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1、机 械 设 计 基 础,常用零部件设计 主 编 李贵三,第一章 绪论,第一节 机械零件的工作能力准则 第二节 机械零件的强度,第一节 机械零件的工作能力准则,一、设计机械零件的基本要求 二、机械零件的主要失效形式和工作能力的计算准则 三、设计机械零件的方法和步骤 四、机械零件常用材料及其选用原则 五、机械零件的结构工艺性 六、机械零件设计的标准化与互换性,一、设计机械零件的基本要求,机械必须具备有效地解决预定的生产或生活问题的功能,机械要有高生产率、高效率和低消耗,必须保证人身及机械的安全,机械要保证一定的可靠性。,二、机械零件的主要失效形式和 工作能力的计算准则,1失效形式 2计算准则,失效
2、形式,失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,失效,断裂 有突然断裂和疲劳断裂两种,过量变形 是指塑性变形和过大的弹性变形,表面失效 包括表面磨损、疲劳点蚀、胶合、 和腐蚀等,其他失效 当正常工作所要求的条件不能维持时， 有些零件就会失效,计算准则,计算准则,设计机械零件时，并不要求对零件上述各种能力全部进行计算，而应根据具体情况、针对零件的主要失效形式确定一项主要工作能力要求，以此为依据进行设计，再按其他要求进行校核计算。,三、设计机械零件的方法和步骤,设计方法 设计步骤,设计方法,（1）理论设计 （2）经验设计 （3）模型实验设计 （4）计算机辅助设计,设计计算,校核计算,设
3、计步骤,选型,确定载荷,选择材料,确定计算 准则,结构设计,四、机械零件常用材料及其选用原则,1机械零件常用材料 当今，可用作机械零件的材料大约有五百多种。其中，最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属及其合金(如铝合金、镁合金和铜合金等)和非金属材料(如塑料、复合材料与橡胶等)。有色金属及其合金和非金属材料的性能、用途可参阅有关设计手册。,四、机械零件常用材料及其选用原则,2材料的选用原则 机械零件的材料应该满足使用、工艺和经济三方面的要求，选择时从材料各项性能的综合指标来考虑,材料的选用原则,（1）使用要求 1) 对于受力大或要求重量轻、尺寸小的零件可选用强度较高但价格较贵的材料。 2) 对
4、于承受静应力的零件，可选用塑性或脆性材料；对于承受冲击载荷的零件，必须选用冲击韧性较好的塑性材料。 3) 对于承受变应力的零件，应选择耐疲劳的材料；也可选用强度较低的材料，通过改进零件的结构形状或采用表面硬化处理来提高零件的疲劳强度。 4) 对于刚度要求高的零件，可选用一般强度的材料，通过合理设计零件的截面形状和尺寸来提高零件的刚度。 5) 对于要求耐磨的零件，可选用减摩材料；或选用一般强度的材料，通过表面硬化处理来提高零件的耐磨性。,材料的选用原则,（2）工艺要求 1) 对于大尺寸零件，例如500mm以上的齿轮毛坯，在一般设备条件下应选用铸件(铸铁、铸钢)或焊接件 2) 对于形状比较复杂的零
5、件，例如箱体类零件，应选用铸件或焊接件。 （3）经济要求 1) 能用价格低的材料，就不选用价格高的材料。 2) 应综合考虑材料费与加工费。 3) 应优先选用我国较丰富的材料。 4) 应采用组合结构来降低材料费用。 5) 为了生产准备和供应方便，同一部机器上使用的材料牌号、品种和规格应尽可能统一，而且要考虑库存和当地材料的供应情况。,五、机械零件的结构工艺性,结构设计 应力求使零件用料少、成本低、制造和装配容易。 在一般情况下，零件的结构应力求简单：尽量采用简单的表面(例如平面、圆柱面)及其组合，各个面最好互相平行或垂直，并力求减少加工面。,六、机械零件设计的标准化与互换性,互换性是现代机械工业
6、生产必不可少的重要技术措施。 实现互换性的基础是机械设计的标准化。 1）产品品种规格的系列化。 2）零部件的通用化。 3）产品质量标准化。,第二节 机械零件的强度,机械强度 指机械零件的材料和结构在承受自身和外界作用时抵御破坏和失效的能力。 机械强度有三个要素： 一是材料， 二是结构， 三是作用于其上的可以导致其破坏和功能失效的各种载荷。,一、静应力下机械零件的强度计算,静应力：作用在零件截面上由零缓慢地增大到某一数值后即保持不变的应力 静应力可分为体积应力和表面应力两大类。 1体积应力 2表面应力,1体积应力,体积应力包括由拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等所产生的正应力及切应力。 单向应力状态
7、强度,(1-8),1 体积应力,采用安全系数法,(1-9),2表面应力,表面应力包括挤压应力和表面接触应力。 挤压应力 在普通型平键连接中，键与键槽的侧面受到挤压作用 表面接触应力 零件通过很小的接触面积传递载荷，在接触表面处产生很大的局部应力,（1-15）,（1-16）,二、稳定变应力下机械零件的强度,1变应力参数及疲劳破坏的特点 （1）变应力参数 随时间变化的应力称为变应力。,图1-1 稳定循环变应力,压力的种类与特性,静应力 应力大小：不变 循环特性：r=1,压力变化的图形表示,表达参数,压力的种类与特性,稳定循环变应力,脉动循环,对称循环,非对称循环,压力的种类与特性,脉动循环 应力大
8、小： 周期性变化 循环特性：r=0,应力变化的图形表示,表达参数,压力的种类与特性,对称循环 应力大小：周期性变化 循环特性：r=1,压力变化的图形表示,表达参数,压力的种类与特性,非对称循环 应力大小： 周期性变化 循环特性： 0r1,压力变化的图形表示,表达参数,压力的种类与特性,非稳定性循环,规律性,随机性,压力的种类与特性,规律性 应力大小： 周期性变化,压力变化的图形表示,表达参数,压力的种类与特性,随机性 应力大小： 随机变化,压力变化的图形表示,表达参数： 频谱特性、尖峰应力,1变应力参数及疲劳破坏的特点,（2）疲劳破坏的特点 零件在变应力作用下产生的破坏称疲劳破坏。其特点为：
9、破坏时应力低于材料的抗拉强度 ，甚至低于屈服极限 ； 即使是塑性材料，破坏时也表现为突然的脆性破坏，没有明显的塑性变形； 疲劳破坏的断口一般可分为光滑区和晶粒状粗糙区两部分，在光滑区有时可看到以微裂纹起始点(也称疲劳源)为中心逐渐扩展的弧形曲线。,2 影响疲劳强度的因素,影响零件疲劳强度的主要因素如下。 （1）零件应力集中的影响 （2）零件尺寸的影响 （3）零件表面状态的影响,3提高机械零件疲劳强度的措施,1）大多数机械零件的破坏是由于疲劳强度不够引起的。 2）提高零件的表面质量。 3）使用时，应避免零件超载，应使零件在不满载情况下工作一定时间后，逐步提高工作应力；有时还可采用预变形工艺，使零件在工作前产生局部塑性变形，造成有利的残余应力。,
