机械设计总论

1、第一章：绪第一章：绪 论论 课程要求（1）了解本课程的内容、性质、特点、与先修、后继课程之间的关系，以及相应的学习方法。（2）建立机械设计的总体概念，了解机械零件的失效形式、计算准则、设计方法及设计的一般步骤，了解机械零件常用材料选用原则，理解机械设计中的标准化原则。（3）了解机械设计的现状和发展。 内内 容容:主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有状和尺寸，如何适当选择零件的材料，

2、以及如何使零件具有良好的工艺性等。良好的工艺性等。说明：说明：该课程的先修课程为高等数学、理论力学、机械制图、机械原理、互换性与技术测量、工程材料。总总 述述 进行机械设计方案选择时首先应考虑功能的需进行机械设计方案选择时首先应考虑功能的需要，因为要，因为“功能功能”是设计应该首先保证的设计目是设计应该首先保证的设计目标标 在保证所设计功能可靠实现的基础上，还必须在保证所设计功能可靠实现的基础上，还必须考虑结构是否可以用工业生产的方法实现，是否可考虑结构是否可以用工业生产的方法实现，是否可以制造，是否可以装配，是否可以运输等，这些都以制造，是否可以装配，是否可以运输等，这些都属于为实现所设计的

3、装置必须进行的工艺环节的可属于为实现所设计的装置必须进行的工艺环节的可能性和方便性。能性和方便性。 经济性原则是处理工程问题必须关注的基本原经济性原则是处理工程问题必须关注的基本原则，在很多情况下是决定性的原则，不但应注意所则，在很多情况下是决定性的原则，不但应注意所设计的装置的一次性制造成本，而且应注意使用成设计的装置的一次性制造成本，而且应注意使用成本在结构设计中还应考虑结构对社会、对环境的本在结构设计中还应考虑结构对社会、对环境的影响影响 机器机器是由是由机械系统机械系统为主所组成，而机械系统为主所组成，而机械系统又是由一组具有协调工作关系的零件组成的又是由一组具有协调工作关系的零件组成

4、的机构机构所组成，而每个机构又是由许多所组成，而每个机构又是由许多零件零件组成。组成。11 机械设计课程的性质与任务机械设计课程的性质与任务 按功能分，机器的一般组成为：机器的组成机器的组成原原 动动 机机:驱动整部机器以完成预定功能的动力源驱动整部机器以完成预定功能的动力源。主要形式：主要形式：电动机、热力机（蒸汽机、汽油机或柴油机）电动机、热力机（蒸汽机、汽油机或柴油机）执行部分执行部分: 用来完成机器预定功能的组成部分。用来完成机器预定功能的组成部分。 各种机器由于要完成的功能不同而有不同的各种机器由于要完成的功能不同而有不同的执行部分，且可有一个执行部分，也可以有几个执行部分。传传 动

5、动 部部 分分: 把原动机的运动形式、运动及动力参数转把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数的部分。变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数的部分。 该部分主要由本课要介绍的通用机械零件所组成。该部分主要由本课要介绍的通用机械零件所组成。2、组成机器的、组成机器的不可拆的最小最小基本单元单元机械零件（标机械零件（标准零件、非标准件）准零件、非标准件）本课程的研究对象：本课程的研究对象： 一般参数的通用零件的设计理论与方法，即：一般参数的通用零件的设计理论与方法，即：本章主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何

6、合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性等。部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。滚动轴承二、课程的内容、性质与任务二、课程的内容、性质与任务1、内容：重点研究在普通条件下工作的通用零件；包括这些零件的基本设计理论、设计方法及常用参数和资料的查阅。 具体内容包括：通用零件及由零件组成的部件（联结部件、传动部件、轴系部件及其它部件）的基本设计原理和选用方法（包括选材、确定结构尺寸、精度与表面质量及制造的技术条件等） 。本课的具体内容本课的具体内容联结部分：螺纹联结，键、花键及无键联结，销联结，铆接，焊接，胶接与过盈联结。传动部分：螺旋传动，带传动

