机械设计的相关基础知识

机械设计的相关基础知识1第1页，共28页，2023年，2月20日，星期五（四）破坏正常工作条件引起的失效（三）零件的表面破坏腐蚀：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第2页，共28页，2023年，2月20日，星期五

零件发生哪种形式的失效，与很多因素有关。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第3页，共28页，2023年，2月20日，星期五二、设计机械零件时应满足的基本要求

（六）质量小（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第4页，共28页，2023年，2月20日，星期五三、机械零件的设计准则

0．85＞P或1.15＜P

(一)强度准则(二)刚度准则(四)振动稳定性准则y≤[y](三)寿命准则5第5页，共28页，2023年，2月20日，星期五(五)可靠性准则可靠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第6页，共28页，2023年，2月20日，星期五四、机械零件的设计方法(一)理论设计(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第7页，共28页，2023年，2月20日，星期五五、机械零件设计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。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第8页，共28页，2023年，2月20日，星期五6)根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。

7)细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，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第9页，共28页，2023年，2月20日，星期五六、机械零件的强度名义载荷—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第10页，共28页，2023年，2月20日，星期五随机变应力静应力—不随时间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第11页，共28页，2023年，2月20日，星期五稳定循环变应力的基本参数和种类a)基本参数应力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第12页，共28页，2023年，2月20日，星期五（三）静应力时机械零件的强度计算1、单向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第13页，共28页，2023年，2月20日，星期五3、脆性材料与低塑性材料

脆性材料极限应力：（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第14页，共28页，2023年，2月20日，星期五2）复合应力下工作的零件按第一强度理论：15第15页，共28页，2023年，2月20日，星期五疲劳断裂具有以下特征：变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂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第16页，共28页，2023年，2月20日，星期五疲劳破坏的机理：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）循环基数钢m=9——拉、弯应力、剪应力17第17页，共28页，2023年，2月20日，星期五2、影响机械零件疲劳强度的主要因素应力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第18页，共28页，2023年，2月20日，星期五1、干摩擦粘附理论：

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第19页，共28页，2023年，2月20日，星期五2、边界摩擦（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，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第20页，共28页，2023年，2月20日，星期五摩擦是在流体内部的分子之间进行，不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。3、流体摩擦(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第21页，共28页，2023年，2月20日，星期五1、机械零件磨损的三个阶段磨合阶段稳定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第22页，共28页，2023年，2月20日，星期五（1）粘附磨损（2）磨粒磨损（3）疲劳磨损（疲劳点蚀）（4）流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（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、磨损分类根据磨损机理分类23第23页，共28页，2023年，2月20日，星期五润滑剂分为气体、液体、半固体和固体4种类型1、润滑油有机油、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第24页，共28页，2023年，2月20日，星期五1）动力粘度粘性定律：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第25页，共28页，2023年，2月20日，星期五2）运动粘度我国石油产品是用运动粘度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第26页，共28页，2023年，2月20日，星期五（2）润滑性(油性)是指润滑油中极性分子与金属表面吸附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第27页，共28页，2023年，2月20日，星期五2、润滑脂

润滑脂是由润滑油和各种稠化剂（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，常用于60℃以下的各种机械设备