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1、第第6章章 机械零件设计和计算概论机械零件设计和计算概论 6-1 机械零件设计概述 6-2 机械零件的工作实力准则 6-3 许用应力和平安系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化基本要求基本要求:驾驭零件常见的失效形式和设计准则驾驭零件常见的失效形式和设计准则驾驭许用应力、平安系数的概念及确定方法驾驭许用应力、平安系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能了解零件的常用材料及性能机械设计基础机械零件设计和计算概论6-1 机械零件机械零件设计概述机械零件机械零件设计概述一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础机械零
2、件设计和计算概论一、机械零件分类一、机械零件分类机器：机器：机械、机构的总称机械、机构的总称构件构件运动的单元运动的单元零件零件制造的单元制造的单元 机械设计基础机械零件设计和计算概论通用通用零件零件传动件：传动件：齿轮、蜗杆、带、链齿轮、蜗杆、带、链联接件联接件：螺栓、键、花键：螺栓、键、花键支承件：支承件：轴、轴承轴、轴承机机械械零零件件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨飞机螺旋桨 其它：其它：联轴器、弹簧、机架联轴器、弹簧、机架二、机械零件设计基本要求二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够精的确现预定的功能、满足功能要求，能够精的确现预定
3、的功能2、工作牢靠，在预定的工作期限内不能失效、工作牢靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求、经济性要求机械设计基础机械零件设计和计算概论三、机械零件设计过程三、机械零件设计过程v零件设计时的共性：零件设计时的共性：机械设计基础机械零件设计和计算概论v过程：过程：v1、拟订零件的设计简图、拟订零件的设计简图v2、确定载荷的大小及位置、确定载荷的大小及位置v3、选择材料、选择材料v4、依据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数、依据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数v5、绘制零件工作图、绘制零件工作图工作原理、结构、工作原理、结构、类型、应用场合类型、应用场合受力分析、受力分析
4、、失效形式失效形式设计准则、设计准则、设计计算设计计算四、机械零件传统设计方法四、机械零件传统设计方法v理论设计理论设计(半阅历设计半阅历设计)：机械设计基础机械零件设计和计算概论v类比设计：类比设计：v与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节约时间，较牢靠实际中用得较多，特点是节约时间，较牢靠v阅历设计：阅历设计：v依据实践中归纳出的阅历公式和阅历数据进行设计，缺乏创依据实践中归纳出的阅历公式和阅历数据进行设计，缺乏创新新v模型试验设计：模型试验设计：v用于大型、困难零件的设计用于大型、困难零件的设计强度
5、条件强度条件(或刚度或刚度)设计计算设计计算尺寸尺寸校核计算校核计算强度条件强度条件(或刚度或刚度)6-2 机械零件的工作实力准则机械零件的工作实力准则一、机械零件常见失效形式二、工作实力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则机械设计基础机械零件设计和计算概论一、机械零件常见失效形式一、机械零件常见失效形式v失效：丢失工作实力或达不到设计要求的性能，不仅仅指失效：丢失工作实力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏破坏v常见主要失效形式有：常见主要失效形式有：v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂v表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面
6、片状剥落v塑性变形：零件发生永久性变形塑性变形：零件发生永久性变形v过大弹性变形过大弹性变形v表面破坏表面破坏v过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等机械设计基础机械零件设计和计算概论v例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题Fn二、工作实力准则二、工作实力准则v工作实力：不失效条件下零件的平安工作限度工作实力：不失效条件下零件的平安工作限度v这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为常称为“承载实力承载实
7、力”v如：如：v吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kNv工作实力或承载实力工作实力或承载实力50 kN机械设计基础机械零件设计和计算概论v工作实力准则：衡量零件工作实力的指标工作实力准则：衡量零件工作实力的指标v对零件设计，针对其主要失效形式选择适对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作实力准则进行设计合的工作实力准则进行设计v具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则则、振动稳定性准则、耐热性准则50 kN三、强度准则三、强度准则v机械零件工作实力的最基本准则机械零件工作实力的最基本准则v强度：材料反抗断裂或残余变形的实力强度：
8、材料反抗断裂或残余变形的实力v强度准则：工作应力强度准则：工作应力许用应力许用应力v 或或 机械设计基础机械零件设计和计算概论v针对失效形式：断裂、疲惫破坏、残余变形针对失效形式：断裂、疲惫破坏、残余变形v典型零部件：轴、齿轮、典型零部件：轴、齿轮、带轮等带轮等正应力：正应力：剪应力：剪应力：极限应力极限应力四、刚度准则四、刚度准则v刚度：材料反抗弹性变形的实力刚度：材料反抗弹性变形的实力v刚度准则：实际变形量刚度准则：实际变形量许用变形量许用变形量v弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件：y y v 倾角条件：倾角条件：v扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j机械设计基础机械零件设计
