b1第二章 機(jī)械及機(jī)械零件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第二章機(jī)械設(shè)計(jì)概論基本內(nèi)容：機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序（或方法）；機(jī)械零件的載荷與應(yīng)力；機(jī)械零件的主要失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選用、結(jié)構(gòu)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化（部分內(nèi)容自學(xué)）;摩擦、磨損與潤滑?；疽螅?）從總體上建立起機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的總體概念，即從機(jī)械的總體要求出發(fā)，引出對機(jī)械零部件的要求，根據(jù)零件的失效形式，擬定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，用一定的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)零部件。2）掌握關(guān)于機(jī)械零件的載荷與應(yīng)力的基本概念，尤其要熟練掌握變應(yīng)力、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力與安全系數(shù)、接觸應(yīng)力的基本概念3）掌握機(jī)械零件材料的選用原則和結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)的基本要求，學(xué)會采用標(biāo)準(zhǔn)。

4）掌握摩擦、磨損及潤滑的基本知識。重點(diǎn)：1）機(jī)械零件的載荷與應(yīng)力的分類及變應(yīng)力、極限應(yīng)力許用應(yīng)力與安全系數(shù)、接觸應(yīng)力的概念和有關(guān)公式。2）機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。3）機(jī)械零件的材料、結(jié)構(gòu)工藝性及機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化。4）摩擦、磨損的類型及其機(jī)理，潤滑劑的種類及其性能難點(diǎn)：1）變應(yīng)力下機(jī)械零件的極限應(yīng)力與安全系數(shù)的確定。2）接觸應(yīng)力的基本概念和計(jì)算公式。3）機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。4）設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)的結(jié)構(gòu)工藝性。對機(jī)器的主要要求2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序

設(shè)計(jì)機(jī)械的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機(jī)械的類型如何，一般來說，對機(jī)械都要提出以下的基本要求：

使用功能要求工藝性要求經(jīng)濟(jì)性要求

其他要求，如：勞動保護(hù)要求、可靠性要求、其它專用要求

2.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求計(jì)劃階段—確定設(shè)計(jì)任務(wù)等（市場調(diào)研）方案設(shè)計(jì)階段—總體方案設(shè)計(jì)（多方案比較，擇優(yōu)選定）技術(shù)設(shè)計(jì)階段—技術(shù)設(shè)計(jì)（廣泛運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法）技術(shù)文件編制階段—編寫技術(shù)文件（提供生產(chǎn)、檢驗(yàn)及使用的依據(jù)）2.1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序

試制及審定鑒定階段—技術(shù)審定與產(chǎn)品鑒定（質(zhì)量把關(guān)）2.2機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力2.2.1載荷1靜載荷與變載荷*靜載荷：作用在機(jī)械零件上的，大小和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢的載荷稱為靜載荷。如重力*變載荷：作用在機(jī)械零件上的，大小和方向隨時(shí)間作周期性變化或非周期性變化的載荷稱為變載荷。如汽車車輪軸的受力2名義載荷與計(jì)算載荷*名義載荷：根據(jù)原動機(jī)或工作機(jī)的額定功率計(jì)算出的作用于機(jī)械零件上的載荷稱為名義載荷，用F表示。*計(jì)算載荷：是考慮載荷的不均勻性及其它影響零件受載的因素后的載荷，用Fca表示計(jì)算載荷：Fca=KFK-載荷系數(shù)，考慮各種因素對載荷的綜合影響系數(shù)2.2.2應(yīng)力1靜應(yīng)力與變應(yīng)力*靜應(yīng)力：大小和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力。*變應(yīng)力：大小和方向隨時(shí)間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力。變應(yīng)力即可由靜載荷，也可由變載荷產(chǎn)生變應(yīng)力的特征參數(shù)sm─平均應(yīng)力，

smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力r─循環(huán)特性描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個(gè)參數(shù)，但其中只有兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的。σa─應(yīng)力幅值變應(yīng)力的種類1)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力隨時(shí)間按一定規(guī)律周期性變化，而且變化幅度保持常數(shù)的應(yīng)力稱為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力

（1）

對稱循環(huán)變應(yīng)力例如轉(zhuǎn)動的軸上作用一方向不變的徑向力，則軸上各點(diǎn)的彎曲應(yīng)力都屬于對稱循環(huán)變應(yīng)力（2）

脈動循環(huán)應(yīng)力

例如

齒輪輪齒單側(cè)工作的齒根彎曲應(yīng)力屬于脈動循環(huán)應(yīng)力2)非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(3)非對稱循環(huán)應(yīng)力

，在一次循環(huán)中

和

可以具有相同的符號或不同的符號幾種典型變應(yīng)力的循環(huán)特征和應(yīng)力特點(diǎn)

循環(huán)名稱循環(huán)特性應(yīng)力特點(diǎn)對稱循環(huán)r=-1脈動循環(huán)r=0非對稱循環(huán)-1<r<1當(dāng)零件剖面上呈復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，按照某一強(qiáng)度理

論求出的、與單向拉伸時(shí)有同等破壞作用的應(yīng)力如：2工作應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力工作應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算載荷，按照材料力學(xué)的基本

公式求出的作用于機(jī)械零件剖面上的應(yīng)力，如計(jì)算應(yīng)力：

3極限應(yīng)力按照強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，根據(jù)材料性質(zhì)及應(yīng)力種類而采用材料的某個(gè)應(yīng)力極限值。用表示脆性材料：脆性破壞，塑性材料:塑性變形，*在靜應(yīng)力作用下：極限應(yīng)力：*在變應(yīng)力作用下：疲勞破壞疲勞極限無限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限無限壽命疲勞極限：在任一給定循環(huán)特征r的條件下，應(yīng)力循環(huán)達(dá)到規(guī)定的N0次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力。工程上：N0：應(yīng)力循環(huán)基數(shù)有限壽命疲勞極限：在任一給定循環(huán)特征r的條件下，應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力。s－N疲勞曲線

