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1、第十三章 机械零件设计基础第1页，此课件共45页哦机械零件的失效及其类型机械零件的失效及其类型强度准则强度准则刚度准则刚度准则稳定性准则稳定性准则耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则1.1 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 第2页，此课件共45页哦机械零件的计算准则机械零件的计算准则机械零件的失效及其类型机械零件的失效及其类型失效失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能失效形式失效形式：变形、断裂、腐蚀、磨损、老化、打滑和松动：变形、断裂、腐蚀、磨损、老化、打滑和松动等，也有复合型式的失效等，也有复合型式的失效工作能力工作能力机械零件具有
2、足够的抵抗失效的能力机械零件具有足够的抵抗失效的能力计算准则计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则作能力计算依据的基本原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，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故机械零件的计算准则也不同 第3页，此课件共45页哦载荷和应力1载荷和应力载荷和应力、载荷载荷动载荷动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷静载荷静载荷变载荷变载荷按是否随时间变化，载荷按是否随时间变化，载荷机械零件的计
3、算准则机械零件的计算准则2、应力、应力应力应力静应力静应力循环应力循环应力smax最大应力；最大应力；smin最小应力最小应力sm平均应力；平均应力；sa应力幅值应力幅值r 应力比（循环特性）应力比（循环特性）循环应力循环应力第4页，此课件共45页哦载荷和应力3对称循环对称循环脉动循环脉动循环常见的循环应力常见的循环应力对称循环应力r=-1、sm0脉动循环应力 r=0、smin0静应力 r=1静应力（可看作是循环应力的一个特例）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。由静
4、载荷产生。机械零件的计算准则机械零件的计算准则第5页，此课件共45页哦强度准则强度：强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。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：强度条件有两种表示方法：1 1）用应力表示：用应力表示：2 2）用安全系数表示：）用安全系数表示：式中：式中：计算最大应力计算最大应力极限应力极限应力计算安全系数计算安全系数许用应力许用应力许用安全系数许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成换成 即可。即可。机械零件的计算准则机械零件的计算准则强度准则强度准则第6页，此课件共45页哦
5、静应力下的强度一、静强度一、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。种类不同，所取极限应力也不同。塑性材料塑性材料 单向应力状态下：单向应力状态下：，复合应力状态下复合应力状态下：按第三或第四强度理论计算当量应力。按第三或第四强度理论计算当量应力。脆性材料脆性材料 单向应力状态下：单向应力状态下：，复合应力状态下：复合应力状态下：按第一强度理论计算当量应力。按第一强度理论计算当量应力。l对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁
6、），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。强度时，可不考虑应力集中的影响。l对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。度时，应考虑应力集中的影响。机械零件的计算准则机械零件的计算准则第7页，此课件共45页哦挤压强度挤压强度挤压应力：挤压应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用下，两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力，用接触表面上产生的应力，用 表示。表示。挤压强度：挤压强度：在挤压应力作用下的强度。其强度条件为：在挤压应力作用下的强度。其强度条件为：挤压应力作用下，接触面的失效形式是挤压应力作
7、用下，接触面的失效形式是“压溃压溃”。相互挤压表面上的挤压应力相等。相互挤压表面上的挤压应力相等。机械零件的计算准则机械零件的计算准则第8页，此课件共45页哦接触强度二、疲劳强度二、疲劳强度机械零件的计算准则机械零件的计算准则疲劳：疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式机械零件在循环应力的作用下的失效形式设计方法：设计方法：标称应力法、局部应力应变法、损伤容限设计法标称应力法、局部应力应变法、损伤容限设计法和概率疲劳设计法和概率疲劳设计法 疲劳极限：疲劳极限：应力比为应力比为r r的应力循环作用的应力循环作用N N次后，材料不发生疲劳次后，材料不发生疲劳的最大应力的最大应力疲劳寿命（疲劳寿
8、命（N N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N N 疲劳曲线疲劳曲线：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数之间关系的曲线第9页，此课件共45页哦机械零件的计算准则机械零件的计算准则无限寿命区无限寿命区对称循环对称循环：脉动循环脉动循环：当当N10N103 3(10(104 4)高周循环疲劳当高周循环疲劳当时随循环次数时随循环次数疲劳极限疲劳极限疲劳曲线方程疲劳曲线方程第10页，此课件共45页哦有限寿命区有限寿命区 当当N10N2%2%特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零
9、件。较好的减震良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。机械零件常用材料机械零件常用材料机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则-含碳量含碳量2%2%第35页，此课件共45页哦(1)(1)铸钢铸钢 铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。零件。特点：特点：铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，其铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比较，其减振性较差，熔点较高，铸
10、造收缩率较大，容易出现减振性较差，熔点较高，铸造收缩率较大，容易出现气孔，故铸造性不如铸铁。气孔，故铸造性不如铸铁。(2)(2)变形钢变形钢 碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。是弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。是机械零件应机械零件应用最广泛的材料用最广泛的材料机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则二、非铁金属材料二、非铁金属材料 特点特点：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。应用：应用：在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩和在一般机械制造中，
11、可用它们作承载、耐磨、减摩和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属材料耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金第36页，此课件共45页哦三、粉末冶金材料三、粉末冶金材料按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉末按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉末冶金材料。冶金材料。按用途分：按用途分：结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料。1 1粉末冶金结构材料粉末冶金结构材料具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有良好的耐蚀、密具有高强度、高硬度和韧性好