9、和计算概论v针对失效形式：针对失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形v典型零部件：典型零部件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等五、耐磨性准则五、耐磨性准则v耐磨性：零件抗磨损的实力耐磨性：零件抗磨损的实力v磨损是相当困难的物理化学过程磨损是相当困难的物理化学过程v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等剂的化学性质和物理性质等v具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲惫磨损、腐蚀磨损、冲具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲惫磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损蚀磨损、微动磨损v耐磨性准则：耐磨性准则：vP 机械设计基础机械零件设计和计算概论
10、v针对失效形式：针对失效形式：零件表面破坏零件表面破坏v典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等六、振动稳定性准则六、振动稳定性准则v共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变更频共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变更频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等v振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值v振动稳定性准则：振动稳定性准则：0.85f fp 或或 1.15ffp机械设计基础机械零件设计和计算概论v针对失效形式
11、：针对失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常v典型零部件：典型零部件：轴等轴等七、耐热性准则七、耐热性准则v高温引起承载实力降低、蠕变，也会造成热变形、高温引起承载实力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，变更零件间附加热应力，破坏正常的润滑条件，变更零件间的间隙，降低精度等的间隙，降低精度等v耐热性准则：工作温度低于许用值耐热性准则：工作温度低于许用值机械设计基础机械零件设计和计算概论v针对失效形式：针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变高温引起的润滑不良、蠕变v典型零部件：典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等蜗杆、齿轮、滑动轴承等6-3 许用应力和平安系数许用应
12、力和平安系数一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和平安系数机械设计基础机械零件设计和计算概论一、载荷一、载荷v载荷：作用于零件上的力或力矩载荷：作用于零件上的力或力矩v工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 v名义载荷：志向工作条件下的载荷名义载荷：志向工作条件下的载荷v计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷v计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义载荷机械设计基础机械零件设计和计算概论载荷系数载荷系数二、应力二、应力v静应力：不随时间变更或变更缓慢的应力静应力：不随时间变更或变更缓慢的应力v变应力：
13、随时间作周期性或非周期性变更的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变更的应力v变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）（非周期性循环变应力）机械设计基础机械零件设计和计算概论v稳定变应力：稳定变应力：对称循环变应力、对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变脉动循环变应力、非对称循环变应力应力ts stssminsmaxsm应力参数应力参数v以正应力以正应力s s为例为例v最大应力最大应力:s smax=s sm+s sav最小应力最小应力:s sminv应力幅应力幅:s sa机械设计基础机械零件设计和计算概论
14、v平均应力平均应力:s smv循环特征循环特征:rts ssminsmaxs sm静应力静应力v应力表达：应力表达：s s+1（t t+1）v最大应力最大应力:s smaxv最小应力最小应力:s sminv应力幅应力幅:s sav平均应力平均应力:s smv循环特征循环特征:r机械设计基础机械零件设计和计算概论ts ss sm脉动循环变应力脉动循环变应力v应力表达：应力表达：s s0（t t0）v最大应力最大应力:s smaxv最小应力最小应力:s sminv应力幅应力幅:s sav平均应力平均应力:s smv循环特征循环特征:r机械设计基础机械零件设计和计算概论s smts s对称循环变应力
15、对称循环变应力v应力表达：应力表达：s s-1（t t-1）v最大应力最大应力:s smaxv最小应力最小应力:s sminv应力幅应力幅:s sav平均应力平均应力:s smv循环特征循环特征:r机械设计基础机械零件设计和计算概论ts三、极限应力三、极限应力1 静应力下的极限应力静应力下的极限应力v与材料性能有关与材料性能有关v脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限s sB(t tB)机械设计基础机械零件设计和计算概论v塑性材料取屈服极限塑性材料取屈服极限s sS(t tS)s sBe es s玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e es ss sps sSs sBA AB BCDE2 变应力下的极限