7、，链传动，齿轮传动，蜗杆传动等。轴系部分：滑动轴承，滚动轴承，联轴器和轴等其他部分其他部分：减速器。 2、性质：、性质：以通用零件为研究核心的设计性课程。是一门论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课。通过这些通用零件的学习，掌握一般零、部件的设计规律和技术方法。为进一步的专业机器设备设计打下基础。 该课程将综合运用材料力学、弹性力学的方法研究机械零件在联接和传动中产生的各种现象，并赋予正确的结构和尺寸。（理论力学、材料力学、机械原理、机械制造基础、工程材料、公差和机械制图等相关课程）3、任务：、任务： 1、掌握通用零件的基本设计原理、方法和机械设计的一般规律，使学生具有设计一般机械的能力；

8、2、树立正确的设计思想,了解国家当前的有关技术经济政策； 3、具有应用标准、规范、手册、图册和查阅有关资料的能力； 4、掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练； 5、了解机械设计的新发展。4、学习方法：、学习方法：在学习过程中，要综合运用前面课程中所学到的有关理论、知识和技能，充分运用各种教学实践环节进行工程技能的基本训练，提高理论水平、构思能力、工程洞察力和判断力及分析解决实际问题的能力，为后续相关专业课的学习及进行机械产品的设计打下坚实的基础。机械设计应满足的要求机械设计应满足的要求 在满足预期功能的前提下，性能好、在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限

9、内安全可效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。靠，操作方便、维修简单和造型美观等。 即所设计的机械零件既要工作可靠，即所设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低廉。又要成本低廉。12 机械设计的基本要求及设计程序机械设计的基本要求及设计程序 二、机械设计的一般程序二、机械设计的一般程序1）计划阶段 市场调研 可行性研究设计任务书2）方案设计 原理图或简图（定出最佳方案）3）技术设计 装配图、零件图、技术文件（说明书）4）试制试验 样机评价改进5）小批生产试销 考核工艺性收集用户意见6）产品销售三、机械零件设计的一般步骤三、机械零件设计的一般步骤1）建立零件的受

10、力受力模型，确定零件的计算载荷；2）选择零件的类型与结构类型与结构；3）选择零件的材料材料；4）按可能的失效形式失效形式确定零件的计算准则计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整；5）零件的结构设计结构设计6）绘制零件的工作图工作图，并编写计算说明书说明书 13 机械零件的主要失效形式和设计计算准则机械零件的主要失效形式和设计计算准则 一、机械零件的失效形式一、机械零件的失效形式失失 效：效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。失效形式有：失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。承载能力：承载能力：在不发生失效的条件下，零

11、件所能安全工作的限度，称为工作能力工作能力。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。承载能力。失效的可能原因：失效的可能原因：断裂或塑性变形（强度）；过大的弹性变形（刚度）；工作表面的过度磨损或损伤（耐磨性）；发生强烈的振动（稳定性）；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 机械零件在预期工作寿命期间不失效是最基本的要求。机械零件在预期工作寿命期间不失效是最基本的要求。设计者应预先估计所设计零件的可能失效方式。设计者应预先估计所设计零件的可能失效方式。防止失效是保证机械零件正常工作的首要措施。防止失效是保证机械零件正常工作的首要措施。二、机械零件工作能力计算准则二、机械零件工作能力计算准则工

12、作能力工作能力零件不发生失效时的安全工作限度 计算准则计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则。判定条件为：判定条件为：计算量许用量 这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则工作能力计算准则。设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。校核计算：校核计算：零件设计时先参照实物(或图纸)和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。 还应注意，在一般机器中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。 三机械零件的设计

