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1、第第1111章章 机械零件设计概论机械零件设计概论11-1 机械零件设计概述11-2 常用材料及其选择11-3 许用应力和安全系数11-4 机械零件的工艺性和标准化基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能机械设计基础机械零件设计概论11-11-1 1 机械零件设计概述机械零件设计概述一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础机械零件设计概论一、机械零件分类机器：机械、机构的总称 构件运动的单元零件制造的单元 机械设计基础机械零件设计概论通用 零件传动件：齿轮、蜗杆、带、链
2、联接件：螺栓、键、花键支承件：轴、轴承机械零件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨 其它：联轴器、弹簧、机架二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求机械设计基础机械零件设计概论三、机械零件设计过程v零件设计时的共性：机械设计基础机械零件设计概论v过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图工作原理、结构、类型、应用场合受力分析、失效形式设计准则、设计计算四、机械零件传统设计方法v理论设计(半经验设计)：机械设计基
3、础机械零件设计概论v类比设计：与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在 工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠v经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺 乏创新v模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计强度条件(或刚度) 设计计算尺寸校核计算强度条件(或刚度)五 机械零件的工作能力准则1、机械零件常见失效形式2、工作能力准则3、强度准则4、刚度准则5、耐磨性准则6、振动稳定性准则7、耐热性准则机械设计基础机械零件设计概论1、机械零件常见失效形式v失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏 常见主要失效形式有：v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂v表面点蚀：工
4、作表面片状剥落v塑性变形：零件发生永久性变形v过大弹性变形v表面破坏v过大振动和噪声、过热等机械设计基础机械零件设计概论v例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn2、工作能力准则v工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度v这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又 常称为“承载能力”v如：v吊钩最大起重量50 kNv工作能力或承载能力50 kN机械设计基础机械零件设计概论v工作能力准则：衡量零件工作能力的指标v对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计v具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准 则、振动稳定性准则、耐热性准则
5、50 kN3、强度准则v机械零件工作能力的最基本准则v强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力v强度准则：工作应力许用应力v 或 机械设计基础机械零件设计概论v针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形v典型零部件：轴、齿轮、 带轮等正应力：剪应力：极限应力4、刚度准则v刚度：材料抵抗弹性变形的能力v刚度准则：实际变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j机械设计基础机械零件设计概论v针对失效形式：过大的弹性变形v典型零部件：轴、蜗杆等5、耐磨性准则v耐磨性：零件抗磨损的能力v磨损是相当复杂的物理化学过程v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的
6、化学性质和物理性质等v具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨损、微动磨损v耐磨性准则： vP 机械设计基础机械零件设计概论v针对失效形式：零件表面破坏v典型零部件：齿轮、轴承、链等6、振动稳定性准则v共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等v振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值v振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp机械设计基础机械零件设计概论v针对失效形式：共振产生的工作失常v典型零部件：轴等7、耐热性准则v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
7、正常的润滑条件，改变零件 间的间隙，降低精度等v耐热性准则：工作温度低于许用值机械设计基础机械零件设计概论v针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变v典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等11-11-2 2 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、材料选择原则机械设计基础机械零件设计概论一、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v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含量1.4常用v碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢v合金钢：综合机械性能好，但较贵v合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理v铸钢：含（
8、0.150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料：v工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料机械设计基础机械零件设计概论二、热处理方法1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理机械设计基础机械零件设计概论热处理比较1 退火v降低硬度、提高韧性、细化晶粒、 消除内应力 2 正火v用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性， 易 于切削，减少应力机械设计基础机械零件设计概论3 淬火（蘸火）v提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火 4 回火 v消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性v低温
9、回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性v中温回火：高弹性、硬度中等v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表面热处理v表面热处理：表面增硬，芯部韧v表面淬火法（火焰加热、感应加热）v化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）机械设计基础机械零件设计概论三、材料力学性能指标v弹性极限：sPv抗拉强度：sB v屈服强度：sS ( s0.2 )机械设计基础机械零件设计概论v硬度：vHBS:布氏硬度v硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450vHRC、HRB、HRA:洛氏硬度v120金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件vH
10、V:维氏硬度v136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgfv显微硬度v三种硬度单位之比较：vHV(维氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBSspsSsBesABCD E四、材料选择原则v使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度.v工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.v经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.机械设计基础机械零件设计概论11-3 11-3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数机械设计基础机械零件设计概论一、载荷v载荷：作用于零件上的力或力矩v工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 v名义载荷：理想工作条
11、件下的载荷v计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷v计算载荷=K 名义载荷机械设计基础机械零件设计概论载荷系数二、应力v静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力v变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力v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）机械设计基础机械零件设计概论v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tstssminsmaxsm应力参数v以正应力s为例v最大应力: smax= sm+sav最小应力: sminv应力幅: sa机械设计基础机械零件设计概论v平均应力: smv循环特征: rtssminsmaxsm静应力v
12、应力表达： s+1（ t+1 ）v最大应力: smaxv最小应力: sminv应力幅: sav平均应力: smv循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论tssm脉动循环变应力v应力表达： s0（ t0 ）v最大应力: smaxv最小应力: sminv应力幅: sav平均应力: smv循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论smts对称循环变应力v应力表达： s-1（ t-1 ）v最大应力: smaxv最小应力: sminv应力幅: sav平均应力: smv循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论ts三、极限应力1 静应力下的极限应力v与材料性能有关v脆性材料取强度极限sB(tB)机械设计
13、基础机械零件设计概论v塑性材料取屈服极限 sS(tS)sBes玻璃钢灰口铸铁esspsSsBABCD E2 变应力下的极限应力v疲劳极限：依据防疲劳断裂的准 则确定v材料经过N0次应力循环不发生破 坏的应力最大值sr(tr)机械设计基础机械零件设计概论v各种材料的sr可从有关手册中查取有限寿命区无限寿命区四、许用应力和安全系数 v许用应力：设计零件时 所依据的条件应力机械设计基础机械零件设计概论v安全系数许用应力结构笨重v安全系数许用应力不够安全许用应力极限应力安全系数许用应力确定 1 查许用应力表v根据实践经验制成表格选取机械设计基础机械零件设计概论2 部分系数法vS=S1S2S3vS1：计
14、算载荷和应力准确性系数（11.5)vS2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5）vS3：零件重要性系数（11.5)11-11-4 4 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，我们应学会查手册机械设计基础机械零件设计概论
