MD2机械设计课件

教师：陈延伟第二章机械设计总论1机器设计程序及要求零件设计方法及步骤23机械零件的强度摩擦磨损及润滑4ContentabstractPart1：机器设计程序及要求

作为设计者要了解：机器的基本组成是什么？机器设计的基本要求是什么？机器设计的一般程序是什么？机器设计常用的设计方法有哪些？

设计者思维机器的组成Part1：机器设计程序及要求1轿车组成：机器的组成Part1：机器设计程序及要求1原动机部分传动部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传动装置――在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。任何机器都是由许多零件组合而成的。

几个基本概念Part1：机器设计程序及要求21）机械――机器和机构的总称。

2）机械零件――是机器的制造单元。分为：通用零件：各种机器中常用的。(是本课程的主要学习对象）

例如：齿轮、链传动、带传动、轴、联轴器轴承、螺栓、键、铆、焊结构件、弹簧等。专用零件：只在某些特定的机器中才用到的。(在有关专业课中学习)

例如：叶片、曲轴等。3）部件――为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。例如：滚动轴承、减速器等。机械零件－－常用泛指零件和部件机械设计的类型Part1：机器设计程序及要求3实现自主创新，拥有自主自主知识产权主要依靠开发性设计。创新性最强、过程最完整。对现有的机械进行局部的修改或增补。不改变机械的基本结构、只改变机械功能的范围、机械的尺度和参数。一、机械设计的过程设计的类型适应性设计开发性设计参数化设计工作原理主体结构功能三者中至少应该有一项是首创的设计机器的一般程序Part1：机器设计程序及要求4计划阶段提出要求洗衣机自动进水洗涤甩干（脱水）方案设计提出尽可能多的解决方法筛选、决策、评价（可靠性、经济上），选出最佳方案。单缸双缸滚筒模糊控制自适应控制双模控制技术设计目的：确定机械中各个零部件的结构尺寸（量化）绘图、对方案具体实施，出图。技术文件编制：编制设计计算说明书。设计机器的基本要求Part1：机器设计程序及要求51、使用功能要求实现预定功能，工作可靠。2、经济性要求生产成本低、使用消耗小、维护费用低。措施：1）设计中采用“三化”零部件；标准化、系列化、通用化2）应用成熟的新技术、新材料及合理的工艺。3）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。3、劳动保护和环境保护要求4、寿命与可靠性的要求噪音、废气、废液。5、其它专用要求Part2：零件设计方法及步骤

作为设计者要了解：机械设计的一般程序是什么？机械零件设计的基本要求是什么？机械零件的设计为什么要根据失效形式来确定设计准则？机械设计常用的设计准则有哪些？如何正确选择机械零件常用的材料？机械零件材料的选择原则是什么？

设计者思维设计机械零件时应满足的基本要求Part2：零件设计方法及步骤1

避免在预定寿命期内失效的要求

结构工艺性要求

经济性要求

质量小的要求

可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。设计的结构应便于加工和装配。

零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。

质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。应降低零件发生故障的可能性（概率）。机械零件的主要失效形式Part2：零件设计方法及步骤2（一）整体断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。机械零件的主要失效形式Part2：零件设计方法及步骤2（二）过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形机械零件的主要失效形式Part2：零件设计方法及步骤2（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损机械零件的主要失效形式Part2：零件设计方法及步骤2（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。机械零件的设计准则Part2：零件设计方法及步骤3

强度准则刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：耐磨性准则

振动稳定性准则可靠性准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。：确保零件不发生过大的弹性变形。：通常与零件相对滑动速度和接触面压强相关。：高速运转机械的设计应注重此项准则。：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。（1）计算机辅助设计机械零件的设计方法Part2：零件设计方法及步骤4常规设计方法现代设计方法3.模型实验设计（1）理论设计（2）经验设计

（3）模型实验设计（2）有限元设计（3）可靠性设计（5）优化设计（4）摩擦学设计（6）绿色设计机械零件的设计方法Part2：零件设计方法及步骤4常规设计方法现代设计方法常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明的过程。该方法强调以成熟的技术为基础，目前常规机械设计方法仍然是机械工程中的主要设计方法。现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。现代设计方法从不同角度深化了机械设计，提高了产品的设计质量，也降低了产品的成本。Part2：零件设计方法及步骤现代设计方法的趋势以动态的取代静态的，如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的，如有限元计算。以随机量取代确定量，如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计，如优化设计。并行设计取代串行设计，如并行设计。微观的取代宏观的，如微-纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法，如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化，如计算机辅助设计。现代设计方法Part2：零件设计方法及步骤（1）计算机辅助设计（2）有限元设计（3）可靠性设计（5）优化设计（4）摩擦学设计（6）绿色设计常规设计方法Part2：零件设计方法及步骤（1）理论设计：（2）经验设计

