Ch01機(jī)械設(shè)計(jì)總論

機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)：54（理論學(xué)時(shí)：48，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6）學(xué)分：3面向?qū)I(yè)：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化先修課程：工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械制圖、工程材料等

課程性質(zhì)：必修主講：李顯昌E-mail：xianchangli2004@126.comMobilePhone15154505580一、參考書(shū)目[1]吳宗澤、高志主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第2版），北京：高等教育出版社2009年1月。[2]黃靖遠(yuǎn)等.《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006。[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)》濮良貴主編，高教出版社。二、網(wǎng)絡(luò)資源[1]機(jī)械設(shè)計(jì)精品課.河北理工大學(xué)./doc/2005/jxsjnew/jiaoxuedagang.html[2]機(jī)械設(shè)計(jì)精品課程.九江學(xué)院./jxxy/html/xkjs/kcdg.html[3]機(jī)械設(shè)計(jì).華北水利水電學(xué)院精品課程/jxsj/第一章機(jī)械設(shè)計(jì)總論6）了解機(jī)械零件常用材料及選用原則?；疽螅?）了解零件的概念、種類；2）了解機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和基本程序，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求；3）了解本課程的研究對(duì)象、內(nèi)容、課程的性質(zhì)、任務(wù)、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法；4）掌握與機(jī)械零件失效形式對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；5）了解機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化；1、失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則。2、機(jī)械零件的常用材料及熱處理選擇。重點(diǎn)與難點(diǎn)：§1-1引言§1-1機(jī)械設(shè)計(jì)概述機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的重要標(biāo)志。機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)提供裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重任。大量地設(shè)計(jì)制造和廣泛采用各種先進(jìn)的機(jī)器，可大大促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的力度，加速我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)。產(chǎn)品的創(chuàng)新首先是從設(shè)計(jì)工作開(kāi)始的。設(shè)計(jì)是生產(chǎn)產(chǎn)品的第一道工序，要想生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，首先要有好的設(shè)計(jì)。

物質(zhì)生產(chǎn)是人類社會(huì)生存發(fā)展的基礎(chǔ)。機(jī)械工業(yè)為人類的物質(zhì)生產(chǎn)提供各種技術(shù)裝備。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的“靈魂”。潤(rùn)滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)/工作機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)一、機(jī)器的組成

任何機(jī)械設(shè)備都是由許多機(jī)械零部件組成的，也都是以各個(gè)零件為基本單元加工制造的。機(jī)械零件——機(jī)械制造過(guò)程中不可分拆的最小單元

。機(jī)械零件通用零件——機(jī)械制造過(guò)程中為完成同一目的而由若干協(xié)同工作的零件組合在一起的組合體。例如：軸承，聯(lián)軸器。機(jī)械部件機(jī)器傳動(dòng)件聯(lián)接件支承件其它—齒輪、蝸桿、帶、鏈—螺栓、鍵、花鍵—軸、軸承—聯(lián)軸器、彈簧、機(jī)架專用零件各種機(jī)器中常用的。(本課程主要學(xué)習(xí)對(duì)象）只在某些特定的機(jī)器中才用到。（在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)）—水輪機(jī)葉片、活塞、曲軸

機(jī)器是由機(jī)械零件組成的整體，各個(gè)零件之間有緊密聯(lián)系。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)有整體的設(shè)計(jì)觀念。注：本課程中，機(jī)械零件泛指零件和部件。二、機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和基本程序（一）機(jī)械設(shè)計(jì)的方法：內(nèi)插式設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的兩個(gè)具有大小不等設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)方案之間所作的設(shè)計(jì)。這是最常用的設(shè)計(jì)方法。外推式設(shè)計(jì)全部或部分設(shè)計(jì)參數(shù)超出現(xiàn)有設(shè)計(jì)范圍時(shí)所作的設(shè)計(jì)。此種設(shè)計(jì)必須對(duì)外推部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的技術(shù)研究、理論探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)為了開(kāi)發(fā)具有新功能的新機(jī)器，應(yīng)用新原理、新技術(shù)所作的設(shè)計(jì)。（二）機(jī)械設(shè)計(jì)基本程序：明確設(shè)計(jì)任務(wù)方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)試制評(píng)價(jià)、定型投產(chǎn)◆計(jì)算說(shuō)明書(shū)（對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行必要的計(jì)算）技術(shù)設(shè)計(jì)階段的輸出：◆總體規(guī)劃（機(jī)器總體布置方案，產(chǎn)生總裝配圖）◆零、部件設(shè)計(jì)（主要部件裝配圖和非標(biāo)準(zhǔn)零件工作圖）（三）機(jī)械設(shè)計(jì)總體過(guò)程：設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)查研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃書(shū)試驗(yàn)研究

