機械設計基礎機械設計的基礎理論

機械設計基礎機械設計的基礎理論第1頁/共57頁基本要求了解機械零件設計的基本要求和設計步驟；掌握機械零件強度計算中載荷、應力的種類及相應的強度設計準則；了解接觸強度及其設計準則；了解干摩擦、邊界摩擦、混合磨擦和流體摩擦的機理和物理特征；了解潤滑的作用及潤滑劑的主要質(zhì)量指標；了解機械制造常用材料及其選擇原則；了解機械設計中標準化的意義及相關概念；了解機械零件工藝性的基本要求。第2頁/共57頁§2.1機械零件的失效與設計基本要求一、失效概念（Failure）設計的使用條件下設計的壽命期限內(nèi)不能完成設計的功能失效零件例:齒輪軸斷裂—失效第3頁/共57頁二、失效形式（Failuretypes）1、整體斷裂過載斷裂疲勞斷裂2、表面破壞磨損冷膠合熱膠合點蝕塑性變形過大彈性變形3、變形過大膠合4、過大振動腐蝕第4頁/共57頁▲

避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求▲

結構工藝性要求▲

經(jīng)濟性要求▲

質(zhì)量小的要求▲

可靠性要求

機器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設計的機器滿足基本要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求：三、設計機械零件時應滿足的基本要求第5頁/共57頁提高零件強度的措施有：▲采用高強度的材料；▲使零件具有足夠的截面尺寸；▲合理設計零件的截面形狀，增大慣性矩；▲采用熱處理和化學處理方法提高材料的強度性能；▲提高零件的制造精度，以減少工作時的動載荷；▲合理配置零件的相對位置，以降低零件的載荷。1)強度要求應保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。1、避免在預定壽命期內(nèi)失效的要求第6頁/共57頁提高零件剛度的措施有：▲增大零件的截面尺寸或增大慣性矩；▲縮短支承的跨距或采用多點支承。2)剛度要求

零件在工作時的彈性變形不能超過允許的范圍稱為零件的剛度要求。剛度：指機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，有些零件則會因為產(chǎn)生過大的彈性變形而失效。例如：機床主軸的彈性變性過大將會影響所加工工件的精度。y——可以是撓度、偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角

第7頁/共57頁抗腐蝕的措施有：▲表面發(fā)蘭（發(fā)黑）；▲表面鍍層；▲表面涂漆；▲表面陽極化。零件處在腐蝕性介質(zhì)中工作時，可能使材料遭到腐蝕。

大部分零件工作在變應力下，故疲勞破壞是引起零件破壞的主要原因。影響疲勞強度的因素有：▲應力集中；▲零件的尺寸大??；▲零件表面質(zhì)量及環(huán)境狀況：3)壽命要求影響零件壽命的主要因素有：疲勞破壞腐蝕磨損第8頁/共57頁2、結構工藝性要求零件工藝性良好的標志----

在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。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。單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2)結構簡單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面及其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；▲盡量采用標準件；▲增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；第9頁/共57頁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。4)盡量減小零件的加工量

▲毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。

▲盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。欲設計出工藝性良好的零件，設計者必須虛心向工藝技術人員和一線工人學習，在實踐中積累經(jīng)驗。第10頁/共57頁3、經(jīng)濟性要求零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件的生產(chǎn)制造成本上?！喕慵慕Y構，降低材料消耗；▲采用無余量、少余量的毛坯，減少加工工時；▲采用廉價而充足的材料代替昂貴材料；▲大型零件采用組合結構而非整體結構；▲盡量采用標準件。第11頁/共57頁減小質(zhì)量的措施：▲采用緩沖裝置來降低零件所受沖擊載荷；▲采用安全裝置來限制作用在零件所受最大載荷；▲從零件應力較小處削減部分材料，以改善零件受力的均勻性，提高材料的利用率；▲采用與工作載荷方向相反的預載荷，以降低零件的工作載荷；▲采用輕型薄璧沖壓件或焊接件代替鑄造、鍛壓件；▲采用強重比高的材料。4、質(zhì)量小的要求減小質(zhì)量的好處：節(jié)約材料；減小慣性，改善機器的動力性能。第12頁/共57頁5、可靠性要求

零件的實效是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變化的。為了提高零件的可靠性，就應當在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。系統(tǒng)、機器或零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

可靠度：表示零件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率第13頁/共57頁強度準則剛度準則振動穩(wěn)定性準則耐熱性準則可靠性準則四、機械零件設計準則因為失效類型不同，所以機械零件的工作能力類型也不同，故機械零件的計算準則也不同第14頁/共57頁五、機械零件設計的一般步驟1)

根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結構。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性和使用范圍等，進行綜合對比與正確選用。2)

根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。3)

根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求(如高溫環(huán)境等)

選擇適當?shù)牟牧稀?)