16、应力变应力下的极限应力v疲惫极限：依据防疲惫断裂的准疲惫极限：依据防疲惫断裂的准则确定则确定v材料经过材料经过N0次应力循环不发生破次应力循环不发生破坏的应力最大值坏的应力最大值sr(tr)机械设计基础机械零件设计和计算概论v各种材料的各种材料的s sr可从有关手册中查取可从有关手册中查取有限寿命区无限寿命区四、许用应力和平安系数四、许用应力和平安系数 v许用应力：许用应力：设计零件时设计零件时所依据的条件应力所依据的条件应力机械设计基础机械零件设计和计算概论v平安系数平安系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重v平安系数平安系数许用应力许用应力不够平安不够平安许用应力许用应力极限应力极限应力安全
17、系数安全系数许用应力确定许用应力确定 1 查许用应力表查许用应力表依据实践阅历制成表格选取依据实践阅历制成表格选取机械设计基础机械零件设计和计算概论2 部分系数法部分系数法S=S1S2S3S1：计算载荷和应力精确性系数（：计算载荷和应力精确性系数（11.5)S2：材料的匀整系数（铸铁：材料的匀整系数（铸铁:1.52.5,钢钢:1.21.5）S3：零件重要性系数（：零件重要性系数（11.5)6-4 常用材料及其选择常用材料及其选择一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则机械设计基础机械零件设计和计算概论一、常用材料一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力
18、学性能等级和牌号1 铸铁：含铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、牢靠性差易成型、价廉、吸振、牢靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：含量钢：含量1.4常用常用碳素钢：（含、量不同）一般碳素钢、优质碳素钢碳素钢：（含、量不同）一般碳素钢、优质碳素钢合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理铸钢：含铸钢：含（0.150.6）易成型易成型3 有色金属合金：有特殊性能，价昂有色金属合金：有特殊性能，价昂少用少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承
19、合金4 非金属材料：非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料机械设计基础机械零件设计和计算概论一、常用材料一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：含铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、牢靠性差易成型、价廉、吸振、牢靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁机械设计基础机械零件设计和计算概论（1 1）灰铸铁）灰铸铁 如HT100、HT300,良好的铸造性、切削加工性、耐磨性，消振性，但抗拉强度低。（2 2）球墨铸铁）球墨铸铁 如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁有 很大的提高，
20、具有良好的耐磨性，但铸造性较差。（3 3）可锻铸铁）可锻铸铁 如KTH300-06,强度、塑性、韧性、耐磨性均 较高，能承受冲击振动,但生产周期长，成本较高。铸造大尺寸零件较困难。一、常用材料一、常用材料2 钢：钢：含量含量1.4常用常用机械设计基础机械零件设计和计算概论碳素钢碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢：T7、T8一般碳素结构钢一般碳素结构钢 如如Q235、Q275等等优质碳素结构钢优质碳素结构钢低碳钢C0.25%如20 合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢 、高速工具钢、硬质合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢特类钢 不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr
21、9SiMn、耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢合金结构钢 如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低金结构钢低金结构钢 如12Mn弹簧钢弹簧钢 如60Si2MnA中碳钢0.6%C0.25%如45 高碳钢0.6%C 如60 钢钢一、常用材料一、常用材料3 有色金属合金：有特殊性能，价昂有色金属合金：有特殊性能，价昂少用少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金机械设计基础机械零件设计和计算概论（1）铜合金）铜合金 黄铜 铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素，如 ZCuZn38等。青铜 青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等，如 CuAl1
22、0Fe3、ZCuSn5PbZn5。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。（2）铝及铝合金）铝及铝合金 铝合金具有良好的导热、导电性能，其导电性 能大约为铜的60%，但由于重量轻，在远距离输送 的电缆中常代替铜线。一、常用材料一、常用材料4 非金属材料：非金属材料：v工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料机械设计基础机械零件设计和计算概论 1工程塑料工程塑料 （1）尼龙尼龙 品种、数量及应用上居工程塑料之品种、数量及应用上居工程塑料之首，它强度高，耐磨首，它强度高，耐磨 性好，耐化学腐蚀。但易吸取水分性好，耐化学腐蚀。但易吸取水分而影响尺寸的稳定性。而影响