13、准则三机械零件的设计准则1.机械零件的接触强度机械零件的接触强度名义载荷与计算载荷名义载荷与计算载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷名义载荷。然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，引人载荷系数载荷系数K的办法来估计这些因素的影响。载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷计算载荷。按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义名义应力应力，按照计算载荷求得的应力，称为计算应力计算应力。1.1 强度准则强度准则-零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。强度强度判定时，比较危险截面处的计算应力(、)是否小于零件材料的许用应力(、)。即 limlim/ , FASS，而而式中：，lim、l

14、im分别为极限正应力和极限切应力；S为安全系数。 强度准则、刚度准则、寿命准则 、振动稳定性准则、可靠性准则设计计算中求危险截面积A，校核中有力（F及应力）及安全系数的求解 1. 判断危险截面处的最大应力（判断危险截面处的最大应力（、）是否小于或等于许）是否小于或等于许用应力（用应力（【】、【】）。）。强度条件：强度条件：强度判定时，比较的计算应力(、)是否小于零件材料的许用应力(、)。即 ,SSSSlimlim,而，而判断零件强度的方法判断零件强度的方法 式中：，式中：，lim、lim分别为极限正应力和极限切应力；分别为极限正应力和极限切应力；S为安全系数。为安全系数。2. 判断危险截面处的

15、实际安全系数是否大于或等于许用安全系数。 limlim/ ,/SSS应力的种类应力的种类 不随时间变化的应力，称为静应力。随时间变化的应力，称为变应力。具有周期性的变应力称为循环变应力。 1. 静应力下的许用应力静应力下的许用应力 1）单向静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限s作为极限应力，故许用应力为： , SSSS BS22224 ,3 bTbT 对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限B作为极限应力，其许用应力为： 2）复合应力时的塑性材料零件根据第三或第四强度理论确定其强度条件。 强度条件： 式中： bT

16、弯曲应力；切应力根据第三强度理论近似取 2SS3SS22222=(/) =S SbSSTSSSSSS/或S /, 根据第四强度理论近似取 则复合安全系数计算式为： 2. 变应力的循环特性变应力的循环特性 maxminmaxminminmax,22marm平均应力； a应力幅值；max最大应力； min最小应力；r 应力比（循环特性） 描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂 。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤积累到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂（未裂开的截面积不足以承受外载荷）。所以疲劳断裂与应力循环次数(即使

17、用期限或寿命)密切相关。 循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称疲劳极限，以 表示。 不随时间变化的应力，不随时间变化的应力，称为称为静应力静应力随时间变化的应力，随时间变化的应力，称为称为变应力变应力具有周期性的变应力，具有周期性的变应力，称为称为循环变应力循环变应力变应力的循环特性变应力的循环特性 平均应力平均应力 应力幅应力幅 应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用用r r表示，即：表示，即： 当当max

18、max-minmin时，循环特性时，循环特性r=r=1 1，称为对称循环，称为对称循环变应力变应力，其，其a amaxmax= =一一minmin，m m=0=0。 当当maxmax00、minmin= =0 0时，循环特性时，循环特性r=0r=0，称为脉动循，称为脉动循环变应力环变应力 ( (图图d)d)，其，其a am m= =（1/21/2）maxmax。静应力可看。静应力可看作变应力的特例，其作变应力的特例，其maxmaxminmin，循环特性，循环特性r r+1+1。2minmaxm2minmaxa3. 安全系数安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定得过大

19、将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。 计算时采用查表法选取安全系数(或许用应力) 。 1.2 刚度准则刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 ，yy1.3 耐磨性准则耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。磨损与耐磨性磨损与耐磨性运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。零件抗磨损的能力称为耐耐磨性磨性。 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。 出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停车检修、更换零件。 机械中磨损的主要类型机械中磨损的主

20、要类型: 1磨粒磨损；2粘着磨损(胶合) ；3疲劳磨损(点蚀)；4腐蚀磨损磨粒磨损：磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。粘着磨损粘着磨损(胶合胶合)：加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合)。疲劳磨损疲劳磨损(点蚀点蚀)：在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮、齿轮等，受

