机械设计的相关基础知识

一、机械零件的主要(zhǔyào)失效形式（一）整体(zhěngtǐ)断裂失效：由于某种原因，机械零件不能正常工作称为失效。机械零件的失效形式主要有：（二）过大的残余变形过载断裂：零件受外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生。疲劳断裂：零件受变应力作用时，危险截面上发生。作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限（塑性变形）机械设计相关基础知识1精品资料（四）破坏正常工作条件引起(yǐnqǐ)的失效（三）零件(línɡjiàn)的表面破坏腐蚀：发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。磨损：两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。接触疲劳：零件表面受接触变应力的长期作用产生裂纹或微粒剥落的现象。2精品资料零件发生哪种形式的失效，与很多因素(yīnsù)有关。但有人对1378项失效所做的分析结果显示，由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏引起的失效占73.88%，断裂引起的失效占4.79%。从中可以看出零件失效的主要原因是腐蚀、磨损和疲劳。3精品资料二、设计(shèjì)机械零件时应满足的基本要求（六）质量(zhìliàng)小（一）强度（二）刚度（三）寿命及可靠性（四）结构工艺性（五）经济性断裂、残余变形统属于强度不足引起弹性变形4精品资料三、机械零件的设计(shèjì)准则0．85＞P或1.15＜P

(一)强度(qiángdù)准则(二)刚度准则(四)振动稳定性准则y≤[y](三)寿命准则5精品资料(五)可靠性准则(zhǔnzé)可靠(kěkào)度的概念有一批某种零件，其件数为N0，在一定的工作条件下进行试验。在t时间后仍有N件在正常地工作，则此零件在该工作环境条件下工作t时间的可靠度R可表示为失效率失效率曲线（浴盆曲线）6精品资料四、机械零件的设计(shèjì)方法(一)理论(lǐlùn)设计(二)经验设计(三)模型实验设计由设计理论和实验数据所进行的设计1、设计计算2、校核计算7精品资料五、机械零件设计(shèjì)的一般步骤机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：

1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。

2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

3)根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可能的失效形式，从而确定零件的设计准则。4)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(例如高温或在腐蚀性介质中工作等)，选择适当的材料(cáiliào)。5)根据设计准则进行有关的计算，确定出零件的基本尺寸。8精品资料6)根据工艺性及标准化等原则进行(jìnxíng)零件的结构设计。

7)细节设计完成后，必要时进行(jìnxíng)详细的校核计算，以判定结构的合理性。

8)画出零件的工作图，并写出计算说明书。9精品资料六、机械零件的强度(qiángdù)名义载荷—在理想的平稳工作条件(tiáojiàn)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载荷系数—机器运转时，零件会受到各种附加载荷的影响（一）载荷的分类静载荷：不随时间变化的载荷。变载荷：随时间变化的载荷。1）循环变载荷a)稳定循环变载荷b)不稳定循环变载荷2）随机变载荷10精品资料随机(suíjī)变应力静应力—不随时间(shíjiān)变化的应力规律性不稳定变应力（二）应力分类变应力—随时间变化的应力不稳定变应力稳定循环变应力11精品资料稳定循环(xúnhuán)变应力的基本参数和种类a)基本参数应力(yìnglì)循环特性最大应力最小应力平均应力应力幅b)稳定循环变应力种类：-1<

γ<+1——不对称循环变应力γ=+1——静应力γ=–1——对称循环变应力γ=0——脉动循环变应力12精品资料（三）静应力(yìnglì)时机械零件的强度计算1、单向(dānxiànɡ)应力下塑性材料零件的强度条件：或2、复合应力时塑性材料零件的强度条件：按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算第三强度理论

第四强度理论13精品资料3、脆性(cuìxìng)材料与低塑性材料脆性材料(cáiliào)极限应力：（强度极限）

1）单向应力状态强度条件：或

失效形式：断裂复合应力计算安全系数为：或14精品资料2）复合应力下工作(gōngzuò)的零件按第一(dìyī)强度理论：15精品资料疲劳断裂具有以下(yǐxià)特征：变应力下，零件的损坏(sǔnhuài)形式是疲劳断裂1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。（四）变应力时机械零件的强度计算16精品资料疲劳破坏的机理：损伤的累积影响因素：不仅与材料性能有关，零件的表层缺陷、截面尺寸突变、应力集中部位(bùwèi)等，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。1、σ—N疲劳曲线：σ—N疲劳曲线在疲劳曲线的左半部（N＜N0）循环(xúnhuán)基数钢m=9——拉、弯应力、剪应力17精品资料2、影响(yǐngxiǎng)机械零件疲劳强度的主要因素应力(yìnglì)集中有效应力集中系数零件尺寸尺寸系数表面状态表面状态系数3、许用应力（五）安全系数1、静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。S=1.2～1.5；对于塑性较差的材料