根據(jù)零件的失效形式，確定零件的計算準則，通過計算，確定零件的基本尺寸。5)

根據(jù)工藝性和標準化，進行零件的結構設計。（繪制草圖）6)

細節(jié)設計完成之后，必要時]進行詳細的校核計算，以判定結構的合理性。7)

繪制零件工作圖，并撰寫計算說明書。第15頁/共57頁

為了防止機械零件在工作中產(chǎn)生失效，設計時，需要以零件的工作能力計算準則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有兩種：1）設計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結構尺寸。2）校核計算：先確定零件的結構尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。第16頁/共57頁

按名義載荷求得的應力稱為名義應力按計算載荷求得的應力稱為計算應力

在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷

機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常引入載荷系數(shù)K來估計這些因素的影響。名義載荷與載荷系數(shù)的乘積稱為計算載荷§2.2機械零件的強度一、載荷和應力第17頁/共57頁1.載荷動載荷：由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷靜載荷變載荷按是否隨時間變化，載荷2.應力靜應力變應力σmax─最大應力；σ

min─最小應力σ

m─平均應力；σ

a─應力幅值r─應力比（循環(huán)特性）隨機變應力非隨機變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力不穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)應力σtσmaxσminσmσa第18頁/共57頁對稱循環(huán)脈動循環(huán)穩(wěn)定循環(huán)應力對稱循環(huán)應力r=-1、σm＝0脈動循環(huán)應力

r=0、σ

min＝0靜應力r=1靜應力（可看作是循環(huán)應力的一個特例）靜應力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。第19頁/共57頁強度：指機械零件工作時抵抗破壞（斷裂或塑性變形）的能力。

強度條件有兩種表示方法：1）用應力表示：2）用安全系數(shù)表示：式中：σ—計算最大應力σlim—極限應力S—計算安全系數(shù)[σ]—許用應力[S]—許用安全系數(shù)注：對于切應力，只須將上述各公式中的σ

換成τ

即可。第20頁/共57頁二、靜強度

在靜應力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性變形或斷裂。材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料單向應力狀態(tài)下：

，復合應力狀態(tài)下：按第三或第四強度理論計算當量應力。

脆性材料

單向應力狀態(tài)下：

，復合應力狀態(tài)下：按第一強度理論計算當量應力。

第21頁/共57頁三、疲勞強度疲勞：機械零件在變應力的作用下的失效形式疲勞極限：應力比為r的應力循環(huán)作用N次后，材料不發(fā)生疲勞的最大應力疲勞壽命（N）:材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N

疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線第22頁/共57頁σmaxN1.s－N疲勞曲線

用參數(shù)σmax表征材料的疲勞極限，通過實驗，可得出如圖所示的疲勞曲線。稱為：

s－N疲勞曲線104C

在原點處，對應的應力循環(huán)次數(shù)為N=1/4，意味著在加載到最大值時材料被拉斷。顯然該值為強度極限σB。B103σtσBAN=1/4

在AB段，應力循環(huán)次數(shù)<103σmax變化很小，可以近似看作為靜應力強度。BC段，N=103~104，隨著N↑

→σmax↓,疲勞現(xiàn)象明顯。

因N較小，特稱為：低周疲勞。第23頁/共57頁

由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞。σmaxNσrN0≈107CDσrNNσBAN=1/4

D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)其方程為：

實踐證明，機械零件的疲勞大多發(fā)生在CD段。可用下式描述：于是有：104CB103第24頁/共57頁CD區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限srN的關系為：式中，sr、N0及m的值由材料試驗確定。

試驗結果表明在CD區(qū)間內(nèi)，試件經(jīng)過相應次數(shù)的邊應力作用之后，總會發(fā)生疲勞破壞。而D點以后，如果作用的變應力最大應力小于D點的應力（σmax<σr），則無論循環(huán)多少次，材料都不會破壞。CD區(qū)間-----有限疲勞壽命階段D點之后----無限疲勞壽命階段高周疲勞σmaxNσrN0≈107CσBAN=1/4

104CB103DσrNN第25頁/共57頁2.材料的極限應力線圖(Curveoffatiguelimit)同種材料、r不同時，σr在σm–σa

坐標系下的關系曲線-10/2CA45°amO0/2DBS45°Bσr=σm+σa(-1≤r≤+1)A:σm=0,r=-1C:σm=σa,r=0B:σa=0,r=+1ACB—實驗線圖ACED—簡化線圖E第26頁/共57頁如齒輪、凸輪、滾動軸承等。B

機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。異形曲面的接觸形式為點接觸或線接觸。四、接觸強度第27頁/共57頁

若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。FFρ2

O2

ρ1

O1

ρ2

O2

ρ1

O1

FFω2

2bsHω1

變形量B接觸失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。第28頁/共57頁b由彈性力學可知，應力為：上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2ρ1Fnρ1Fnbρ2σHσH第29頁/共57頁σH--最大接觸應力或赫茲應力;b--接觸長度;Fn

