第1章机械零件设计概论

§1.1

机械、机器、机构及其组成§1.2本课程的内容、性质的任务§1.3机械设计的基本要求和设计

过程§1.4机械零件的工作能力及其计算准则§1.5机械零件的载荷、应力和许用应力§1.6

机械零件的材料的选用原则§1.7机械设计的新发展第一章概论1.1机械、机器、机构及组成机械：机器与机构的总称

机器：是能执行机械运动并被用来变换或传递能量、物料与信息的装置。由动部分、传动部分、执行部分组成。零件：是机器最基本的组成要素，是制造的最小单元。构件：机器中最小的运动单元。构件可以是一个零件，可能是多个零件连接在一起组成。

辅助系统（润滑、显示、照明......)控制系统动力部分传动部分执行部分

机构只能变换或传递运动和力，而机器除能变换或传递运动和力之个，还具有变换或传递能量、物料和信息的功能。1.1机械、机器、机构及组成运动角度:由若干个可以相对运动的构件组装而成的。结构角度:由机构组成的，而机构则是由一些能相对独立运动的构件组成的。机器制造角度:由若干个机械零件装配面成的。气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮91.2

本课程的内容、性质和任务研究内容和要求研究内容：工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、参数选取、结构设计。

基本要求：掌握：零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法；结构设计和使用、维护知识。学会：分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、

标准、规范(某产品的要求、规定)等有关资料。具有：设计(或改进)通用零件或简单传动装置的能力。

1.3

机械设计的基本要求和设计过程一、机械设计的基本要求

在完成规定功能的前提下，力求性能好、效率高、成本低，在规定使用期内，做到安全可靠、操作方便、维护简单和造型美观。1、运动学和动力学方面的要求2、工作可靠性方面的要求3、经济性方面的要求4、操作方便、安全性和环境保护方面的要求1.3

机械设计的基本要求和设计过程二、机械的一般设计过程

1、计划阶段2、方案设计阶段3、总体技术设计阶段4、零件技术设计阶段5、改进设计阶段调查研究方案构思获取设计任务书研究方案评价获原理性设计方案获总体结构草图总体设计零件设计获总装配图和零件图样机试制综合评价获各种上设计技术文件总体设计零件设计计划阶段方案设计阶段技术设计阶段改进设计阶段一、机械零件的工作能力

失效：工

作

能

力：承

载

能

力：1.4机械零件的工作能力及其计算准则机械零件由于某种原因不能正常工作。不失效前提下，零件能安全工作的限度。以载荷衡量零件工作能力时，零件所能承受的最大载荷二、零件的失效1）零件失效的形式：

2)衡量零件工作能力的指标：强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性零件断裂或发生塑性变形零件工作表面出现疲劳破坏或过度磨损零件的弹性变形过大零件发生强烈振动1.4

机械零件的工作能力及其计算准则三、机械零件的计算准则强度计算准则(整体强度和表面强度)：刚度计算准则；抗磨性计算准则：耐热性计算准则：振动稳定性准则

防止失效的判定条件（计算准则):

计算量<许用量1.4

机械零件的工作能力及其计算准则实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:p≤

[p]

[p]由实验或同类机器使用经验确定相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量

fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将

pv值与许用的

[pv]值进行比较。即:pv≤

[pv]1.4

机械零件的工作能力及其计算准则磨损—运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。耐磨性—零件抗磨损的能力。

磨损↑→间隙↑、精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、噪音↑据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。

磨损的主要类型：1)磨粒磨损2)粘着磨损(胶合磨损)在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受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疲劳点蚀。在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，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。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(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。3)疲劳磨损(疲劳点蚀)4)腐蚀磨损1.4

机械零件的工作能力及其计算准则1.5机械零件的载荷、应力和许用应力一、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:

=常数变应力:

随时间变化平均应力:应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力otσ变应力的循环特性:σmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ----脉动循环变应力----对称循环变应力

-1=

0+1----静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例1.5机械零件的载荷、应力和许用应力载荷系数

---考虑各种附加载荷因素的影响。记为:K。名义载荷

---在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷

---载荷系数与名义载荷的乘积。计算应力

---按计算载荷计算所得之应力：名义应力

---按名义载荷计算所得之应力。二、静应力下的许用应力，

[]、[]----许用应力；S----安全系数；

lim、

lim

----极限应力，由实验方法测定。在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入1.5机械零件的强度二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料：取屈服极限

S作为极限应力，许用应力脆性材料：取强度极限

b

作为极限应力，许用应力三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式：疲劳断裂。疲劳断裂特征如下：