技術(shù)設(shè)計(jì)樣機(jī)試制、實(shí)驗(yàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)生產(chǎn)設(shè)計(jì)小批試制正式投產(chǎn)銷售服務(wù)調(diào)查決策階段研究設(shè)計(jì)階段試制階段投產(chǎn)銷售階段（四）機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟：選擇零件類型、結(jié)構(gòu)

計(jì)算零件上的載荷確定計(jì)算準(zhǔn)則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核計(jì)算畫(huà)出零件工作圖寫(xiě)出計(jì)算說(shuō)明書(shū)三、機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求★功能要求機(jī)械產(chǎn)品必須具有設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中規(guī)定的功能。工作原理正確，原動(dòng)機(jī)選用適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、制造和選用合理。★可靠性要求機(jī)械產(chǎn)品在預(yù)期的使用期限內(nèi)，能夠安全可靠地工作。設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、壽命等方面的計(jì)算。★經(jīng)濟(jì)性要求機(jī)械產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中。設(shè)計(jì)制造低成本，使用生產(chǎn)效率高，能源、材料消耗少以及管理、維護(hù)費(fèi)用低?！锷鐣?huì)性要求機(jī)械產(chǎn)品不應(yīng)對(duì)人、環(huán)境和社會(huì)造成不良影響。四、設(shè)計(jì)者應(yīng)具備的基本素質(zhì)掌握并能合理應(yīng)用設(shè)計(jì)機(jī)械所需的各種知識(shí)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力◆具有認(rèn)真細(xì)致、一絲不茍的工作作風(fēng)。◆具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析；機(jī)構(gòu)、零件的選型和設(shè)計(jì)；圖樣的繪制；機(jī)械加工制造過(guò)程以及工程材料等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新完全依賴于設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力是一個(gè)設(shè)計(jì)者所必備的最重要的素質(zhì)。一個(gè)很小的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，也可能在制造中造成巨大浪費(fèi)，在使用中導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。（一）機(jī)械設(shè)計(jì)課程的性質(zhì)：§1-2

機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡(jiǎn)介一、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容本課程是一門(mén)重要技術(shù)基礎(chǔ)課，培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)能力，研究機(jī)械裝置和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。綜合運(yùn)用以前學(xué)過(guò)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖、工程材料等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論以及基本設(shè)計(jì)方法，訓(xùn)練和提高機(jī)械設(shè)計(jì)能力，為機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和綜合運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。作用（二）機(jī)械設(shè)計(jì)課的主要任務(wù)：通過(guò)課堂理論學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，完成任務(wù)：1）掌握通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)原理、方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力。2）樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新意識(shí)，具有一定的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。3）具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱相關(guān)技術(shù)資料的能力。4）掌握典型機(jī)械零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練。5）關(guān)注國(guó)家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)政策，并對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的新發(fā)展有所了解。（三）機(jī)械設(shè)計(jì)課的主要內(nèi)容：其他部分：機(jī)械設(shè)計(jì)常用的一些基礎(chǔ)理論和通用機(jī)械零件在常用參數(shù)范圍內(nèi)的基本設(shè)計(jì)方法。具體包括：本課程介紹通用零件的傳統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，是從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)各種新設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)?；A(chǔ)理論部分：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、形面聯(lián)接、過(guò)盈聯(lián)接以及鉚、焊、粘接等。螺紋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)以及鏈傳動(dòng)。軸、滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器和離合器等。機(jī)械設(shè)計(jì)總論、機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算和摩擦學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)等。◆聯(lián)接部分：◆傳動(dòng)部分：◆軸系部分：彈簧。二、本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法

涉及面廣關(guān)系多─與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器或零件時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性、工藝、壽命等各方面的要求。門(mén)類多─典型的通用零件多、類型多；各類零件，設(shè)計(jì)方法各有不同。公式多─除了定義式以外，對(duì)于大多數(shù)公式著重于公式的應(yīng)用，不強(qiáng)調(diào)公式的推導(dǎo)。圖表多─要求能看懂、會(huì)用，了解適用的范圍和變化趨勢(shì)。