21、载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。腐蚀磨损：腐蚀磨损：在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。 1.4 振动和噪声准则振动和噪声准则 0.85Pfff-固有频率；fp -激振振源的频率 1.5 热平衡准则热平衡准则 1.6 可靠性准则可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。 14 机械零件常用的材料及其选择原则机械零件常用的材料及其选择原则 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，

22、其次是有色金属合金。机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。非金属材料如塑料、橡胶等。1、黑色金属 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。在其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。在 上述铸铁中，以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。上述铸铁中，以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。铸钢铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。强度性比铸铁好，但比锻 钢和轧制钢差。铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造 时，壁厚常不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大

23、，故铸钢件的 圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。钢钢-结构钢、工具钢和特殊钢结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构构 件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢(如不锈钢、耐热钢、如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等耐酸钢等)用于制造在特殊环境下工作的零件。用于制造在特殊环境下工作的零件。碳钢与合金钢应用最广泛。含碳量小于2的铁碳合金称为钢，含碳量大于2的称为铸铁。选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用

24、价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。例如，我国新颁布的齿轮减速器规范中，已采用类合金钢。例如，我国新颁布的齿轮减速器规范中，已采用35SiMn和和ZG35SiMn等代替原用的等代替原用的35Cr、40CrNi等材料。等材料。 碳素钢的性质主要取决于含碳量碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。 低碳钢低碳钢: :含碳量低于含碳量低于0 02525，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有，它的强度极限和屈

25、服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在接构件等。含碳量在0.2的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。 中碳钢中碳钢: :含碳量在含碳量在0.30.30.

26、50.5，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。 高碳钢高碳钢: :含碳量在含碳量在0.550.550.70.7，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。 合金结构钢：钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如：镍能提高强度而钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如：镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐

27、腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；钼的作用类似于锰，其影响更大些；钒能提高韧性及提高钢的耐磨性、强度和韧性；钼的作用类似于锰，其影响更大些；钒能提高韧性及强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的，强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的，特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意，合金钢的优良特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于

28、适当的热处理。性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。3、非金属材料塑料轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝 缘体。以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的 塑料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零 件。以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压 结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承衬和摩 擦片等。陶瓷电热性好，硬度高。橡胶弹性、绝缘性好，常用作联轴器或减震器的弹性元件和密封元 件、减震元件，硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。4、复合材料二、机械零件材料选用的原则 1、使用要求2 、工艺要求3、经济性要求

29、 2、有色金属a) 铝合金重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。b) 铜合金黄铜：Cu与Zn合金，具有很好的塑性及流动性，故可进行辗压和铸造。 青铜：Cu与Sn的合金 无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金，青铜减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。此外，还有轴承合金此外，还有轴承合金(或称巴氏合金或称巴氏合金)，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。15 标标 准准 化化 标准化的意义：标准化的意义：在制造上可以实行专业化大量生产，在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；在设计方面可减少设既可提高产品质量又能

30、降低成本；在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。损坏的零件。 标准种类：标准种类：按照标准的层次，我国的标准分为国家按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。按照标准标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。按照标准实施的强制程度，标准又分为强制性实施的强制程度，标准又分为强制性(GB)和推荐性和推荐性(GBT)两种。强制性标准，必须执行。而推荐性标准，鼓两种。强制性标准，必须执行。而推荐性标准，鼓励企业自愿采用。励企业自愿采用。 为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采为

31、了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标准和国外先进标准。近年发布的我国国家标准，用国际标准和国外先进标准。近年发布的我国国家标准，许多都采用了相应的国际标准。许多都采用了相应的国际标准。16 工艺性工艺性 设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造能力，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。但费工费料很不经济。 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加

32、工而加工费用又很低，则这样的零件就称为具有良好的低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性工艺性。工艺性的基本要求 (1)(1)毛坯选择合理毛坯选择合理 机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。铸造、锻造、冲压和焊接等。 (2)(2)结构简单合理结构简单合理 设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面( (如平面、圆柱面、螺旋面如平面、圆柱面、螺旋面) )及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。最少和加工面积最小。 (3)(3)规定