1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限b低，甚至比屈服极限S还低。2）疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。

若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。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20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于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。失效形式常表现为：疲劳点蚀后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑1.5机械零件的载荷、应力和许用应力1.5机械零件的载荷、应力和许用应力1、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当N>N0

时，试件将不会断裂。N0

---循环基数N0对应的应力称为：对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。当N<N0

时，有近似公式：1.5机械零件的载荷、应力和许用应力2、许用应力

在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力：当应力是脉动循环变化时，许用应力：

σ0—材料的脉动循环疲劳极限；S—安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，有限寿命时，用σ-1N代入得：四、安全系数

安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1)静应力下，塑性材料的零件：S=1.2~1.5

铸钢件：S=1.5~2.5S↑典型机械的

S可查表求得。无表可查时，原则如下：→

零件尺寸大，结构笨重。S↓→

可能不安全。2)静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：

S=3~43)变应力下，

S=1.3~1.7

材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7~2.51.5机械零件的载荷、应力和许用应力1.6机械制造常用材料及其选择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。一、金属材料1、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁2、钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢铸铁常金材用属料钢铜合金---含碳量>2%---含碳量≤

2%铁碳合金特点：良好的液态流动性、可铸造成形状复杂的零件、较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。1.6机械制造常用材料及其选择选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。

常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚

碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件

1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分

我国资源丰富

1.6机械制造常用材料及其选择3、铜合金—铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：良好的塑性和液态流动性；良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类：青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）—含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料1、橡胶

橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。

1.6机械制造常用材料及其选择2、塑料

塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件；不同塑料具有不同特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等；近年来在机械制造中其应用日益广泛。

3、其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。

用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。1.6机械制造常用材料及其选择

常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB

屈服极限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢

40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚

10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚

30~2001.7机械设计的新发展优化设计可靠性设计智能设计稳健设计并行设计虚拟设计绿色设计1.1教学基本要求

1.弄清机器与机构、构件与零件的概念，了解它们的区别和联系。

2.明确机械的基本设计要求；初步理解机械零件的主要失效形式以及强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性等工作能力计算准则。

3.能正确判断零件中应力的循环特性，了解疲劳断裂和疲劳点蚀的产生机理和影响因素。

4.了解机械设计常用材料的选用原则。1.2重点与难点分析

本章的重点是机器与机构、构件与零件的概念以及机械零件的工作能力计算准则，难点是变应力下许用应力的确定。

1.零件零件是机器最基本的组成要素，它是加工制造时的最小单元。

2.构件构件是机器中最小的运动单元。构件可以是单个零件，但是由于结构和工艺上的需要，常常将几个零件固定联接在一起，组成一个构件。机器中各构件之间会产生相对运动，但同一构件上的零件之间无相对运动。

3.机构机构是能变换或传递运动与动力的、用可动联接组合而成、而且有一个构件被固定的构件系统。机构作为一个构件系统，用来传递运动和力。4.机器机器是能执行机械运动、并用来变换或传递能量、物料与信息的装置。一部机器可以是单个机构，但是大多数机器由多个机构组成。例如鼓风机和动机只包含一个机构，而内燃机则包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等多个机构。除构件系统之外，机器还可能含有电气、液压、气压、光学等其他系统，因此机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料与信息的功能。

5.机械由于机器的主体是由机构组成的，在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之间并无区别，因此人们把机器与机构统称为机械。

6.机械零件的工作能力机械零件抵抗失效的能力，称为机械零件的工作能力。其中强度是零件抵抗断裂、塑性变形以及表面损坏的能力；刚度是零件抵抗弹性变形的能力；抗磨性是零件表面的抗磨损能力；耐热性是零件在较高温度下抗蠕变、抗氧化和抗热变形的能力；振动稳定性是零件在周期性外力作用下不发生剧烈振动的能力。零件设计中通常使用一些计算公式来判断零件是否具有足够的工作能力，这些计算公式称为机械零件的工作能力计算准则。

7.机械零件的强度计算准则强度计算准则通常用零件的最大工作应力（正应力σ或切应力τ）不大于零件的许用应力（[σ]或[τ]）来表示。需要注意，大多数机械零件的工作应力属于变应力。在变应力下工作的零件，其许用应力既与应力循环特性r有关，也与应力循环次数N有关，还与零件产生初始裂纹的难易程度有关。在许用应力的计算公式中，寿命系数用来考虑应力循环次数的影响；表面状况系数、应力集中系数和尺寸系数用来考虑零件产生初始裂纹难易程度的影响。

1.3自测试题

1.3.1判断题

1.电子计算机也是一种机械