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1、第2章 机械设计的基础理论,2-1 机械零件的失效与设计基本要求 2-2 机械零件的强度 2-3 机械系统的摩擦学设计 2-4 零件制造常用材料及其选择 2-5 机械设计中的标准化和互换性 2-6 机械设计中的工艺性,基本要求,了解机械零件设计的基本要求和设计步骤； 掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则； 了解接触强度及其设计准则； 了解干摩擦、边界摩擦、混合磨擦和流体摩擦的机理和物理特征； 了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标； 了解机械制造常用材料及其选择原则； 了解机械设计中标准化的意义及相关概念； 了解机械零件工艺性的基本要求。,2.1 机械零件的失效与设计基本要
2、求,一、失效概念（Failure）,例: 齿轮轴断裂失效,二、失效形式（Failure types）,2、表面破坏,磨损,冷胶合 热胶合,点蚀,塑性变形 过大弹性变形,3、变形 过大,胶合,4、过大振动,腐蚀, 避免在预定寿命期内失效的要求, 结构工艺性要求, 经济性要求, 质量小的要求, 可靠性要求,机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,三、 设计机械零件时应满足的基本要求,提高零件强度的措施有：,采用高强度的材料；,使零件具有足够的截面尺寸；,合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；,采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；,提
3、高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；,合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。,1) 强度要求,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,1、避免在预定寿命期内失效的要求,提高零件刚度的措施有：,增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；,缩短支承的跨距或采用多点支承。,2) 刚度要求,零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。,刚度：指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。,例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。,y可以是挠度、偏转角或扭转角,抗腐蚀的措施有：,表面发兰（发黑）；,表面镀层；,表面涂漆
4、；,表面阳极化。,零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。,大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有：,应力集中； 零件的尺寸大小； 零件表面质量及环境状况：,3) 寿命要求,影响零件寿命的主要因素有：,疲劳破坏,腐蚀,磨损,2、结构工艺性要求,零件工艺性良好的标志- 在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。,工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理,毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。,单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。,2) 结构简单合理,最好采用平面、柱面、
5、螺旋面等简单表面及其组合；,尽量减少加工面数和加工面积；,尽量采用标准件；,增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、 螺纹、键、齿轮模数等）的数量；,3) 合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。,4) 尽量减小零件的加工量,毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。,尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。,欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验
6、。,3、经济性要求,零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。,简化零件的结构，降低材料消耗；,采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；,采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；,大型零件采用组合结构而非整体结构；,尽量采用标准件。,减小质量的措施：,采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；,采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；,从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受 力的均匀性，提高材料的利用率；,采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件 的工作载荷；,采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；,采用强重比高的材料。,4、质量小的要求,减小质量的好处：,节约材料；,减小惯性，改善机器的
7、动力性能。,5、可靠性要求,零件的实效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。,系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,可靠度：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定 功能的概率,强度准则 刚度准则 振动稳定性准则 耐热性准则 可靠性准则,四、机械零件设计准则,因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同,五、机械零件设计的一般步骤,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
8、同类型、优缺点、特性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。,2) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。,3) 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如高温环境等) 选择适当的材料。,4) 根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通 过计算，确定零件的基本尺寸。,5) 根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。（绘制草图）,6) 细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计 算，以判定结构的合理性。,7) 绘制零件工作图，并撰写计算说明书。,为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：,1）设计计算：先分析零件的可能
9、失效形式，根据 该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结 构尺寸。,2）校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算 零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零 件的尺寸。,按名义载荷求得的应力称为名义应力 按计算载荷求得的应力称为计算应力,在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷,机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入载荷系数K来估计这些因素的影响。 名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷,2.2 机械零件的强度,一、载荷和应力,1. 载荷,动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷,静载荷,变载荷,按是否随时间变化，载荷,2. 应力,静应力,变应力,max最大应力；
10、min最小应力, m平均应力； a应力幅值,r 应力比（循环特性）,随机变应力,非随机变应力,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,对称循环,脉动循环,稳定循环应力,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1） 用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。,二、静强度,在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。,单向应力状态下：,，,复合应力状态下：,按第三
11、或第四强度理论计算当量应力。,复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。,三、疲劳强度,疲劳：机械零件在变应力的作用下的失效形式,疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力,疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,1. sN疲劳曲线,用参数max表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：,sN疲劳曲线,在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限B 。,在AB段，应力循环次数103 max变化很小，可以近似看
12、作为静应力强度。,BC段，N=103104，随着N max ,疲劳现象明显。,因N较小，特称为：,低周疲劳。,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r。,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：,实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。,可用下式描述：,于是有：,104,103,CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：,式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。,试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力
13、（maxr）， 则无论循环多少次，材料都不会破坏。,CD区间-有限疲劳寿命阶段,D点之后-无限疲劳寿命阶段,2. 材料的极限应力线图(Curve of fatigue limit),同种材料、 r不同时，r在m a 坐标系下的关系曲线,ACB 实验线图 ACED简化线图,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。异形曲面的接触形式为点接触或线接触。,四、接触强度,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,接触失效形式常表
14、现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点蚀。,由弹性力学可知，应力为：,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,H -最大接触应力或赫兹应力;,b -接触长度;,Fn -载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接
15、触疲劳强度的判定条件为：,Hlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。,接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。,2.3 机械系统的摩擦学设计,摩擦学-研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门学科。,摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；, 润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。,世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。,随着科学技术的发展，
16、摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。, 磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；,1. 干摩擦,两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。,2. 边界摩擦,一、摩擦状态,运动副表面有一层厚度1 m的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。,比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3,有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。,3. 液体摩擦,摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01,4. 混合摩擦,混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。,磨损