33、适当的制造精度及表面粗糙度规定适当的制造精度及表面粗糙度 零件的加工费用随着精度的零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。17 机械设计的最新进展机械设计的最新进展 1.设计理论的不断完善与发展；2.设计手段和方法的不断更新；3.机械设计的综合程度越来越高，与其它学科交叉越来越广泛和

34、深入机电一体化；4.机械设计的实验研究技术有了很大的发展和提高，实验与理论相互促进5.现代机械设计和方法所包括（哲学 解剖学 社会学 应用力学 机械电子学 电子计算机）1、内容的繁杂性涉及知识面广，综合应用多学科知识涉及知识面广，综合应用多学科知识 , 与理论性与理论性课程在体系和内容上有较大不同课程在体系和内容上有较大不同2、工程性：大量数据、表格、标准等设计资料的应用，进行方案，材工程性：大量数据、表格、标准等设计资料的应用，进行方案，材料，参数，结构等选择料，参数，结构等选择3、对策设计主线 工作情况 受力分析 失效形式 设计准则 设计步骤4、还应考虑选材、标准的应用场合、结构和制造方法

35、 18 本课程的特点本课程的特点 教学环节教学环节1.理论教学环节：理论教学理论教学环节：理论教学64学时、实验教学学时、实验教学8学时学时2.实践教学环节：课程设计实践教学环节：课程设计3周。周。考核考核作业要求作业要求字迹工整字迹工整独立、认真完成独立、认真完成符合要求符合要求:先写公式，再带入数据，先写公式，再带入数据，然后是然后是计算结果，单位。计算结果，单位。建议教材、参考书目与推荐网站建议教材、参考书目与推荐网站1建议教材建议教材（1）机械设计，濮良贵等主编，高等教育出版社，2007年2教学参考书教学参考书（1）机械设计基础，黄华梁主编，高等教育出版社，2007年;（2）机械设计，

36、吴宗泽主编，高等教育出版社，2006年;（3）机械设计，邱宣怀等主编，高等教育出版社，2001年3推荐网站推荐网站:（1）高等教育出版社立体化教学网：http:/4A.HEP.EDU.CN（2）东南大学机械设计网站：http:/ 课程要求（1）了解疲劳曲线及极限应力曲线的意义及用途，掌握载荷和应力的分类及静应力下机械零件的强度和稳定变应力下机械零件的强度计算。（2）熟悉影响疲劳强度的因素及提高零件强度的措施。 1. 判断危险截面处的最大应力（判断危险截面处的最大应力（、）是否小于或等于许）是否小于或等于许用应力（用应力（【】、【】）。）。强度条件：强度条件：强度判定时，比较的计算应力(、)是否

37、小于零件材料的许用应力(、)。即 ,SSSSlimlim,而，而2-1 判断零件强度的方法判断零件强度的方法 式中：，式中：，lim、lim分别为极限正应力和极限切应力；分别为极限正应力和极限切应力；S为安全系数。为安全系数。2. 判断危险截面处的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数。 limlim/ ,/SSS2-2 应力的种类应力的种类 不随时间变化的应力，称为静应力。随时间变化的应力，称为变应力。具有周期性的变应力称为循环变应力。 1. 静应力下的许用应力静应力下的许用应力 1）单向静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应

38、取材料的屈服极限s作为极限应力，故许用应力为： , SSSS BS22224 ,3 bTbT 对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限B作为极限应力，其许用应力为： 2）复合应力时的塑性材料零件根据第三或第四强度理论确定其强度条件。 强度条件： 式中： bT弯曲应力；切应力根据第三强度理论近似取 2SS3SS22222=(/) =S SbSSTSSSSSS/或S /, 根据第四强度理论近似取 则复合安全系数计算式为： 2. 变应力的循环特性变应力的循环特性 maxminmaxminminmax,22marm平均应力； a应力幅值；max最大应力； min最小应力；r 应力比（循环特性） 描述规律

