段（四）機械零件設(shè)計的一般步驟：選擇零件類型、結(jié)構(gòu)

計算零件上的載荷確定計算準(zhǔn)則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計校核計算畫出零件工作圖寫出計算說明書三、機械設(shè)計的基本要求★功能要求機械產(chǎn)品必須具有設(shè)計任務(wù)書中規(guī)定的功能。工作原理正確，原動機選用適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)、傳動裝置設(shè)計、制造和選用合理?！锟煽啃砸髾C械產(chǎn)品在預(yù)期的使用期限內(nèi)，能夠安全可靠地工作。設(shè)計時需要進行強度、剛度、壽命等方面的計算?！锝?jīng)濟性要求機械產(chǎn)品的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中。設(shè)計制造低成本，使用生產(chǎn)效率高，能源、材料消耗少以及管理、維護費用低。★社會性要求機械產(chǎn)品不應(yīng)對人、環(huán)境和社會造成不良影響。四、設(shè)計者應(yīng)具備的基本素質(zhì)掌握并能合理應(yīng)用設(shè)計機械所需的各種知識具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力◆具有認(rèn)真細致、一絲不茍的工作作風(fēng)?！艟哂袌F隊協(xié)作精神。機構(gòu)的運動、動力分析；機構(gòu)、零件的選型和設(shè)計；圖樣的繪制；機械加工制造過程以及工程材料等方面的基礎(chǔ)知識。機械產(chǎn)品的創(chuàng)新完全依賴于設(shè)計者的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力是一個設(shè)計者所必備的最重要的素質(zhì)。一個很小的設(shè)計錯誤，也可能在制造中造成巨大浪費，在使用中導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。（一）機械設(shè)計課程的性質(zhì)：§1-2

機械設(shè)計課程簡介一、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容本課程是一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，培養(yǎng)機械設(shè)計能力，研究機械裝置和機械系統(tǒng)的設(shè)計問題。綜合運用以前學(xué)過的理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械制圖、工程材料等專業(yè)基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識、基本理論以及基本設(shè)計方法，訓(xùn)練和提高機械設(shè)計能力，為機械設(shè)計專業(yè)課程的進一步學(xué)習(xí)和綜合運用打下堅實的基礎(chǔ)。作用（二）機械設(shè)計課的主要任務(wù)：通過課堂理論學(xué)習(xí)、課程設(shè)計及實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)，完成任務(wù)：1）掌握通用機械零件的設(shè)計原理、方法和機械設(shè)計的一般規(guī)律，具有設(shè)計機械傳動裝置和簡單機械的能力。2）樹立正確的設(shè)計思想和創(chuàng)新意識，具有一定的機械設(shè)計創(chuàng)新能力。3）具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱相關(guān)技術(shù)資料的能力。4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓(xùn)練。5）關(guān)注國家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)政策，并對機械設(shè)計的新發(fā)展有所了解。（三）機械設(shè)計課的主要內(nèi)容：其他部分：機械設(shè)計常用的一些基礎(chǔ)理論和通用機械零件在常用參數(shù)范圍內(nèi)的基本設(shè)計方法。具體包括：本課程介紹通用零件的傳統(tǒng)的基本設(shè)計方法，是從事機械設(shè)計工作的基礎(chǔ)，也是進一步學(xué)習(xí)各種新設(shè)計方法的基礎(chǔ)?；A(chǔ)理論部分：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、形面聯(lián)接、過盈聯(lián)接以及鉚、焊、粘接等。螺紋傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及鏈傳動。軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器和離合器等。機械設(shè)計總論、機械零件的疲勞強度計算和摩擦學(xué)的基礎(chǔ)知識等。◆聯(lián)接部分：◆傳動部分：◆軸系部分：彈簧。二、本課程的特點和學(xué)習(xí)方法

涉及面廣關(guān)系多─與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─設(shè)計一個機器或零件時，應(yīng)同時滿足強度、剛度、耐磨性、工藝、壽命等各方面的要求。門類多─典型的通用零件多、類型多；各類零件，設(shè)計方法各有不同。公式多─除了定義式以外，對于大多數(shù)公式著重于公式的應(yīng)用，不強調(diào)公式的推導(dǎo)。圖表多─要求能看懂、會用，了解適用的范圍和變化趨勢。

實踐性強─內(nèi)容接近工程實際，盡量走實際設(shè)計程序，要注重多觀察、多實踐，逐步積累完整設(shè)計過程的經(jīng)驗。

設(shè)計工作無小事——設(shè)計工作必須詳盡，細小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