實(shí)踐性強(qiáng)─內(nèi)容接近工程實(shí)際，盡量走實(shí)際設(shè)計(jì)程序，要注重多觀察、多實(shí)踐，逐步積累完整設(shè)計(jì)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)工作無(wú)小事——設(shè)計(jì)工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

設(shè)計(jì)問(wèn)題無(wú)統(tǒng)一答案─要注意發(fā)展求異思維。本課程的特點(diǎn)

需注意的幾個(gè)問(wèn)題

著重學(xué)習(xí)零件的設(shè)計(jì)方法以及零件參數(shù)的合理選擇。掌握理論分析和計(jì)算外，更應(yīng)重視零件的材料選擇、類型選擇、參數(shù)選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝性等內(nèi)容。

──設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算。

性能要求與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)

──永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾，應(yīng)學(xué)會(huì)合理地解決這一對(duì)矛盾。

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的選擇

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。注意的問(wèn)題

補(bǔ)充內(nèi)容工藝性零件工藝性良好的標(biāo)志：

在具體的生產(chǎn)條件下，零件便于加工且費(fèi)用低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。制備方法單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，選用棒料、板材、型材或焊件。應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。用型材焊接鍛造鑄造沖壓

工藝（technology）：使各種原材料、半成品加工成為產(chǎn)品的方法和過(guò)程（process）。2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡(jiǎn)單表面極其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；▲盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件?！M量使用相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。0.0120.0250.06.312.52550100

用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精

粗刨削鉆孔鉸孔精

粗鏜孔精

粗車精

粗磨精

粗研磨滾、銑精

粗

一般情況下Ra愈小，零件的加工成本愈高。4)盡量減小零件的加工量▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使用少或無(wú)切削加工，節(jié)約材料、降低成本?！M量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進(jìn)工藝滿足上述要求。欲設(shè)計(jì)出工藝性良好的零件，設(shè)計(jì)者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。金屬材料的工藝性能粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛

坯預(yù)先熱處理零

件切削加工最終熱處理

金屬零件的加工工藝路線高分子材料的工藝性能

高分子材料的加工工藝路線有機(jī)物原料或型材成形加工切削加工零

件熱處理、焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等陶瓷材料的工藝性能粉末成

形

加

工配料壓制燒結(jié)磨削加工零件熱處理陶瓷材料的加工工藝路線§1-3機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則一、幾個(gè)名詞：1）失效：機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。注意：a)失效并不單純指破壞，破壞只是失效的形式之一。

機(jī)械零件的可能失效形式很多，歸納起來(lái)主要有強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性以及溫度等方面的失效。

b)同一種零件可能的失效形式往往有若干種。

例如：軸在工作中可能產(chǎn)生斷裂、過(guò)大彈性變形、共振等失效。2）工作能力：即機(jī)械零件在一定條件下抵抗失效的能力。3）承載能力：對(duì)載荷而言的工作能力。（即用載荷表示的工作能力）載荷和應(yīng)力1為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計(jì)時(shí)，需要以零件的工作能力計(jì)算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計(jì)算，常用的計(jì)算方法（過(guò)程）有兩種：

5）設(shè)計(jì)計(jì)算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計(jì)算準(zhǔn)則通過(guò)計(jì)算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。

6）校核計(jì)算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗(yàn)算零件是否滿足計(jì)算準(zhǔn)則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。

4）工作能力計(jì)算準(zhǔn)則：為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。（即機(jī)械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設(shè)計(jì)零件時(shí)的理論依據(jù)）。機(jī)械零件失效與分析

每種機(jī)器零件都具有一定的功能——或完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，或傳遞力、力矩或能量。當(dāng)零部件喪失預(yù)定的功能時(shí)，即發(fā)生了零件的失效。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能保證工作安全零件雖能安全工作，但工作低效（一）零件失效的基本形式

零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效（二）失效分析的主要作用及改進(jìn)過(guò)程服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提高零件失效抗力加強(qiáng)管理改進(jìn)工藝提高主要抗力指標(biāo)改進(jìn)設(shè)計(jì)工

藝使

用材

料設(shè)

計(jì)失效分析的主要方法1、無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)是針對(duì)材料在冶金、加工、使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無(wú)損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、斷口分析

斷口分析是對(duì)斷口進(jìn)行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機(jī)理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口