機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在s－N曲線的CD段，可用下式描述：式中：C——常數(shù)

KN——壽命系數(shù)，m——取決于應(yīng)力狀態(tài)和材料的指數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的取值范圍為在N>N0時(shí)，按N=N0；在時(shí)，按靜應(yīng)力處理。*影響零件疲勞極限的主要因素有：（1）應(yīng)力集中（2）絕對尺寸（3）表面狀態(tài)應(yīng)力集中對零件疲勞極限的影響

在零件剖面的幾何形狀突然變化（如：孔、圓角、鍵槽、螺紋等），局部應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中

應(yīng)力集中對零件疲勞極限的影響用應(yīng)力集中系數(shù)

表示（2）絕對尺寸對零件疲勞極限的影響

零件的絕對尺寸愈大，材料包含的缺陷可能愈多，機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對越薄，因此零件的疲勞極限愈低。絕對尺寸對零件疲勞極限的影響用絕對尺寸系數(shù)表示（3）表面狀態(tài)對零件疲勞極限的影響

因?yàn)槠诹鸭y多發(fā)生在表面，不同的表面狀態(tài)（表面質(zhì)量、強(qiáng)化方法等）對零件的疲勞極限會發(fā)生不同的影響。用表面狀態(tài)系數(shù)

表征由實(shí)驗(yàn)可知：應(yīng)力集中、絕對尺寸和表面狀態(tài)只對應(yīng)力幅有影響，考慮這些綜合因素后零件的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限為：零件的對稱循環(huán)扭切疲勞極限為：4許用應(yīng)力和安全系數(shù)*許用應(yīng)力：設(shè)計(jì)零件時(shí)，計(jì)算應(yīng)力允許達(dá)到的最大值*安全系數(shù)的選取原則：在保證安全可靠的原則下，盡可能選取較小的安全系數(shù)安全系數(shù)的選取方法：1表格法2經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法：一般取[S]=1.25~4，如數(shù)據(jù)可靠，計(jì)算準(zhǔn)確可取[S]=1.25~1.53部分系數(shù)法式中：S1表示確定計(jì)算載荷和應(yīng)力準(zhǔn)確性的系數(shù)，一般取S1=1~1.5；S2表示材料機(jī)械性能不均勻系數(shù)，一般取S2=1.2~1.5;S3表示零件重要程度的系數(shù)，一般取S3=1~1.55接觸應(yīng)力當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接觸時(shí)，其接觸的局部會引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。

對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計(jì)算。

式中：Fn——正壓力，N;L——接觸線長度，mm;——綜合曲率半徑，mm,其中正號用于外接觸，負(fù)號用于內(nèi)接觸。

1,2——兩圓柱材料的泊松比

ZE——材料彈性系數(shù)，E1,E2——分別為兩圓柱體材料的彈性模量，MPa

接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。2.3機(jī)械零件的主要失效形式和設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則失效：機(jī)械零件在設(shè)計(jì)預(yù)定的期間內(nèi)，并在規(guī)定條件下，不能完成正常的功能稱之為失效強(qiáng)度:是零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表面失效（磨損、腐蝕除外）的能力剛度:是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力課程中應(yīng)用到的幾個(gè)基本概念2.3.1機(jī)械零件的主要失效形式一、斷裂二、塑性變形三、過量的彈性變形四、表面失效--磨損、疲勞點(diǎn)蝕、膠合、塑性流動、壓潰和腐蝕等五、破壞正常工作條件引起的失效--如帶傳動中的打滑，高速軸的共振等2.3.2機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則一、強(qiáng)度準(zhǔn)則

三、壽命準(zhǔn)則--條件性計(jì)算。四、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則

式中--零件的固有頻率--激振源的頻率五、可靠性準(zhǔn)則二、剛度準(zhǔn)則

2.4

機(jī)械零件材料的選用原則：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…...黑色金屬有色金屬鐵鋼高分子材料復(fù)合材料陶瓷金屬材料非金屬材料載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的工作情況零件的結(jié)構(gòu)及加工性材料的經(jīng)濟(jì)性零件的尺寸及重量2.4.1、常用材料2.4.2、機(jī)械零件材料的選用原則：塑料、橡膠、合成纖維：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F45601Cr18）：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：HT300QT500-5)：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕

機(jī)械零件材料的選用原則機(jī)械零件材料的選用原則機(jī)械零件材料的選用原則機(jī)械零件材料的選用原則機(jī)械零件材料的選用原則機(jī)械零件材料的選用原則2.5機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性

機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性貫穿于毛坯制造、冷前加工、熱處理及裝配等各個(gè)階段。主要要考慮以下幾方面的問題。2.5.1零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)與生產(chǎn)條件、批量大小及尺寸大小相適應(yīng)

2.5.2零件的造型應(yīng)簡單化

2.5.3零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)適合進(jìn)行熱處理

2.5.4

零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證加工的可能性、方便性和準(zhǔn)確性

2.5.5

零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證裝拆的可能性和方便性機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化12.6

機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化*標(biāo)準(zhǔn)的分類國際標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等如：ISOGBJB、HBQB*國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分為：強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和推薦標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：記為GB、JB等。

推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：記為GB／T、JB/T等。

*

標(biāo)準(zhǔn)化——按GB/T3935.1-1996的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)化定義為：“為在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序，對實(shí)際的或潛在的問題制定共同的和重復(fù)使用的規(guī)則的活動”標(biāo)準(zhǔn)化活動的主要任務(wù)是：制定、修定和貫徹標(biāo)準(zhǔn)