設(shè)計問題無統(tǒng)一答案─要注意發(fā)展求異思維。本課程的特點

需注意的幾個問題

著重學(xué)習(xí)零件的設(shè)計方法以及零件參數(shù)的合理選擇。掌握理論分析和計算外，更應(yīng)重視零件的材料選擇、類型選擇、參數(shù)選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝性等內(nèi)容。

──設(shè)計決非只是計算。

性能要求與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)

──永遠是一對矛盾，應(yīng)學(xué)會合理地解決這一對矛盾。

經(jīng)驗設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法的選擇

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。注意的問題

補充內(nèi)容工藝性零件工藝性良好的標(biāo)志：

在具體的生產(chǎn)條件下，零件便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。制備方法單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。用型材焊接鍛造鑄造沖壓

工藝（technology）：使各種原材料、半成品加工成為產(chǎn)品的方法和過程（process）。2)結(jié)構(gòu)簡單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；▲盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件?！M量使用相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。0.0120.0250.06.312.52550100

用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精

粗刨削鉆孔鉸孔精

粗鏜孔精

粗車精

粗磨精

粗研磨滾、銑精

粗

一般情況下Ra愈小，零件的加工成本愈高。4)盡量減小零件的加工量▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使用少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本?！M量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。欲設(shè)計出工藝性良好的零件，設(shè)計者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實踐中積累經(jīng)驗。金屬材料的工藝性能粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛

坯預(yù)先熱處理零

件切削加工最終熱處理

金屬零件的加工工藝路線高分子材料的工藝性能

高分子材料的加工工藝路線有機物原料或型材成形加工切削加工零

件熱處理、焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等陶瓷材料的工藝性能粉末成

形

加

工配料壓制燒結(jié)磨削加工零件熱處理陶瓷材料的加工工藝路線§1-3機械零件的計算準(zhǔn)則一、幾個名詞：1）失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。注意：a)失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。

機械零件的可能失效形式很多，歸納起來主要有強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。

b)同一種零件可能的失效形式往往有若干種。

例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過大彈性變形、共振等失效。2）工作能力：即機械零件在一定條件下抵抗失效的能力。3）承載能力：對載荷而言的工作能力。（即用載荷表示的工作能力）載荷和應(yīng)力1為了防止機械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計時，需要以零件的工作能力計算準(zhǔn)則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有兩種：

5）設(shè)計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準(zhǔn)則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。

6）校核計算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準(zhǔn)則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。

4）工作能力計算準(zhǔn)則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。（即機械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設(shè)計零件時的理論依據(jù)）。機械零件失效與分析

每種機器零件都具有一定的功能——或完成規(guī)定的運動，或傳遞力、力矩或能量。當(dāng)零部件喪失預(yù)定的功能時，即發(fā)生了零件的失效。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作零件嚴(yán)重損傷，不能保證工作安全零件雖能安全工作，但工作低效（一）零件失效的基本形式

零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效（二）失效分析的主要作用及改進過程服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗實驗室試驗提高零件失效抗力加強管理改進工藝提高主要抗力指標(biāo)改進設(shè)計工

藝使

用材

料設(shè)

計失效分析的主要方法1、無損檢測無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、斷口分析

斷口分析是對斷口進行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口

失效分析要利用宏觀和微觀的研究手段進行系統(tǒng)的分析，揭示零件失效的根本原因。3、金相分析通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。4、化學(xué)分析檢驗材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計要求。5、力學(xué)分析檢查分析失效零件的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等。二、載荷和應(yīng)力1載荷由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動載荷。

靜載荷變載荷●按是否隨時間變化，載荷分為：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不考慮動載荷的影響）計算載荷＝載荷系數(shù)K×名義載荷。（代表機器或零件實際所受載荷）●按是否考慮動載荷的影響，載荷分為：

載荷系數(shù)K：用于計入在實際工作中受到的各種動載荷的影響。額定載荷：由原動機的額定功率推算出的載荷。載荷和應(yīng)力22應(yīng)力應(yīng)力靜應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）循環(huán)應(yīng)力五個重要參數(shù)兩個重要關(guān)系載荷和應(yīng)力3對稱循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力常見的循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力r=-1、sm＝0

脈動循環(huán)應(yīng)力

r=0、smin＝0靜應(yīng)力r=1靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力強度準(zhǔn)則（一）強度準(zhǔn)則強度：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：1）用應(yīng)力表示：≤＝2）用安全系數(shù)表示：≥＝式中：—計算最大應(yīng)力—極限應(yīng)力—計算安全系數(shù)—許用應(yīng)力—許用安全系數(shù)注：對于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的換成即可。三、機械零件的計算準(zhǔn)則

