b1第二章 机械及机械零件的设计基础

第二章机械设计概论基本内容：机械设计的基本要求和一般程序（或方法）；机械零件的载荷与应力；机械零件的主要失效形式和设计准则；机械设计的材料选用、结构工艺性和标准化（部分内容自学）;摩擦、磨损与润滑。基本要求：1）从总体上建立起机械设计和机械零部件设计的总体概念，即从机械的总体要求出发，引出对机械零部件的要求，根据零件的失效形式，拟定设计准则，用一定的设计方法来设计零部件。2）掌握关于机械零件的载荷与应力的基本概念，尤其要熟练掌握变应力、极限应力、许用应力与安全系数、接触应力的基本概念3）掌握机械零件材料的选用原则和结构工艺性设计的基本要求，学会采用标准。

4）掌握摩擦、磨损及润滑的基本知识。重点：1）机械零件的载荷与应力的分类及变应力、极限应力许用应力与安全系数、接触应力的概念和有关公式。2）机械零件的失效形式及设计准则。3）机械零件的材料、结构工艺性及机械设计中的标准化。4）摩擦、磨损的类型及其机理，润滑剂的种类及其性能难点：1）变应力下机械零件的极限应力与安全系数的确定。2）接触应力的基本概念和计算公式。3）机械零件的失效形式和设计准则。4）设计机械零件时的结构工艺性。对机器的主要要求2.1机械设计的基本要求和一般程序

设计机械的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机械的类型如何，一般来说，对机械都要提出以下的基本要求：

使用功能要求工艺性要求经济性要求

其他要求，如：劳动保护要求、可靠性要求、其它专用要求

2.1.1机械设计的基本要求计划阶段—确定设计任务等（市场调研）方案设计阶段—总体方案设计（多方案比较，择优选定）技术设计阶段—技术设计（广泛运用现代机械设计理论与方法）技术文件编制阶段—编写技术文件（提供生产、检验及使用的依据）2.1.2机械设计的一般程序

试制及审定鉴定阶段—技术审定与产品鉴定（质量把关）2.2机械零件的载荷和应力2.2.1载荷1静载荷与变载荷*静载荷：作用在机械零件上的，大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷称为静载荷。如重力*变载荷：作用在机械零件上的，大小和方向随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷。如汽车车轮轴的受力2名义载荷与计算载荷*名义载荷：根据原动机或工作机的额定功率计算出的作用于机械零件上的载荷称为名义载荷，用F表示。*计算载荷：是考虑载荷的不均匀性及其它影响零件受载的因素后的载荷，用Fca表示计算载荷：Fca=KFK-载荷系数，考虑各种因素对载荷的综合影响系数2.2.2应力1静应力与变应力*静应力：大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力。*变应力：大小和方向随时间变化的应力称为变应力。变应力即可由静载荷，也可由变载荷产生变应力的特征参数sm─平均应力，

smax─最大应力；smin─最小应力r─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。σa─应力幅值变应力的种类1)稳定循环变应力应力随时间按一定规律周期性变化，而且变化幅度保持常数的应力称为稳定循环变应力

（1）

对称循环变应力例如转动的轴上作用一方向不变的径向力，则轴上各点的弯曲应力都属于对称循环变应力（2）

脉动循环应力

例如

齿轮轮齿单侧工作的齿根弯曲应力属于脉动循环应力2)非稳定循环变应力(3)非对称循环应力

，在一次循环中

和

可以具有相同的符号或不同的符号几种典型变应力的循环特征和应力特点

循环名称循环特性应力特点对称循环r=-1脉动循环r=0非对称循环-1<r<1当零件剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强度理

论求出的、与单向拉伸时有同等破坏作用的应力如：2工作应力与计算应力工作应力：根据计算载荷，按照材料力学的基本

公式求出的作用于机械零件剖面上的应力，如计算应力：

3极限应力按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值。用表示脆性材料：脆性破坏，塑性材料:塑性变形，*在静应力作用下：极限应力：*在变应力作用下：疲劳破坏疲劳极限无限寿命疲劳极限有限寿命疲劳极限无限寿命疲劳极限：在任一给定循环特征r的条件下，应力循环达到规定的N0次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。工程上：N0：应力循环基数有限寿命疲劳极限：在任一给定循环特征r的条件下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。s－N疲劳曲线