39、性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂 。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤积累到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂（未裂开的截面积不足以承受外载荷）。所以疲劳断裂与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。 循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，称疲劳极限，以 表示。 不随时间变化的应力，不随时间变化的应力，称为称为静应力静应力随时间变化的应力，随时间变化的应力，称为称为变应力变应力具有周期性的变应力，具有周期性的变应力，称为称为循环变应力循环变应力变应力的循环特性变应力的循环特性 平均应力平

40、均应力 应力幅应力幅 应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用用r r表示，即：表示，即： 当当maxmax-minmin时，循环特性时，循环特性r=r=1 1，称为对称循环，称为对称循环变应力变应力，其，其a amaxmax= =一一minmin，m m=0=0。 当当maxmax00、minmin= =0 0时，循环特性时，循环特性r=0r=0，称为脉动循，称为脉动循环变应力环变应力 ( (图图d)d)，其，其a am m= =（1/21

41、/2）maxmax。静应力可看。静应力可看作变应力的特例，其作变应力的特例，其maxmaxminmin，循环特性，循环特性r r+1+1。2minmaxm2minmaxa3. 安全系数安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定得过大将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。 计算时采用查表法选取安全系数(或许用应力) 。 2-3 材料的疲劳特性材料的疲劳特性 1、 N疲劳曲线疲劳曲线材料的疲劳特性可用最大应力max、应力循环次数N、应力比（循环特性）r来描述。rNrN或在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限 表示循环次数N与疲劳极

42、限间的关系曲线，称为疲劳曲线（N）。）。 AB段应力循环次数时的变应力为静应力强度的状况，即试件破坏时的最大应力值基本不变；BC段疲劳极限几乎与循环次数的变化无关，称为应变疲劳或低周疲劳，AC段合称为低周循环疲劳，不介绍。 CD段有限寿命疲劳阶段，即经过一定次数的交变应力作用后总会发生疲劳破坏，其上任一点所代表的疲劳极限，称为有限寿命疲劳极限，用 表示（r-应力比，N-相应的应力循环次数），而机械零件的疲劳大多发生在sN曲线的CD段，可用下式描述： rNmrNCD()NCNNND点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为： rNrD)NN（rmmrNr0NNC即如果作用的变应力的最大

43、应力小于D点的应力，则应力无论变化多少次，材料均不会破坏。 表示D点对应的疲劳极限，D点对应的循环次数ND由于有时很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r，于是有 从而，有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为： 式中， r、N0及m的值由材料试验确定。 例：钢材在弯曲疲劳和拉压疲劳时，m=620，N0=（110）106，钢制零件受弯曲疲劳时：中等尺寸零件取m=9，N0=5106，大尺寸零件取m=9，N0=5107. CD及D以后代表的疲劳称高周循环疲劳，而零件的失效大都由高周疲劳引起。 2. 等寿命疲劳曲线（极限

44、应力线图） 机械零件材料的疲劳特性除用N曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。 用AC折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。 直线 AD上任何一点代表了一定应力时的疲劳极限，横轴上任何一点代表了应力幅等于零的应力，即静应力，C上任何一点均代表 maxmaS的变应力状况。 因而，零件材料（试件）的极限应力曲线即为折现AC。材料中发生的应力若处于OAC区域以内，表示不发生破坏，此区域意外，一定发生破坏，若处于折线上，则表示工作应力状况正好达到极限状态。 已知两点坐标： 001(0,)(,)22AD及1a

45、m ma,求得A直线的方程为： 式中： 为试件受循环弯曲应力时疲劳极限的平均应力与应力幅值；为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定： 1002对于碳钢，0.10.2，对于合金钢，0.20.3。 2-3 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。 以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即 11eK1K及则当已知 时，可估算出零件的对称循环弯曲疲劳极限为 11eK在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。 一