低碳鋼的力-伸長曲線

圖1.1低碳鋼的拉伸曲線圖（1）oe──彈性變形階段（2）es──屈服階段（3）sb──均勻塑性變形階段（4）bk──縮頸階段45鋼鋁青銅35鋼硬鋁純銅強度指標(biāo)金屬材料的強度是用應(yīng)力來度量的。常用的強度指標(biāo)有屈服點和抗拉強度。

(1)屈服點σs在拉伸過程中,載荷不增加,試樣還繼續(xù)發(fā)生變形的最小應(yīng)力(MPa)。σs=Fs/A0對于沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的金屬材料，產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。σ0.2=F0.2/S0

(2)抗拉強度σbσb=Fb/A0選用原則：若不允許發(fā)生過量的塑性變形，以屈服強度σS、σ0.2為依據(jù)；若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，以抗拉強度σb來設(shè)計。金屬材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力(MPa)疲勞強度

工程上規(guī)定,材料經(jīng)無數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強度，用表示。

材料的疲勞強度與其合金化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷、表面劃痕及零件截面突然改變等有關(guān)。圖1.5疲勞曲線曲線表明材料受的交變應(yīng)力越大,則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(N)越少,反之,則N越大。

雖然零件所受應(yīng)力遠低于材料的屈服點,但在長期使用中往往會突然發(fā)生斷裂,這種破壞過程稱為疲勞斷裂。硬度硬度是指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力,即金屬材料抵抗局部塑性變形或破壞的能力。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。圖1.2布氏硬度試驗原理圖圖1.3洛氏硬度試驗原理圖

塑性塑性是金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形(或永久變形)而不斷裂的能力。常用塑性指標(biāo)是斷面收縮率ψ拉伸試樣拉斷后試樣截面積的收縮率ψ為ψ=[(A0-A1)/A0]×100%斷后伸長率δ拉伸試驗試樣拉斷后,標(biāo)距長度的相對伸長值δ=[(l1-l0)/l0]×100%沖擊韌度圖1.4沖擊試驗示意圖1——擺錘2——試樣

沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力,通常用一次擺錘沖擊試驗來測定。

沖擊吸收功(AK)除以試樣缺口處的截面積S0,即可得到材料的沖擊韌度。αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0

沖擊韌度αK值愈大,表明材料的韌性愈好,受到?jīng)_擊時不易斷裂。靜應(yīng)力下的強度1靜應(yīng)力下的強度在靜應(yīng)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(yīng)力也不同。塑性材料單向應(yīng)力狀態(tài)下：，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下：按第三或第四強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力。脆性材料單向應(yīng)力狀態(tài)下：，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下：按第一強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力。機械零件的計算準(zhǔn)則注：1）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(yīng)力集中的影響。

2）對于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計算靜強度時，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。2循環(huán)應(yīng)力下的強度計算變應(yīng)力下的強度時，應(yīng)取疲勞極限（詳見第二章）。

3許用安全系數(shù)

合理選擇許用安全系數(shù)是設(shè)計中的一項重要工作。過大，則機器會過于笨重；過小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。的取值主要受下列因素的影響

1）

計算的準(zhǔn)確性；

2）材料的均勻性；

3）零件的重要性。4表面接觸疲勞強度

對于高副零件，理論上是點、線接觸，但實際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處接觸強度2局部會產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用表示。的大小用赫茲公式計算：機械零件的計算準(zhǔn)則

實際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時受應(yīng)力作用，脫離嚙合時不受應(yīng)力作用。

在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強度稱為表面接觸疲勞強度。強度條件為：≤接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是：疲勞點蝕（簡稱點蝕）。點蝕的危害：

1）破壞零件的光滑表面，引起振動和噪音。

2）減小零件的有效工作面積。高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強度稱為接觸強度計算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式

（1）接觸應(yīng)力a)兩圓柱體接觸機械零件的接觸強度b)兩球接觸ρ——綜合曲率半徑說明：1）圓柱體，球σHmax與F不呈線性關(guān)系3）同樣的ρ1、ρ2下，內(nèi)接觸時ρ較大，σHmax較小，約為外接觸時的48%