失效分析要利用宏觀和微觀的研究手段進(jìn)行系統(tǒng)的分析，揭示零件失效的根本原因。3、金相分析通過(guò)觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對(duì)組織是否正常作出判斷。4、化學(xué)分析檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。5、力學(xué)分析檢查分析失效零件的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等。二、載荷和應(yīng)力1載荷由于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷稱為動(dòng)載荷。

靜載荷變載荷●按是否隨時(shí)間變化，載荷分為：名義載荷：在理想平穩(wěn)條件下所受的載荷。（不考慮動(dòng)載荷的影響）計(jì)算載荷＝載荷系數(shù)K×名義載荷。（代表機(jī)器或零件實(shí)際所受載荷）●按是否考慮動(dòng)載荷的影響，載荷分為：

載荷系數(shù)K：用于計(jì)入在實(shí)際工作中受到的各種動(dòng)載荷的影響。額定載荷：由原動(dòng)機(jī)的額定功率推算出的載荷。載荷和應(yīng)力22應(yīng)力應(yīng)力靜應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）循環(huán)應(yīng)力五個(gè)重要參數(shù)兩個(gè)重要關(guān)系載荷和應(yīng)力3對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力常見(jiàn)的循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力r=-1、sm＝0

脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力

r=0、smin＝0靜應(yīng)力r=1靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個(gè)特例）注：靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。另外，應(yīng)力還分為名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷求得的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則（一）強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度：指機(jī)械零件工作時(shí)抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。強(qiáng)度條件有兩種表示方法：1）用應(yīng)力表示：≤＝2）用安全系數(shù)表示：≥＝式中：—計(jì)算最大應(yīng)力—極限應(yīng)力—計(jì)算安全系數(shù)—許用應(yīng)力—許用安全系數(shù)注：對(duì)于切應(yīng)力，只須將上述各公式中的換成即可。三、機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則

低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線

圖1.1低碳鋼的拉伸曲線圖（1）oe──彈性變形階段（2）es──屈服階段（3）sb──均勻塑性變形階段（4）bk──縮頸階段45鋼鋁青銅35鋼硬鋁純銅強(qiáng)度指標(biāo)金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來(lái)度量的。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。

(1)屈服點(diǎn)σs在拉伸過(guò)程中,載荷不增加,試樣還繼續(xù)發(fā)生變形的最小應(yīng)力(MPa)。σs=Fs/A0對(duì)于沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的金屬材料，產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，以σ0.2表示。σ0.2=F0.2/S0

(2)抗拉強(qiáng)度σbσb=Fb/A0選用原則：若不允許發(fā)生過(guò)量的塑性變形，以屈服強(qiáng)度σS、σ0.2為依據(jù)；若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，以抗拉強(qiáng)度σb來(lái)設(shè)計(jì)。金屬材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力(MPa)疲勞強(qiáng)度

工程上規(guī)定,材料經(jīng)無(wú)數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，用表示。

材料的疲勞強(qiáng)度與其合金化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷、表面劃痕及零件截面突然改變等有關(guān)。圖1.5疲勞曲線曲線表明材料受的交變應(yīng)力越大,則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(N)越少,反之,則N越大。

雖然零件所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn),但在長(zhǎng)期使用中往往會(huì)突然發(fā)生斷裂,這種破壞過(guò)程稱為疲勞斷裂。硬度硬度是指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力,即金屬材料抵抗局部塑性變形或破壞的能力。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。圖1.2布氏硬度試驗(yàn)原理圖圖1.3洛氏硬度試驗(yàn)原理圖

塑性塑性是金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形(或永久變形)而不斷裂的能力。常用塑性指標(biāo)是斷面收縮率ψ拉伸試樣拉斷后試樣截面積的收縮率ψ為ψ=[(A0-A1)/A0]×100%斷后伸長(zhǎng)率δ拉伸試驗(yàn)試樣拉斷后,標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值δ=[(l1-l0)/l0]×100%沖擊韌度圖1.4沖擊試驗(yàn)示意圖1——擺錘2——試樣

沖擊韌度是金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力,通常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