12、等特点，并有良好的耐蚀、密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机零件封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机零件等。等。2 2粉末冶金减摩材料粉末冶金减摩材料承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温性和耐磨承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制作轴承、含油轴承性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制作轴承、含油轴承等。等。机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则第37页，此课件共45页哦3 3粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗胶合能摩擦因数大而稳定，耐短时高
13、温，耐磨，导热性好，抗胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、制动器片等。力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、制动器片等。4 4粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均可控制。综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及催化、止火、电极、热催化、止火、电极、热交换和人造骨等制品。交换和人造骨等制品。机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则四、四、有机高分子材料有机高分子材料 1 1工程塑料工程塑料密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复杂、密度
14、小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作减摩、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热塑性塑料耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。和热固性塑料。第38页，此课件共45页哦 2 2橡胶橡胶橡胶分为橡胶分为天然橡胶和合成橡胶天然橡胶和合成橡胶两大类两大类特点：特点：弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作密封、弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作密封、减振元件减振元件,传动带传动带,轮胎等。轮胎等。机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则五、无机非金
15、属材料五、无机非金属材料结构陶瓷结构陶瓷 有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活塞环、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。气阀座、密封件、挺杆等零件。功能陶瓷功能陶瓷 电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某一特瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某一特殊功能要求而采用的材料殊功能要求而采用的材料。.工程陶瓷工程陶瓷第39页，此课件共45页哦 2 2炭石墨
16、材料炭石墨材料 强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润滑性，在强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电刷、热交换器等。机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电刷、热交换器等。3 3聚合物混凝土聚合物混凝土 是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。特点：特点：具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能(优于不优于不锈钢锈钢)，减振和消声能力是灰铸铁的，减振和消声能力是灰铸铁的7 7倍，具有良好的耐磨性倍，具有良好的耐磨性和电绝缘性。和电绝缘性。这种材料是
17、金属加工机床底座的理想材料这种材料是金属加工机床底座的理想材料机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则第40页，此课件共45页哦六、六、复合材料复合材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料。类多相材料。l根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料；l根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭复合材料；根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭复合材料；l根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。根据使用目的
18、分：有结构复合材料和功能复合材料。特点特点：la.a.比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比模量比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比模量高象征材料轻而刚度大；高象征材料轻而刚度大；lb.b.抗疲劳性能好。抗疲劳性能好。lc.c.减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。ld.d.高温性能好。高温性能好。机械零件材料选用原则机械零件材料选用原则第41页，此课件共45页哦载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的结构及加工性零件的结构及加工性 材料的经济性材料的经济性 零件的尺寸
19、及重量零件的尺寸及重量 材料选用原则材料选用原则 适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。等进行全面考虑。选材的一般原则选材的一般原则 第42页，此课件共45页哦通用化通用化系列化系列化组合化组合化1
20、.机械零部件的标准化机械零部件的标准化 标准标准是对科学技术和经济领域中某些多次重复的事物给予公认的是对科学技术和经济领域中某些多次重复的事物给予公认的统一规定。统一规定。标准化标准化就是制订、贯彻和推广应用标准的过程。就是制订、贯彻和推广应用标准的过程。机械产品标准化的主要内容和形式是机械产品标准化的主要内容和形式是通用化、系列化和组合化通用化、系列化和组合化(模块化模块化)。第43页，此课件共45页哦最大限度地扩大同一零部件使用范围的一种标准化形式。它是以互换最大限度地扩大同一零部件使用范围的一种标准化形式。它是以互换性为前提的，统一具有相同或相似功能和结构的零部件，以扩大零部性为前提的，
21、统一具有相同或相似功能和结构的零部件，以扩大零部件的制造批量和重复使用范围，减少设计和制造中的劳动量，保证结件的制造批量和重复使用范围，减少设计和制造中的劳动量，保证结构、质量的稳定性，并便于组织专业化生产和协作，以降低生产成本。构、质量的稳定性，并便于组织专业化生产和协作，以降低生产成本。紧固件、滚动轴承等是通用化程度最高的零件之一紧固件、滚动轴承等是通用化程度最高的零件之一。通用化通用化机械零部件的标准机械零部件的标准系列化系列化有目的的指导同类产品发展的一种标准化形式。通过对同一类产品有目的的指导同类产品发展的一种标准化形式。通过对同一类产品的发展规律和国内外的需求趋势预测及生产条件增长
22、的可能性的分析，的发展规律和国内外的需求趋势预测及生产条件增长的可能性的分析，将产品的将产品的主要参数主要参数按一定的数列作合理安排或规划，再对其基本型式、按一定的数列作合理安排或规划，再对其基本型式、尺寸和结构进行规定和统一，编制产品系列型谱和进行系列设计，以缩尺寸和结构进行规定和统一，编制产品系列型谱和进行系列设计，以缩短设计周期，加快品种的发展。短设计周期，加快品种的发展。第44页，此课件共45页哦是开发满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。是开发满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，将同一在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解
23、的基础上，将同一功能的部件设计成具有不同用途或性能的、可以互换的功能的部件设计成具有不同用途或性能的、可以互换的通用模块通用模块(件件)或标准模块或标准模块(件件)。所谓模块所谓模块(件件)就是一组具有同一功能和结合要素，而有不同用途就是一组具有同一功能和结合要素，而有不同用途和不同结构且能互换的单元。和不同结构且能互换的单元。然后，从这些模块中选取相应的模块，在补充少量新设计模然后，从这些模块中选取相应的模块，在补充少量新设计模块和零部件后，组合成一种新的机械产品，称为块和零部件后，组合成一种新的机械产品，称为组合设计组合设计。组合化（模块化）组合化（模块化）机械零部件的标准机械零部件的标准第45页，此课件共45页哦