46、零件的极限应力线图一零件的极限应力线图 将零件材料的极限应力线图中的直线ADG 按比例向下移，成为图所示的直线ADG，而极限应力曲线的 CG 部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。 已知两点坐标： 01,0(0)22ADKK，及（，）111=eaeemeaeemeKK 或aemeS求得： 直线CG的方程为 10021=aemeeeKK为零件受循环弯曲应力时的极限应力幅；为零件受循环弯曲应力时的极限平均应力；为零件受循环弯曲应力时的材料常数11=1)-qqKkKk为弯曲疲劳极限的综合影响系数，（式中：零件的有效应力集中系数（脚注 表示正应力条件，下

47、同）零件的尺寸系数；零件的表面质量系数；零件的强化系数。对于切应力，可仿照上式获得。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C。 疲劳强度计算是采用安全系数法判断零件危险截面处的安全程度，其条件是：SS,这门课主要介绍简单加载情况，即r=常数时单向应力状态和复合应力状态时的安全系数。二单向稳定变应力时的疲劳强度计算当进行零件疲劳强度计算时，需找到一个其应力比与零件工作应力的应力比相同的极限应力值，因为：当工作应力增长过程符合r=常数的规律，则 minmax/()/ ()(1-/)/ (1+/)=mamaamamr常数要

48、使r=常数， /am都必须保持不变，这时， am和应按 同一比例增长。 所以，应首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。 11MN或11,OMON，得到或则射线上任何一个点所代表的应力循环均具有相同的应力比。并从坐标原点引射线通过工作应力点M或N、与极限应力曲线交于0110010-2:(0,),(,)=222amKKKADAGKK已知求得方程为：1aemeK 化简得：:(0,0),(,),=maemaameOMOM已知求得方程为：meaema化简得：1(,),MmeaemeaeM从而求出把和相加，可求出对应于

49、点的疲劳极限：11maxmaxae()mameamamKK 则计算安全系数 及强度条件式为： caSmaxlim1maxcaamSSK 相应切应力安全系数按上述过程进行符号替换即可。 1NCGSN对于塑性材料，工作点位于塑性安全区，此时对应于 点的极限应力点位于直线上，则其极限应力即为屈服极限即：工作应力为N点时，可能发生的是屈服失效，故只需进行静强度计算。在工作应力为单向应力时，强度条件为： limmaxSScaamSS 对图分析可知：凡是工作应力点位于OGC区域内时，在r=C的条件下，极限应力统称为屈服极限，只需进行静强度计算。 三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 变应力 （对称循环变应

50、力的最大应力或不对称循环变应力的等效对称循环变应力的应力幅）作用了n1次， 作用了n2次等。把此所示的应力图放在材料的 坐标上，如上图示。根据 曲线，可找出仅有 作用时使材料发生疲劳破坏的应力循环次数N1。假设应力每循环一次都对材料的破坏起相同作用，则应力 每循环一次对材料的损伤率即为1/ N1，而循环了n1次的 对材料的损伤率即为n1/ N1。如此类推，循环了n2次的 对材料的损伤率即为n2/ N2等。 当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有： 112233/1nNnNnNmmrNr0NNC根据可得：1111020012() ,() ,.,()mmmiiNNNNNN1

51、1ziiInN则不稳定变应力的极限条件为： 1112201011(.)1zmiimmmizzmmnnnnNN如果材料在应力作用下未达到破坏，则 1011zmiiimnN101110111,zmmcaiicaizmiiicacamcanNnSSN令，称为不稳定变应力的计算应力，这时为此时，计算安全系数四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力a 和a时，由实验得出的极限应力关系式为： 22aa1 e1 e1a1 e1 ea1111,aaaacaeeeeOMOCODSOCOCODODOMOCOD式中a及a为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。 上式在 坐标系上

