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1、机械设计基础主讲：吕亚清机械工程学院机械基础研究室2004-2005第一学期1编制：吕亚清第9章 机械零件设计概论机械设计的基本要求和一般过程补充：构件受力变形及应力分析91 机械零件设计概述92 机械零件的工作能力准则93 许用应力和安全系数94 材料及其选择95 机械零件的工艺性和标准化2004-2005第一学期2编制：吕亚清机械设计的基本要求和一般过程机械设计指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原 有 机械的性能。设计机器应满足的基本要求 u良好的使用性能：实 现预期功能，满足使用要 求。操作容易，保养 简单，维修方便。 u安全：凡关系到时人 身安全或重大设备事故的 零部件都必须进行认
2、 真、严格的设计计算或校 核计算，不能凭经验 或以“类比”代替。 u可靠、耐用：在预定 的使用期限内不发生或极 少发生故障。 u经济：设计中应尽可 能多使用标准件和成套组 件。 u符合环保要求2004-2005第一学期3编制：吕亚清机械设计的基本要求和一般过程二、机械设计的主要内容及一般过程 u主要内容包括：确定 机械的工作原理，选择合宜的机构；拟定 设计方案；进行运动分析和动力分析，计 算作用在各构件上的载荷；进行零部件工 作能力计算、总体设计和结构设计。 u第一至九章着重介绍 选择机构和拟定设计方案的有关知识；第 十至二十章着重论述应力分析、零部件工 作能力计算和结构设计的有关内容。计划阶
3、段总体方案设计阶段总体设计阶段结构设计阶段技术文件编制阶段三、设计的一般过程2004-2005第一学期4编制：吕亚清补充：构件受力变形及应力分析强度、刚度、稳定性的概念u 力：物体之间的相互机械作用，是使物体获得加速度(运动效应)和发生形变(变形效应)的外因。u 物体力学模型： 1.刚体 2.变形固体 u 变形：1.弹性变形外力去除而消失的变形2.塑性变形外力去除后无法恢复的变形 2004-2005第一学期5编制：吕亚清一. 强度、刚度、稳定性的概念u 构件正常工作应满足的基本要求： 1.足够的强度（抵抗破坏或永久变形的能力） 2.足够的刚度（抵抗弹性变形的能力） 3.足够的稳定性（保持原有平
4、衡形式的能力）u 承载能力：构件在外载荷作用下能够满足强度 、刚度、稳定性的能力u 任务：根据构件受到的载荷及其工作要求，为 构件选择材料、确定截面的形状及尺寸，使其具有 相应的承载能力2004-2005第一学期6编制：吕亚清1 拉伸或压缩（杆）外力作用线与杆的轴线重合3 剪切外力大小相等方向相反， 作用线相距很近。2 弯曲(梁)外力垂直于杆件轴线拉伸弯曲二. 杆件变形的基本形式2004-2005第一学期7编制：吕亚清4 扭转(轴)外力为力偶,作用面垂直杆件轴线。2004-2005第一学期8编制：吕亚清四种基本变形形式2004-2005第一学期9编制：吕亚清三. 内力与应力、变形与应变1.内力
5、的概念：变形固体没有受力之前,内部各点之间存在相互作用力以保持固体一定的形状；变形固体受力后，其内各点之间的相对位置发生变化，产生变形，各点之间产生相互作用力，称为“附加内力”，简称“内力”。这种内力将随外力增大而增大。当内力增大到一定限度时杆件就会发生破坏。2.截面法求内力2004-2005第一学期10编制：吕亚清三. 内力与应力、变形与应变3.应力：承受同样大小的力，细杆比粗杆易断，可见控制强度的是应力，即内力分布的集度或单位截面上的内力，单位： 正应力垂直于截面切应力切于截面4.变形与应变：构件在外力作用下，其尺寸和几何形状的改变， 统称为变形。一般地说，构件内的变形是不均匀的，因此，为
6、 了度量构件的变形程度，还需计算单位长度内的变 形量（伸长或缩短） 2004-2005第一学期11编制：吕亚清三. 内力与应力、变形与应变4.变形与应变： 线应变单位长度内的变形量角应变夹角的改变量2004-2005第一学期12编制：吕亚清FF 1.轴向拉伸和压缩的概念受力特点：外力作用线与杆的轴线重合主要变形：伸长或缩短拉（压）杆2.拉伸和压缩时的内力、截面法和轴力FFF Nu 截面法和轴力拉为正压为负u 内力： 外力作用下杆件内相互作用力的改变量 外力内力，内力过极限破坏N=FN是右段对左段的内力轴力四.讨论一种基本变形 轴向拉伸和压 缩2004-2005第一学期13编制：吕亚清u 应力（
7、）：单位面积上的内力。度量截面分布内力的集度u 拉、压应力的计算=N/A N截面上的内力；A截面的面积。例： F=100N, 杆件截面为圆形，半径为10mm和15mm，计算两截面上的应力FF1221解：1）N1=N2=F2）1=N1/0.012=F/ 0.012=1000000Pa=1MPa2=N2/0.0152=F/ 0.0152=0.44MPa单位：(帕Pa:N/m2)兆帕MPa： 106N/m2 （多用）3.应力的概念、拉压应力2004-2005第一学期14编制：吕亚清解三种问题: 强度校核 设计截面尺寸 确定载荷解：由平衡条件得内力N=F， = N/A=38000218.9 =173.