沖擊吸收功(AK)除以試樣缺口處的截面積S0,即可得到材料的沖擊韌度。αK=AK/S0=G(H1-H2)/S0

沖擊韌度αK值愈大,表明材料的韌性愈好,受到?jīng)_擊時(shí)不易斷裂。靜應(yīng)力下的強(qiáng)度1靜應(yīng)力下的強(qiáng)度在靜應(yīng)力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應(yīng)力也不同。塑性材料單向應(yīng)力狀態(tài)下：，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下：按第三或第四強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。脆性材料單向應(yīng)力狀態(tài)下：，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下：按第一強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則注：1）對(duì)于塑性材料和組織不均勻的材料（如灰鑄鐵），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，可不考慮應(yīng)力集中的影響。

2）對(duì)于組織均勻的低塑性材料（如淬火鋼），在計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。2循環(huán)應(yīng)力下的強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力下的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)取疲勞極限（詳見(jiàn)第二章）。

3許用安全系數(shù)

合理選擇許用安全系數(shù)是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。過(guò)大，則機(jī)器會(huì)過(guò)于笨重；過(guò)小，可能不安全。因此，在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。的取值主要受下列因素的影響

1）

計(jì)算的準(zhǔn)確性；

2）材料的均勻性；

3）零件的重要性。4表面接觸疲勞強(qiáng)度

對(duì)于高副零件，理論上是點(diǎn)、線接觸，但實(shí)際上在載荷作用下材料發(fā)生彈性變形后，理論上的點(diǎn)、線接觸變成了很小的面接觸，在接觸處接觸強(qiáng)度2局部會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這樣的應(yīng)力稱為表面接觸應(yīng)力，用表示。的大小用赫茲公式計(jì)算：機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則

實(shí)際中的高副零件所受的接觸應(yīng)力都是循環(huán)變化的。例如齒輪的輪齒，接觸嚙合時(shí)受應(yīng)力作用，脫離嚙合時(shí)不受應(yīng)力作用。

在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為表面接觸疲勞強(qiáng)度。強(qiáng)度條件為：≤接觸循環(huán)應(yīng)力作用下的失效形式是：疲勞點(diǎn)蝕（簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕）。點(diǎn)蝕的危害：

1）破壞零件的光滑表面，引起振動(dòng)和噪音。

2）減小零件的有效工作面積。高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸→實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式

（1）接觸應(yīng)力a)兩圓柱體接觸機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度b)兩球接觸ρ——綜合曲率半徑說(shuō)明：1）圓柱體，球σHmax與F不呈線性關(guān)系3）同樣的ρ1、ρ2下，內(nèi)接觸時(shí)ρ較大，σHmax較小，約為外接觸時(shí)的48%

重載情況下，采用內(nèi)接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。

（2）失效形式

靜應(yīng)力:表面壓碎——脆性材料,

表面塑性變形——塑性材料變應(yīng)力：疲勞點(diǎn)蝕——齒輪、滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)失效形式。2）圓柱體，球

ρ越大，σHmax越小（3）提高接觸疲勞強(qiáng)度的措施

1）控制最大接觸應(yīng)力

2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質(zhì)量

3）增大綜合曲率半徑ρ4）改外接觸為內(nèi)接觸，點(diǎn)接觸→線接觸

5）采用高粘度潤(rùn)滑油

擠壓強(qiáng)度及剛度準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則5表面擠壓強(qiáng)度

兩零件之間為面接觸時(shí)，在載荷作用下，接觸表面上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用表示。在擠壓應(yīng)力作用下的強(qiáng)度稱為擠壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度條件為：

≤［］擠壓應(yīng)力作用下，接觸面的失效形式是——“壓潰”。注：相互擠壓表面上的擠壓應(yīng)力相等。（二）剛度準(zhǔn)則

剛度是指機(jī)械零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。如果零件的剛度不足，有些零件則會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生過(guò)大的彈性變形而失效。

例如：機(jī)床主軸的彈性變性過(guò)大將會(huì)影響所加工工件的精度。剛度準(zhǔn)則及振動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則剛度條件為：實(shí)際變形量≤［許用變形量］式中：實(shí)際變形量可用相關(guān)理論計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)方法確定。［許用變形量］——是保證正常工作所允許的變形量。注：1）零件材料的彈性模量E越大，則其剛度越大。

2）用合金鋼代替碳鋼能提高零件的強(qiáng)度，但不能提高零件的剛度。（三）振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則

當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件的自激振動(dòng)頻率（固有頻率）時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動(dòng)穩(wěn)定性”。振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：使零件的自激振動(dòng)頻率f遠(yuǎn)離外力變化的頻率。即＜0.85f