23、尺寸的稳定性。（2）聚碳酸脂）聚碳酸脂 在工程塑料中韧性最好，透光率达在工程塑料中韧性最好，透光率达90%，连续运用温，连续运用温 度达度达135145，它正取代玻璃和，它正取代玻璃和有机玻璃，作为飞机上的挡风有机玻璃，作为飞机上的挡风 夹层和天窗。夹层和天窗。（3）聚甲苯）聚甲苯 在工程塑料中弹性模量最高，并有高在工程塑料中弹性模量最高，并有高硬度，低摩擦系数和较好的耐疲惫性能，适用于制造小硬度，低摩擦系数和较好的耐疲惫性能，适用于制造小齿轮及轴套等。齿轮及轴套等。（4）聚苯醚）聚苯醚 在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数最小，最耐热。最小，最耐热。（5）ABS
24、具有良好的综合性能。广泛应用在具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织机械管材、家用电器和纺织机械 中。用中。用ABS制成的泡沫夹层制成的泡沫夹层板，可作小轿车的车身。板，可作小轿车的车身。一、常用材料一、常用材料4 非金属材料：非金属材料：v工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料机械设计基础机械零件设计和计算概论 2橡胶橡胶 常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等 3夹布胶木夹布胶木 常用来制造板材、电工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。常用来制造板材、电工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。
25、4其他其他 工业上，常常运用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等工业上，常常运用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等。二、热处理方法二、热处理方法1 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面热处理机械设计基础机械零件设计和计算概论热处理比较热处理比较1 退火退火降低硬度、提高韧性、细化晶降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消退内应力粒、消退内应力2 正火正火用于处理低中碳钢，代替低中用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，加韧性，易于切削，削减应易于切削，削减应力力机械设计基础机械零件设计和计算概论3 淬火（蘸火）淬火（蘸火）提高硬度和耐磨性、但内应力增
26、大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火回火 消退淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消退淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性中温回火：高弹性、硬度中等中温回火：高弹性、硬度中等高温回火：强度、塑性、韧性都较好高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温高温回火回火)正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度表面热处理表面热处理v表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表面增硬，芯部韧v表面淬火法（火焰加
27、热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热）v化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）机械设计基础机械零件设计和计算概论三、材料力学性能指标三、材料力学性能指标v弹性极限：弹性极限：s sPv抗拉强度：抗拉强度：s sB v屈服强度：屈服强度：s sS(s s0.2)机械设计基础机械零件设计和计算概论v硬度：硬度：vHBS:布氏硬度布氏硬度v硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450vHRC、HRB、HRA:洛氏硬度洛氏硬度v120金刚石锥体，载荷金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件不能册硬、脆的薄层
28、零件vHV:维氏硬度维氏硬度v136 金刚石四角锥体，载荷小，金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgfv显微硬度显微硬度v三种硬度单位之比较：三种硬度单位之比较：vHV(维氏维氏)HBS(布氏布氏)；HRC(洛氏洛氏)10 HBSs sps sSs sBe es sA AB BCDE四、材料选择原则四、材料选择原则v运用要求：运用环境、载荷性质、结构、重要程度运用要求：运用环境、载荷性质、结构、重要程度.v工艺要求：零件及其毛坯的形态、批量、加工方法工艺要求：零件及其毛坯的形态、批量、加工方法.v经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.机械设计基础机
29、械零件设计和计算概论6-5 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化一、工艺性一、工艺性主要体现在下面三个方面：主要体现在下面三个方面：1.1.毛坯选择合理毛坯选择合理铸件、锻件、铸件、锻件、型材型材？单件生产、批量生产？单件生产、批量生产？2.2.结构设计合理结构设计合理几何形态力求简洁，截面大小尽可能匀整几何形态力求简洁，截面大小尽可能匀整.3.3.制造精度及表面粗糙度选择合理制造精度及表面粗糙度选择合理二、标准化二、标准化品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化 国际标准国际标准ISOISO、国家标准、国家标准GBGB、行业标准、行业标准(JB(JB、YBYB、QB)QB)、企业标、企业标准准标准又分为强制性（标准又分为强制性（GBGB）和举荐性（）和举荐性（GB/TGB/T）两种）两种这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册机械设计基础机械零件设计和计算概论