52、是一个单位圆，如图示。 由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线 AMB 上任何一个点即代表一对极限应力a及a。 若作用于零件上的应力幅a及a如图中M点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。引直线OM与AB交于M点，则计算安全系数 22aa1e1e,1cacaacaaacaaSSSS 化简得：，从而得：从强度计算观点来看： 1eaa1eaa2222,1,=+cacacaSSSSS SSSSSS是零件上只承受切应力 时的计算安全系数，是零件上只承受法向应力时的计算安全系数，故亦即11=amamSSKK 及当零件上承受的两个变应力均为不对称循环的变应力时，可先求

53、出： 22=+c aSSSSS后代入 求出零件的计算安全系数。 五、提高机械零件疲劳强度的措施1.尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。2.在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。3.在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。 4.适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。5.尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。 减载槽2-3 机械零件的抗断裂强度机械零件的

54、抗断裂强度 在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，这种现象称为低应力脆断。 通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。 对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。 断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。工程中常认为裂纹尺寸大于0.1mm，称为宏观裂纹。断裂力学建立了构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹扩展能力三者之间的定量关系。 为了度量含裂纹结构体的强度

55、，在断裂力学中运用了应力强度因子KI（或K、K）和断裂韧度KIC (或KC、KC）这两个新的度量指标来判别结构安全性， 即：KIKIC时，裂纹不会失稳扩展。KIKIC时，裂纹失稳扩展。单位为MPamm0.5。 断裂力学在工程上主要应用于估计含裂纹构件的安全性和使用寿命，确定构件在工作条件下所允许的最大裂纹尺寸，可用断裂力学指导结构的安全性设计。本节仅简略介绍一些有关的基本概念，进一步了解和学习断裂力学知识，可参考有关专著或教材。2-4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。 这时零件强度称为接触强度。 对于线接触

56、的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。 12H2212121111FBEE式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外接触，负号用于内接触。F为作用于接触面上的总压力；B为初始接触线长度；1、2分别为零件1和零件2材料的泊松比；E1和E2分别为零件1和零件2材料的弹性模量。接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。 疲劳点蚀疲劳点蚀 机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约

57、的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m20m处产处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展( (如有润滑油，如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展) )，终于，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑一些小坑( (图图9-7)9-7)。这种现象称为。这种现象称为疲劳点蚀疲劳点蚀。疲劳点。疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声

58、。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。接触疲劳强度接触疲劳强度 接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：H HH H ，而，而H H= = Hlim Hlim /S/SH H式中式中HlimHlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于为由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其经验公式为钢，其经验公式为HlimHlim=2.76HBS-70(MPa).=2.76HBS-70(MPa).若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。作用在两圆柱体上的接触应力具有大小相限

59、为准。作用在两圆柱体上的接触应力具有大小相等，方向相反，且左右对称及稍离接触区中线即迅等，方向相反，且左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力，故速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力，故安全系数安全系数S SH H可取等于或稍大于可取等于或稍大于1.1.一、机械传动在机械中的作用和分类一、机械传动在机械中的作用和分类 许多机器由原动机、传动装置、工作机和控制系统组成原动机常许多机器由原动机、传动装置、工作机和控制系统组成原动机常采用电动机，电动机的转速较高，一般为单向、连续、恒速转动，而采用电动机，电动机的转速较高，一般为单向、连续、恒速转动，而工作机要求的运动

60、方式多种多样为了满足工作机的要求，在电动机工作机要求的运动方式多种多样为了满足工作机的要求，在电动机和工作机之间安排了传动装置。和工作机之间安排了传动装置。 传动装置的作用：减速或增速，有级或无极变速，实现有规律的停歇、反减速或增速，有级或无极变速，实现有规律的停歇、反转分离或接合，改变运动形式（如把转动变成摆动或移动转分离或接合，改变运动形式（如把转动变成摆动或移动) )，运动的合成或分，运动的合成或分解解( (把一个原动机的动力分配给几个工作机或把几个主动轴的运动合成，传给把一个原动机的动力分配给几个工作机或把几个主动轴的运动合成，传给一个从动轴一个从动轴) )等近年来，在机电一体化的产品