或＞1.15

f耐磨性計(jì)算

（四）摩擦學(xué)準(zhǔn)則（耐磨性計(jì)算）

滑動(dòng)摩擦下工作的零件，常因過(guò)度磨損而失效。但由于影響磨損的因素很多且比較復(fù)雜，到目前為止尚無(wú)完善的磨損計(jì)算方法。通常進(jìn)行條件性計(jì)算，通過(guò)限制影響磨損的主要因素（壓強(qiáng)p、滑動(dòng)速度v和pv值）來(lái)防止產(chǎn)生過(guò)大磨損。

滑動(dòng)速度低，載荷大時(shí)，p≤［p］滑動(dòng)速度較高時(shí)，p≤［p］，且pv≤［pv］高速時(shí)，p≤［p］，pv≤［pv］且v≤［v］注：限制

值就是間接的限制因摩擦而產(chǎn)生的熱量，防止溫度過(guò)高。運(yùn)動(dòng)副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。磨損類型：

機(jī)械零件的耐磨性4、腐蝕磨損：化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)造成的磨損。3、疲勞磨損（點(diǎn)蝕）：載荷重復(fù)作用使表層金屬小片脫落2、粘著磨損（膠合）：接觸面材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。1、磨粒磨損：硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗逶谀Σ吝^(guò)程中引起的材料脫落現(xiàn)象（五）溫度對(duì)機(jī)械零件工作能力的影響為防止?jié)櫥Мa(chǎn)生過(guò)大磨損或發(fā)生膠合現(xiàn)象，設(shè)計(jì)摩擦副零件時(shí)，需進(jìn)行熱平衡計(jì)算。熱平衡時(shí)的工作溫度t不許超過(guò)許用溫度[t]，即

t≤[t]當(dāng)金屬溫度超過(guò)某一數(shù)值（鋼為300～400℃，輕合金為100～150℃）時(shí)，其強(qiáng)度將急劇下降。

在高溫下工作的機(jī)械零件應(yīng)采用耐高溫材料制造，如耐熱合金鋼、金屬陶瓷等。在低溫下，鋼的強(qiáng)度有所提高，但其韌性會(huì)明顯降低而變脆，且對(duì)應(yīng)力集中的敏感性增大。而有色金屬在低溫下一般不會(huì)變脆，其強(qiáng)度和塑性還會(huì)有所提高。

低溫設(shè)備常用有色金屬材料制造。

§1-4機(jī)械零件常用材料和選擇原則一、機(jī)械零件的常用材料

1、黑色金屬

鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（含碳量小于2%的鐵碳合金）鑄鋼——鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強(qiáng)度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差碳鋼與合金鋼——應(yīng)用最廣泛2、有色金屬a)鋁合金——重量輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強(qiáng)度鋁合金強(qiáng)度可與碳素鋼相近b)銅合金——黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn的合金無(wú)錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復(fù)合材料銅合金是良好的耐蝕材料和減摩材料

3、非金屬材料塑料——輕、易加工成形、減摩性好，強(qiáng)度低，可作為普通機(jī)械零件、絕緣體陶瓷——電熱性好，硬度高橡膠——彈性、絕緣性好，常用作彈性元件和密封元件、減震元件4、復(fù)合材料二、機(jī)械零件材料選用的原則