S=1.5～2.5

2、静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，取较大的安全系数。S＝3～43、变应力下，以疲劳极限作为极限应力S=1.3～1.7或S=1.7～2.518精品资料1、干摩擦(mócā)粘附(zhānfù)理论：按表面润滑情况，将摩擦分为以下几种状态两摩擦表面间不加任何润滑剂七、机械零件的摩擦、磨损与润滑剂（一）摩擦状态19精品资料2、边界摩擦(mócā)（边界润滑）两摩擦表面间有润滑油存在，由于润滑油与金属表面的吸附作用(zuòyòng)，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜。边界油膜厚约0.1~0.4μm

20精品资料摩擦(mócā)是在流体内部的分子之间进行，不会有磨损产生，是理想的摩擦(mócā)状态。3、流体摩擦(mócā)(流体润滑)4、混合摩擦(混合润滑)摩擦表面处于边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。21精品资料1、机械零件磨损(mósǔn)的三个阶段磨合阶段稳定(wěndìng)磨损阶段剧烈磨损阶段磨合的作用摩擦表面轮廓峰的形状变化表面材料被加工硬化（二）磨损类型磨损曲线22精品资料（1）粘附磨损（2）磨粒磨损（3）疲劳磨损（疲劳点蚀）（4）流体(liútǐ)磨粒磨损和流体(liútǐ)侵蚀磨损（冲蚀磨损）（5）机械化学磨损（腐蚀磨损）（6）微动磨损（复合磨损）2、磨损(mósǔn)分类根据磨损机理分类23精品资料润滑剂分为气体、液体(yètǐ)、半固体和固体4种类型1、润滑油有机油(jīyóu)、矿物油、化学合成油润滑油的性能指标：（1）粘度（2）润滑性(油性)（3）极压性

（4）闪点（5）凝点（6）氧化稳定性（三）润滑剂润滑的目的在于降低摩擦功耗，减少磨损，同时还起到冷却、吸振、防锈等作用。24精品资料1）动力(dònglì)粘度粘性(zhānxìnɡ)定律：润滑油流动的阻力或润滑油流动的内摩擦力在流体中任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比。

——国际单位

Pa·s（帕·秒）（1）粘度厘米克秒制单位是P（泊）25精品资料2）运动(yùndòng)粘度我国石油产品是用运动粘度(zhāndù)标定的国际单位制中单位是厘米克秒制单位是St（斯）或cSt

26精品资料（2）润滑性(油性(yóuxìng))是指润滑油中极性分子与金属表面吸附(xīfù)形成一层边界油膜的能力。（3）极压性润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。

（4）闪点

油汽遇火焰即能发出闪光时的最低温度。（5）凝点

在规定条件下，润滑油不能再自由流动时所达到的最高温度。

（6）氧化稳定性

在高温气体中时，会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。这是一些胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。27精品资料2、润滑脂润滑脂是由润滑油和各种(ɡèzhǒnɡ)稠化剂（如钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。钙基润滑脂，它有耐水性，常用(chánɡyònɡ)于60℃以下的各种机械设备中轴承的润滑。钠基润滑脂可用于115～145℃以下，但不耐水。锂基润滑脂性能优良，耐水，在-20～150℃范围内广泛使用，可以代替钙基、钠基润滑脂。3、固体润滑剂石墨、二硫化钼、聚氯乙烯树脂等润滑脂性能指标：（1）锥(针)入度(或稠度)它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。（2）滴点滴点决定了润滑脂的工作温度。28精品资料八、机械零件的材料(cáiliào)及选用（一）机械零件常用材料

1、金属材料

黑色金属

有色金属(yǒusèjīnshǔ)

2、非金属材料

高分子材料

陶瓷材料

复合材料铜、铝、锌及其合金塑料、橡胶及合成纤维用于密封件、滚动轴承和切削刀具基体相和增强相组成铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁铸钢碳钢与合金钢29精品资料（二）材料选用原则(yuánzé)

1、载荷、应力的大小和性质

2、零件的工