8、6MPa fp 或 1.15ffpu针对失效形式：共振产生的工作失常u典型零部件：轴等2004-2005第一学期31编制：吕亚清七、耐热性准则u高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热 应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度 等u耐热性准则：工作温度低于许用值u针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变u典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等2004-2005第一学期32编制：吕亚清 93 许用应力许用应力和安全系数和安全系数一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数2004-2005第一学期33编制：吕亚清一、载荷u载荷：作用于零件上的力或力矩u工作载荷：机器正常工作
9、时所受的实际载荷 u名义载荷：理想工作条件下的载荷u计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加 载荷计算载荷=K 名义载荷载荷系数2004-2005第一学期34编制：吕亚清二、应力u静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 u变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力u变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应 力（非周期性循环变应力）u稳定变应力：对称循环变应力、 脉动循环变应力、非对称循环变应 力ttminmaxm2004-2005第一学期35编制：吕亚清应力参数u以正应力为例u最大应力: max= m+au最小应力: minu应力幅: au平均应力: mu循环特征: rtminmax
10、m2004-2005第一学期36编制：吕亚清静应力u应力表达： +1（ t+1 ）u最大应力: maxu最小应力: minu应力幅: au平均应力: mu循环特征: rtm2004-2005第一学期37编制：吕亚清脉动循环变应力u应力表达： 0（ t0 ）u最大应力: maxu最小应力: minu应力幅: au平均应力: mu循环特征: rmt2004-2005第一学期38编制：吕亚清对称循环变应力u应力表达： -1（ t-1 ）u最大应力: maxu最小应力: minu应力幅: au平均应力: mu循环特征: rt2004-2005第一学期39编制：吕亚清三、极限应力1 静应力下的极限应力u
11、与材料性能有关u脆性材料取强度极限B(tB)u塑性材料取屈服极限 S(tS)B玻璃钢灰口铸铁pSBABCD E2004-2005第一学期40编制：吕亚清2 .变应力下的极限应力u疲劳极限：依据防疲劳断 裂的准则确定u材料经过N0次应力循环不 发生破坏的应力最大值r(tr)u各种材料的r可从有关手册中查取有限寿命区无限寿命区2004-2005第一学期41编制：吕亚清四、许用应力和安全系数 u许用应力：设计零 件时所依据的条件应 力u安全系数许用应力结构笨重u安全系数许用应力不够安全许用应力极限应力安全系数2004-2005第一学期42编制：吕亚清许用应力确定 1 查许用应力表根据实践经验制成表格
12、选取2 部分系数法S=S1S2S3S1：计算载荷和应力准确性系数（11.5)S2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5 ）S3：零件重要性系数（11.5)2004-2005第一学期43编制：吕亚清 94 4 常用材料及其选择常用材料及其选择一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则作业2004-2005第一学期44编制：吕亚清作业1.什么是钢?什么是铸铁?碳素钢的力学性能主要取 决于什么?如何划分高、中、低碳钢？ 2.指出下列符号各代表什么材料:35、Q235、 65Mn、20CrMnTi、HT200、QT600-3？2004-2005第一学期45编制：吕亚
13、清一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差u灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含量1.4常用u碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢u合金钢：综合机械性能好，但较贵u合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 u铸钢：含（0.150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用u铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料：u工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料2004-2005第一学期46编制：吕亚清二. 热处理方法1 退火u降低硬度、提高韧性、细化晶 粒、消除内应力 2 正火u用于处理低中碳钢，代替低中 碳钢的退火。提
14、高硬度，增加韧 性， 易于切削，减少应力 3 淬火（蘸火）u提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火 4 回火 u消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 u低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 u中温回火：高弹性、硬度中等 u高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回 火)正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度2004-2005第一学期47编制：吕亚清表面热处理u表面热处理：表面增硬，芯部韧u表面淬火法（火焰加热、感应加热）u化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）2004-2005第一学期48编制：吕亚清三、材料力学性能指标u弹性极限：P u抗拉强度：B u屈
15、服强度：S ( 0.2 )u硬度：金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力 uHBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般 HBS450 uHRC、HRB、HRA:洛氏硬度120金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件 uHV:维氏硬度136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgfu三种硬度单位之比较：HV(维氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBSpSBABCD E2004-2005第一学期49编制：吕亚清四、材料选择原则u使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程 度.u工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方 法.u经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.2004-2005第一学期50编制：吕亚清 9-5 -5 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化一、工艺性主要体现在下面三个方面： 1. 毛坯选择合理铸件、锻件、 型材 ？单件生产、批量生产？2. 结构设计合理几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀.3. 制造精度及表面粗糙度选择合理二、标准化品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化 国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企 业标准 标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册生产批量、材料性能、 加工可能性2004-2