（3）模型实验设计设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。

校核计算：先确定零件的结构尺寸，再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。FF例如设计计算校核计算机械零件设计的一般步骤Part2：零件设计方法及步骤5选择零件类型、结构

计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计校核计算画出零件工作图写出计算说明书机械零件常用的材料Part2：零件设计方法及步骤6：铝(ZA12)、铜(ZCuSn10P1)……黑色金属有色金属铁钢金属材料非金属材料密度小、耐蚀性好、化学稳定性好

：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢……(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰铸铁、球墨铸铁……(如：HT300QT500-5)强如钢、轻如铝、硬如金刚石强度高、弹性模量大、质量轻（塑料、橡胶、合成纤维）复合材料陶瓷高分子材料机械零件材料选用原则Part2：零件设计方法及步骤7（1）载荷及应力的大小和性质（2）零件的工作情况（5）零件的结构及加工性（6）材料的经济性（4）零件的尺寸及重量有强度和重量要求，选强密比高的；有刚度要求，选弹性模量大的（对碳钢，这种情况下宁肯用较低强度的材料）；有接触强度和耐磨要求，选表面可强化处理的。毛坯要与生产规模相适应，大批量宜用铸造、模锻，小批量宜用焊接、自由锻。相应的：铸件要求液态流动性好、缩孔和偏析倾向小；焊件要求可焊性好、不易开裂；锻件要求延展性好、热脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整；热处理件要求可淬性、淬透性好，变形倾向小。相对价格要低、材料利用率要高、加工费用要少，最终要与生产规模相适应。使用要求工艺要求经济要求

强制性国家标准：代号为GB××××(标准序号)－××××(批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。机械零件设计中的标准化Part2：零件设计方法及步骤8标准化：就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。

标准化的益处：

与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISO

GB

JB、HB

QB

国家标准分为：强制标准和推荐标准标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国家标准，以期取得事半功倍的效果。Part3：机械零件的强度强度（Strength）抵抗断裂、点蚀及塑性变形等破坏性失效的能力强度约束：载荷(Load)：作用在零件上的外力、弯矩、扭矩以及冲击能量等1)根据性质分类：静载荷(StaticLoad)动载荷(VaryingLoad)一、载荷和应力(LoadandStress)如：重力、匀速转动时所受离心力等如：行驶在路面的汽车内零件所受的载荷、刀具所受的切削力等Part3：机械零件的强度2)根据计算方法分类：工作载荷(workingload)：名义载荷(nominalload)：机器正常工作所受的实际载荷机器在理想和稳定条件下的载荷计算载荷(computationalload)：考虑机器工作中所受的各种附加载荷而得到的载荷K(loadfactor)：载荷系数12近似代替实际载荷，设计时均用此载荷计算载荷=K

×名义载荷可根据原动机的额定功率或工作阻力按理论力学的方法求出Part3：机械零件的强度应力静应力(staticstress)变应力(varyingstress)变应力稳定循环不稳循环随机(random)T、σa、σm不随时间而变T、σa、σm之一随时间而变随机变化，均不确定tttσσσ主要讨论稳定循环变应力！0003)应力(stress)Part3：机械零件的强度稳定循环变应力的几个主要参数：最大应力(maximumstress)最小应力(minimumstress)平均应力(meanstress)应力幅(stressamplitude)应力循环特征(stressratio)smax和smin同侧时，r为正值;异侧时，r为负值ts0最大、最小应力对应波峰、波谷，且五个参数中只有两个是独立的！Part3：机械零件的强度几种典型的稳定循环变应力：对称循环（repeatedandreversedstress）脉动循环（repeated,one-directionstress）静应力(staticstress)非对称循环变应力（fluctuatingstress）材料不变时，一般来讲，r越小（越接近-1），循环次数N越多，零件越容易损坏。ts0ts0ts0ts0Part3：机械零件的强度nts请确定下图轴上任一点N所受弯曲应力的应力循环特征值r。变应力既可由变载产生，也可由静载产生！答：当轴静止时，弯曲应力为静应力，r=+1。当轴转动时，弯曲应力为对称循环变应力，r=-1。N例题1:Part3：机械零件的强度二、静应力作用下的强度问题——零件发生破坏、失去承载能力时的应力脆性材料：塑性材料：例如：sb=200MPa45钢：sb=650MPass=360MPa静应力作用下的极限应力：灰铸铁：静应力作用下的失效：断裂或塑性变形强度准则：Part3：机械零件的强度变应力作用下的主要失效：疲劳断裂强度约束：变应力作用下极限应力slim或tlim到底为多少？如何确定？初始裂纹疲劳区(光滑)粗糙区轴实验发现：变应力作用下零件发生疲劳断裂时的应力远低于强度极限sb即：