机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线的CD段，可用下式描述：式中：C——常数

KN——寿命系数，m——取决于应力状态和材料的指数应力循环次数N的取值范围为在N>N0时，按N=N0；在时，按静应力处理。*影响零件疲劳极限的主要因素有：（1）应力集中（2）绝对尺寸（3）表面状态应力集中对零件疲劳极限的影响

在零件剖面的几何形状突然变化（如：孔、圆角、键槽、螺纹等），局部应力要远远大于名义应力，这种现象称为应力集中

应力集中对零件疲劳极限的影响用应力集中系数

表示（2）绝对尺寸对零件疲劳极限的影响

零件的绝对尺寸愈大，材料包含的缺陷可能愈多，机械加工后表面冷作硬化层相对越薄，因此零件的疲劳极限愈低。绝对尺寸对零件疲劳极限的影响用绝对尺寸系数表示（3）表面状态对零件疲劳极限的影响

因为疲劳裂纹多发生在表面，不同的表面状态（表面质量、强化方法等）对零件的疲劳极限会发生不同的影响。用表面状态系数

表征由实验可知：应力集中、绝对尺寸和表面状态只对应力幅有影响，考虑这些综合因素后零件的对称循环弯曲疲劳极限为：零件的对称循环扭切疲劳极限为：4许用应力和安全系数*许用应力：设计零件时，计算应力允许达到的最大值*安全系数的选取原则：在保证安全可靠的原则下，尽可能选取较小的安全系数安全系数的选取方法：1表格法2经验数据法：一般取[S]=1.25~4，如数据可靠，计算准确可取[S]=1.25~1.53部分系数法式中：S1表示确定计算载荷和应力准确性的系数，一般取S1=1~1.5；S2表示材料机械性能不均匀系数，一般取S2=1.2~1.5;S3表示零件重要程度的系数，一般取S3=1~1.55接触应力当两零件以点、线相接触时，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。

对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。

式中：Fn——正压力，N;L——接触线长度，mm;——综合曲率半径，mm,其中正号用于外接触，负号用于内接触。

1,2——两圆柱材料的泊松比

ZE——材料弹性系数，E1,E2——分别为两圆柱体材料的弹性模量，MPa

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。2.3机械零件的主要失效形式和设计计算准则失效：机械零件在设计预定的期间内，并在规定条件下，不能完成正常的功能称之为失效强度:是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效（磨损、腐蚀除外）的能力刚度:是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力课程中应用到的几个基本概念2.3.1机械零件的主要失效形式一、断裂二、塑性变形三、过量的弹性变形四、表面失效--磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀等五、破坏正常工作条件引起的失效--如带传动中的打滑，高速轴的共振等2.3.2机械零件的设计计算准则一、强度准则

三、寿命准则--条件性计算。四、振动稳定性准则

式中--零件的固有频率--激振源的频率五、可靠性准则二、刚度准则

2.4

机械零件材料的选用原则：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的结构及加工性材料的经济性零件的尺寸及重量2.4.1、常用材料2.4.2、机械零件材料的选用原则：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F45601Cr18）：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

机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则2.5机械零件的结构工艺性

机械零件的结构工艺性贯穿于毛坯制造、冷前加工、热处理及装配等各个阶段。主要要考虑以下几方面的问题。2.5.1零件的结构应与生产条件、批量大小及尺寸大小相适应

2.5.2零件的造型应简单化

2.5.3零件的结构应适合进行热处理

2.5.4

零件的结构应保证加工的可能性、方便性和准确性

2.5.5

零件的结构应保证装拆的可能性和方便性机械零件设计中的标准化12.6

机械零件设计中的标准化*标准的分类国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGBJB、HBQB*国标及行业标准分为：强制标准和推荐标准

强制性国家标准：记为GB、JB等。

推荐性国家标准：记为GB／T、JB/T等。

*

标准化——按GB/T3935.1-1996的规定，标准化定义为：“为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动”标准化活动的主要任务是：制定、修定和贯彻标准