選擇材料主要應(yīng)該考慮使用要求、工藝要求和經(jīng)濟(jì)性要求：1、使用要求使用要求一般包括：零件的載荷和工作情況，對(duì)零件尺寸和重量的限制，零件的重要程度等。纖維復(fù)合材料層疊復(fù)合材料顆粒復(fù)合材料骨架復(fù)合材料應(yīng)用最多，主要制薄壁壓力容器。按使用要求選擇材料的一般原則：若零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又受到某些限制時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。當(dāng)零件尺寸取決于接觸強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用表面強(qiáng)化處理材料，如調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等。滑動(dòng)摩擦下工作的零件，應(yīng)根據(jù)工作需要選擇摩擦材料、減摩材料或耐摩材料。高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料。在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐蝕材料等。2、工藝要求零件形狀和尺寸對(duì)工藝和材料也有一定要求：形狀復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造，而采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能（鑄造的液態(tài)流動(dòng)性、產(chǎn)生縮孔或偏析的可能性）或焊接性能（材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向性）。生產(chǎn)批量大小對(duì)所用工藝和材料也有要求：小批量或單件生產(chǎn)，可以采用焊接；批量生產(chǎn)時(shí)采用鑄造或鍛造，而對(duì)于鍛造，小批量生產(chǎn)時(shí)可采用自由鍛，大批量生產(chǎn)時(shí)可采用模鍛。大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮所選材料的可加工性。采用特殊熱處理工藝的零件，還需考慮材料相應(yīng)的熱處理性能，如淬硬性、淬透性、變形開(kāi)裂傾向性，回火脆性等。壁厚均勻、過(guò)渡平緩；鑄件結(jié)構(gòu)要求適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)斜度和拔模斜度；各個(gè)面交界處的過(guò)渡圓角；受力點(diǎn)加強(qiáng)筋1.鑄造性能（流動(dòng)性、收縮、偏析傾向）鑄造鋁、銅合金>鑄鐵（灰口）>鑄鋼（共晶點(diǎn)附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓3.焊接性能（可焊性、焊后開(kāi)裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）>銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向）淬透性、變形和開(kāi)裂、過(guò)熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等可加工性3、經(jīng)濟(jì)性要求在滿足使用要求的前提下，盡可能選用價(jià)格低廉的材料制造零件。對(duì)于加工量很大的小型零件，加工費(fèi)用在零件總成本中占有很大比重，零件的工藝性是影響經(jīng)濟(jì)效果的主要因素。根據(jù)局部品質(zhì)原則，采用復(fù)合材料，在不同部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理方法，使各局部要求分別得到滿足，從而降低對(duì)整體材料的要求。局部品質(zhì)也可以采用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面碾壓等方法，使所用材料的局部品質(zhì)得到提升。影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素是材料的相對(duì)價(jià)格、材料的利用率、零件結(jié)構(gòu)和工藝性等。我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格材

料相對(duì)價(jià)格材

料相對(duì)價(jià)格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）5~15（四）環(huán)境與資源原則1.能源和資源消耗少世界能源儲(chǔ)藏量石油天然氣煤鈾可開(kāi)采儲(chǔ)量9970億桶138萬(wàn)億m31，039，272噸200萬(wàn)噸可開(kāi)采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲(chǔ)量比例中東66.4%獨(dú)聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳

>70%重要金屬的世界儲(chǔ)量?jī)?chǔ)量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147512.環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金Eρ/b24145100~500475-1002710-1029E──生產(chǎn)每公斤材料的能耗

ρ──材料密度

b──抗拉強(qiáng)度生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量◆機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化——通過(guò)對(duì)零件尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖等方面的要求，制定出各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)，以供廣大設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)工作中共同遵循?！粝盗谢獙?duì)同一產(chǎn)品，為了滿足不同的使用要求，在基本結(jié)構(gòu)或基本尺寸相同的條件下，規(guī)定出若干個(gè)輔助尺寸不同的產(chǎn)品，構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品系列?！敉ㄓ没谙盗挟a(chǎn)品內(nèi)部或在跨系列的產(chǎn)品之間采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件。螺栓、鍵、滾動(dòng)軸承、減速器等許多通用零部件都已實(shí)行了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。而有些零件部分主要尺寸也實(shí)行了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，如齒輪的模數(shù)、蝸桿的分度圓直徑等。機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化簡(jiǎn)稱“三化”?！?-5

機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化一、幾個(gè)概念：機(jī)械零件“三化”的意義：可減輕設(shè)計(jì)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，有利于設(shè)計(jì)人員將主要精力用于關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。便于建立專門(mén)工廠采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。有利于合理使用原材料，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。可提高互換性，便于維修，并有利于回收再利用。便于改進(jìn)和增加產(chǎn)品品種。

“三化”程度的高低是評(píng)定機(jī)械產(chǎn)品的指標(biāo)之一，也是我國(guó)現(xiàn)行很重要的一項(xiàng)技術(shù)政策。目前我國(guó)實(shí)行的標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。在世界范圍內(nèi)通用的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。

ISO——InternationalOrganizationforStandardization標(biāo)準(zhǔn)化基本特征：統(tǒng)一、簡(jiǎn)化。標(biāo)準(zhǔn)層次：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化是組織社會(huì)化大生產(chǎn)的重要手段，是實(shí)施科學(xué)管理的基礎(chǔ)，也是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本要求之一。標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（GB）----必須強(qiáng)制執(zhí)行；推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）----鼓勵(lì)企業(yè)自愿采用。

作為設(shè)計(jì)人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相