slim

<sb三、稳定循环变应力作用下的强度问题与应力循环次数N（使用寿命）有关的断裂Part3：机械零件的强度变应力作用下零件的极限应力不唯一，主要与下列因素有关：◆

材料的性能◆

应力的循环次数N（作用时间）◆

应力的循环特征r◆

零件的表面状态◆

零件的大小三个概念：材料的极限应力材料的疲劳极限零件的疲劳极限用标准试件进行强度试验，断裂时的应力值，即为材料的极限应力

如果是疲劳强度试验，则发生疲劳断裂时的最大应力值即为材料的极限应力。此时的极限应力不唯一，与多种因素有关如果是静强度试验，则材料的极限应力是固定值(屈服极限或强度极限)为示区别，变应力作用下的极限应力也叫疲劳极限应力Part3：机械零件的强度四、机械零件的接触强度问题机械设备中各零件之间力的传递，一般是通过两个零件的接触来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触如齿轮、凸轮、滚动轴承等Part3：机械零件的强度两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形变成微小的面接触，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，这种现象称为疲劳点蚀接触失效形式常表现为：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。Part3：机械零件的强度由弹性力学可知最大接触应力为：+外接触；-内接触E1、E2为两圆柱体的弹性模量m1、m2为两圆柱体的泊桑比ρΣ为综合曲率半径Fn

为法向力L

为接触宽度Part3：机械零件的强度接触应力的特点：表面的局部的沿中线位置最大接触应力的大小与哪些因素有关？◆外载荷◆接触宽度◆综合曲率半径◆材料（弹性模量）Part3：机械零件的强度—

赫芝公式（Hertz）

Hertz公式也可推广到其它的曲面接触

ρ1ρ2内接触外接触接触强度约束：Part4：摩擦、磨损及润滑理论一、摩擦、磨损及润滑三者关系

当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦。其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或转移，即磨损。据估计，世界上在工业方面约有30%的能量消耗于摩擦过程中。所以人们为了控制零件在摩擦中损坏，在摩擦面间加入润滑剂来降低摩擦，减小磨损的产生，所以说三者互为因果关系。磨损是摩擦的结果；润滑是降低摩擦、减少磨损的重要措施。Part4：摩擦、磨损及润滑理论一、摩擦的分类静摩擦动摩擦1.按运动的状态不同分为：滑动摩擦滚动摩擦2.按运动的形式不同分为：干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦3.滑动摩擦按润滑状态不同分为：Part4：摩擦、磨损及润滑理论三、滑动摩擦的四种摩擦状态1）干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜，表面金属直接接触时的摩擦。2）边界摩擦：是指两摩擦面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能的摩擦。

其摩擦阻力最大，磨损最严重。

反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能力称为极压性。Part4：摩擦、磨损及润滑理论润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅，称为物理吸附膜。

润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。

润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附膜。吸附膜反应膜边界膜分为：物理吸附膜化学吸附膜在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。

边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：

能生成反应膜的润滑油称为极压油。注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。Part4：摩擦、磨损及润滑理论３）流体摩擦：是指摩擦表面完全被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。其摩擦系数最小，且不会产生磨损，是理想的摩擦状态。

边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。4）混合摩擦：是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。

混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。Part4：摩擦、磨损及润滑理论四、典型宏观磨损过程磨损量时间磨合稳定磨损剧烈磨损一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：1）磨合阶段

磨合（跑合）：是指新零件在运转初期的磨损。新摩擦表面的微观形貌新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。Part4：摩擦、磨损及润滑理论2）稳定磨损阶段

这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。3）剧烈磨损阶段

零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。注：应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。磨损量时间磨合稳定磨损剧烈磨损Part4：摩擦、磨损及润滑理论五、磨损的类型

按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：1）粘着磨损也称胶合2）疲劳磨损即疲劳点蚀3）磨粒磨损也称磨料磨损，4）腐蚀磨损

摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。

是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。

是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。

除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他形式。Part4：摩擦、磨损及润滑理论六、减小磨损的主要方法

（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。（2）合理选择摩擦副材料（3）进行表面处理（4）注意控制摩擦副的工作条件等润滑：是指在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，润滑还可起到散热降温、防锈、防尘、缓冲吸振等作用。Part4：摩擦、磨损及润滑理论七、润滑的分类1）流体动力润滑：靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称为动压油膜），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。2）流体静力润滑：两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。3）弹性流体动力润滑：是指理论上为点、线接触的摩擦副，在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑。4）边界润滑和混合润滑（即边界摩擦和混合摩擦）。Part4：摩擦、磨损及润滑理论八、润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。1润滑剂的分类1）液体润滑剂：主要有动植物油、矿物油、水、液态金属等。2）