重載情況下，采用內(nèi)接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。

（2）失效形式

靜應(yīng)力:表面壓碎——脆性材料,

表面塑性變形——塑性材料變應(yīng)力：疲勞點蝕——齒輪、滾動軸承的常見失效形式。2）圓柱體，球

ρ越大，σHmax越?。?）提高接觸疲勞強度的措施

1）控制最大接觸應(yīng)力

2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質(zhì)量

3）增大綜合曲率半徑ρ4）改外接觸為內(nèi)接觸，點接觸→線接觸

5）采用高粘度潤滑油

擠壓強度及剛度準(zhǔn)則機械零件的計算準(zhǔn)則5表面擠壓強度

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(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用表示。在擠壓應(yīng)力作用下的強度稱為擠壓強度，其強度條件為：

≤［］擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式是——“壓潰”。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。（二）剛度準(zhǔn)則

剛度是指機械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。

例如：機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。剛度準(zhǔn)則及振動穩(wěn)定性機械零件的計算準(zhǔn)則剛度條件為：實際變形量≤［許用變形量］式中：實際變形量可用相關(guān)理論計算或由實驗方法確定。［許用變形量］——是保證正常工作所允許的變形量。注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。

2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強度，但不能提高零件的剛度。（三）振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動頻率（固有頻率）時，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動穩(wěn)定性”。振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：使零件的自激振動頻率f遠離外力變化的頻率。即＜0.85f

或＞1.15

f耐磨性計算

（四）摩擦學(xué)準(zhǔn)則（耐磨性計算）

滑動摩擦下工作的零件，常因過度磨損而失效。但由于影響磨損的因素很多且比較復(fù)雜，到目前為止尚無完善的磨損計算方法。通常進行條件性計算，通過限制影響磨損的主要因素（壓強p、滑動速度v和pv值）來防止產(chǎn)生過大磨損。

滑動速度低，載荷大時，p≤［p］滑動速度較高時，p≤［p］，且pv≤［pv］高速時，p≤［p］，pv≤［pv］且v≤［v］注：限制

值就是間接的限制因摩擦而產(chǎn)生的熱量，防止溫度過高。運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。磨損類型：

機械零件的耐磨性4、腐蝕磨損：化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)造成的磨損。3、疲勞磨損（點蝕）：載荷重復(fù)作用使表層金屬小片脫落2、粘著磨損（膠合）：接觸面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面。1、磨粒磨損：硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗逶谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象（五）溫度對機械零件工作能力的影響為防止?jié)櫥Мa(chǎn)生過大磨損或發(fā)生膠合現(xiàn)象，設(shè)計摩擦副零件時，需進行熱平衡計算。熱平衡時的工作溫度t不許超過許用溫度[t]，即

t≤[t]當(dāng)金屬溫度超過某一數(shù)值（鋼為300～400℃，輕合金為100～150℃）時，其強度將急劇下降。

在高溫下工作的機械零件應(yīng)采用耐高溫材料制造，如耐熱合金鋼、金屬陶瓷等。在低溫下，鋼的強度有所提高，但其韌性會明顯降低而變脆，且對應(yīng)力集中的敏感性增大。而有色金屬在低溫下一般不會變脆，其強度和塑性還會有所提高。

低溫設(shè)備常用有色金屬材料制造。

§1-4機械零件常用材料和選擇原則一、機械零件的常用材料

1、黑色金屬

鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（含碳量小于2%的鐵碳合金）鑄鋼——鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差碳鋼與合金鋼——應(yīng)用最廣泛2、有色金屬a)鋁合金——重量輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強度鋁合金強度可與碳素鋼相近b)銅合金——黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn的合金無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復(fù)合材料銅合金是良好的耐蝕材料和減摩材料

3、非金屬材料塑料——輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普通機械零件、絕緣體陶瓷——電熱性好，硬度高橡膠——彈性、絕緣性好，常用作彈性元件和密封元件、減震元件4、復(fù)合材料二、機械零件材料選用的原則