--載荷;-----綜合曲率半徑;-----綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強度的判定條件為：bFnσHlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。接觸應力具有上下對等、左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點。第30頁/共57頁§2.3機械系統(tǒng)的摩擦學設計摩擦學----研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關系的理論與應用的一門學科?！Σ?-相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；▲

潤滑--減輕摩擦和磨損所應采取的措施。關于摩擦、磨損與潤滑的學科構成了摩擦學(Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。隨著科學技術的發(fā)展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領域?！?/p>

磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；第31頁/共57頁1.干摩擦兩零件表面直接接觸后，因為微觀局部壓力高而形成許多冷焊點，運動時被剪切。2.邊界摩擦一、摩擦狀態(tài)運動副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面完全分開，其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3v有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開，彼此不直接接觸。是理想的摩擦狀態(tài)。3.液體摩擦摩擦和磨損極輕，f≈0.001~0.01

vvv第32頁/共57頁4.混合摩擦v

混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇?，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦時要小得多。第33頁/共57頁機器的壽命磨損—由于摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損曲線磨合階段磨損量時間劇烈磨損階段

穩(wěn)定磨損階段二、磨損磨損過程大致如圖所示：▲磨合階段----包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個過程?！€(wěn)定磨損階段----零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損?！鴦×夷p階段----在經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運動副間隙增大引起而外的動載荷和振動。零件即將進入報廢階段。后果—降低機器的效率和可靠性，甚至促使機器提前報廢。

設計機器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推遲劇烈磨損期的到來。第34頁/共57頁三、潤滑

潤滑的作用：降低摩擦副的摩擦、減少磨損，以及冷卻、密封、防銹和減振等。潤滑的分類1）流體動力潤滑：靠兩摩擦表面的相對運動建立壓力油膜（稱為動壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實現(xiàn)流體潤滑。2）流體靜力潤滑：兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開，強迫形成壓力油膜，實現(xiàn)流體潤滑。3）彈性流體動力潤滑：是指理論上為點、線接觸的摩擦副，在考慮表面的彈性變形等因素的基礎上建立的流體動力潤滑。4）邊界潤滑和混合潤滑（即邊界摩擦和混合摩擦）。第35頁/共57頁四、潤滑劑及其特性：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質(zhì)都可作為潤滑劑。1.潤滑劑的分類1）液體潤滑劑：2）潤滑脂：注：潤滑油和潤滑脂在實際中應用最廣。俗稱黃油。由潤滑油+稠化劑混合而成。潤滑脂的主要性能指標是：錐入度，反映其稠度大小。

滴點，決定工作溫度。3)固體潤滑劑4）氣體潤滑劑：如空氣、氮氣、二氧化碳等。主要有：動植物油、礦物油、水、液態(tài)金屬等。第36頁/共57頁2.潤滑油的主要性質(zhì)1）油性：是潤滑油吸附于摩擦表面形成邊界膜的能力。油性越好，吸附能力就越強。2）粘度：是表示油液內(nèi)部相對運動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力大小的性能指標。（粘度是選擇潤滑油的主要依據(jù)）。AoxyydyduB液體層與層之間摩擦切應力：τ=ηdudy實驗結果：η----液體的動力粘度，簡稱粘度工程中常用運動粘度：ν

=ηρ

注：我國潤滑油的牌號就是用40℃下運動粘度的平均值表示的。第37頁/共57頁影響粘度的主要因素：溫度t↑壓力p

↑→η↓ →η↑ 粘--溫圖

粘度值的大小不僅影響摩擦副的運動阻力，而且對潤滑油膜的形成及承載能力具有決定性的作用。p<10Mpa時可忽略。變化很小第38頁/共57頁▲載荷及應力的大小和性質(zhì)▲零件的工作情況▲零件的結構及加工性▲材料的經(jīng)濟性▲零件的尺寸及重量§2-4零件制造常用材料及其選擇

適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復雜的工作。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。選材的一般原則第39頁/共57頁脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況--指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度等。這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，應在充分了解材料的機械性能的前提下來進行選擇。

金屬材料的性能一般可以通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。塑性材料----適用于在有沖擊情況下工作的零件。▲在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。第40頁/共57頁

零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關。3.零件的尺寸及重量▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過大，一面在溫度變化時產(chǎn)生過大熱應力或使配合松動，另一方面要考慮材料機械性能隨溫度而變化的情況?！慵诠ぷ髦锌赡馨l(fā)生磨損的表面，應提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼?！描T造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；▲而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機械及設備的生產(chǎn)能力?！鴳M可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。第41頁/共57頁▲

材料的加工費用;5.材料的經(jīng)濟性選材時還應考慮到當時當?shù)夭牧系墓獱顩r。為了簡化供應和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。6.材料的供應狀況材料的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：▲