選擇材料主要應(yīng)該考慮使用要求、工藝要求和經(jīng)濟性要求：1、使用要求使用要求一般包括：零件的載荷和工作情況，對零件尺寸和重量的限制，零件的重要程度等。纖維復(fù)合材料層疊復(fù)合材料顆粒復(fù)合材料骨架復(fù)合材料應(yīng)用最多，主要制薄壁壓力容器。按使用要求選擇材料的一般原則：若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應(yīng)選用強度較高的材料。當(dāng)零件尺寸取決于接觸強度時，應(yīng)選用表面強化處理材料，如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等?；瑒幽Σ料鹿ぷ鞯牧慵?，應(yīng)根據(jù)工作需要選擇摩擦材料、減摩材料或耐摩材料。高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料。在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐蝕材料等。2、工藝要求零件形狀和尺寸對工藝和材料也有一定要求：形狀復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造，而采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能（鑄造的液態(tài)流動性、產(chǎn)生縮孔或偏析的可能性）或焊接性能（材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向性）。生產(chǎn)批量大小對所用工藝和材料也有要求：小批量或單件生產(chǎn)，可以采用焊接；批量生產(chǎn)時采用鑄造或鍛造，而對于鍛造，小批量生產(chǎn)時可采用自由鍛，大批量生產(chǎn)時可采用模鍛。大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮所選材料的可加工性。采用特殊熱處理工藝的零件，還需考慮材料相應(yīng)的熱處理性能，如淬硬性、淬透性、變形開裂傾向性，回火脆性等。壁厚均勻、過渡平緩；鑄件結(jié)構(gòu)要求適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)斜度和拔模斜度；各個面交界處的過渡圓角；受力點加強筋1.鑄造性能（流動性、收縮、偏析傾向）鑄造鋁、銅合金>鑄鐵（灰口）>鑄鋼（共晶點附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓3.焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）>銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向）淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等可加工性3、經(jīng)濟性要求在滿足使用要求的前提下，盡可能選用價格低廉的材料制造零件。對于加工量很大的小型零件，加工費用在零件總成本中占有很大比重，零件的工藝性是影響經(jīng)濟效果的主要因素。根據(jù)局部品質(zhì)原則，采用復(fù)合材料，在不同部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理方法，使各局部要求分別得到滿足，從而降低對整體材料的要求。局部品質(zhì)也可以采用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面碾壓等方法，使所用材料的局部品質(zhì)得到提升。影響經(jīng)濟性的主要因素是材料的相對價格、材料的利用率、零件結(jié)構(gòu)和工藝性等。我國常用金屬材料的相對價格材

料相對價格材

料相對價格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）5~15（四）環(huán)境與資源原則1.能源和資源消耗少世界能源儲藏量石油天然氣煤鈾可開采儲量9970億桶138萬億m31，039，272噸200萬噸可開采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳

>70%重要金屬的世界儲量儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147512.環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金Eρ/b24145100~500475-1002710-1029E──生產(chǎn)每公斤材料的能耗

ρ──材料密度

b──抗拉強度生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量◆機械零件的標(biāo)準(zhǔn)化——通過對零件尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料、檢驗方法、設(shè)計方法、制圖等方面的要求，制定出各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)，以供廣大設(shè)計者在設(shè)計工作中共同遵循?！粝盗谢獙ν划a(chǎn)品，為了滿足不同的使用要求，在基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸相同的條件下，規(guī)定出若干個輔助尺寸不同的產(chǎn)品，構(gòu)成一個產(chǎn)品系列?！敉ㄓ没谙盗挟a(chǎn)品內(nèi)部或在跨系列的產(chǎn)品之間采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件。螺栓、鍵、滾動軸承、減速器等許多通用零部件都已實行了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。而有些零件部分主要尺寸也實行了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，如齒輪的模數(shù)、蝸桿的分度圓直徑等。機械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化簡稱“三化”?！?-5

機械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化一、幾個概念：機械零件“三化”的意義：可減輕設(shè)計工作量，縮短設(shè)計周期，有利于設(shè)計人員將主要精力用于關(guān)鍵零部件的設(shè)計。便于建立專門工廠采用先進技術(shù)進行大規(guī)模生產(chǎn)。有利于合理使用原材料，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量?？商岣呋Q性，便于維修，并有利于回收再利用。便于改進和增加產(chǎn)品品種。

“三化”程度的高低是評定機械產(chǎn)品的指標(biāo)之一，也是我國現(xiàn)行很重要的一項技術(shù)政策。目前我國實行的標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。在世界范圍內(nèi)通用的是國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。

ISO——InternationalOrganizationforStandardization標(biāo)準(zhǔn)化基本特征：統(tǒng)一、簡化。標(biāo)準(zhǔn)層次：國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化是組織社會化大生產(chǎn)的重要手段，是實施科學(xué)管理的基礎(chǔ)，也是對產(chǎn)品設(shè)計的基本要求之一。標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)：強制標(biāo)準(zhǔn)（GB）----必須強制執(zhí)行；推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）----鼓勵企業(yè)自愿采用。

作為設(shè)計人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相