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1、机械设计基础主讲：吕亚清机械工程学院机械基础研究室2004-2005第一学期1编制：吕亚清第9章 机械零件设计概论机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程补充：构件受力变形及应力分析补充：构件受力变形及应力分析9 91 1机械零件设计概述机械零件设计概述9 92 2 机械零件的工作能力准则机械零件的工作能力准则9 93 3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数9 94 4 材料及其选择材料及其选择9 95 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2004-2005第一学期2编制：吕亚清机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程 机械设计指规划和设计实现
2、预期功能的新机械或改进原有机械设计指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。机械的性能。1 1设计机器应满足的基本要求设计机器应满足的基本要求u良好的使用性能：实现预期功能，满足使用要良好的使用性能：实现预期功能，满足使用要求。操作容易，保养简单，维修方便。求。操作容易，保养简单，维修方便。u安全：凡关系到时人身安全或重大设备事故的安全：凡关系到时人身安全或重大设备事故的零部件都必须进行认真、严格的设计计算或校零部件都必须进行认真、严格的设计计算或校核计算，不能凭经验或以核计算，不能凭经验或以“类比类比”代替。代替。u可靠、耐用：在预定的使用期限内不发生或极可靠、耐用：在预定的使用
3、期限内不发生或极少发生故障。少发生故障。u经济：设计中应尽可能多使用标准件和成套组经济：设计中应尽可能多使用标准件和成套组件。件。u符合环保要求符合环保要求2004-2005第一学期3编制：吕亚清机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程 二、机械设计的主要内容及一般过程二、机械设计的主要内容及一般过程u主要内容包括：确定机械的工作原理，选择合主要内容包括：确定机械的工作原理，选择合宜的机构；拟定设计方案；进行运动分析和动力分宜的机构；拟定设计方案；进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷；进行零部件工作析，计算作用在各构件上的载荷；进行零部件工作能力计算、总体设计和结构
4、设计。能力计算、总体设计和结构设计。u第一至九章着重介绍选择机构和拟定设计方案第一至九章着重介绍选择机构和拟定设计方案的有关知识；第十至二十章着重论述应力分析、零的有关知识；第十至二十章着重论述应力分析、零部件工作能力计算和结构设计的有关内容。部件工作能力计算和结构设计的有关内容。计划计划阶段阶段总体方案总体方案设计阶段设计阶段总体设总体设计阶段计阶段结构设结构设计阶段计阶段技术文件技术文件编制阶段编制阶段三、设计的一般过程三、设计的一般过程2004-2005第一学期4编制：吕亚清补充：构件受力变形及应力分析一一.强度、刚度、稳定性的概念强度、刚度、稳定性的概念u力：物体之间的相互机械作用，是
5、使物体获得加力：物体之间的相互机械作用，是使物体获得加 速度速度(运动效应运动效应)和发生形变和发生形变(变形效应变形效应)的外因。的外因。u物体力学模型：物体力学模型：1.1.刚体刚体 2.2.变形固体变形固体 u变形：变形：1.弹性变形外力去除而消失的变形弹性变形外力去除而消失的变形2.塑性变形外力去除后无法恢复的变形塑性变形外力去除后无法恢复的变形2004-2005第一学期5编制：吕亚清一.强度、刚度、稳定性的概念u构件正常工作应满足的基本要求：构件正常工作应满足的基本要求：1.1.足够的强度（抵抗破坏或永久变形的能力）足够的强度（抵抗破坏或永久变形的能力）2.2.足够的刚度（抵抗弹性变
6、形的能力）足够的刚度（抵抗弹性变形的能力）3.3.足够的稳定性（保持原有平衡形式的能力）足够的稳定性（保持原有平衡形式的能力）u承载能力：构件在外载荷作用下能够满足强度、承载能力：构件在外载荷作用下能够满足强度、刚度、稳定性的能力刚度、稳定性的能力u任务：根据构件受到的载荷及其工作要求，为任务：根据构件受到的载荷及其工作要求，为构件选择材料、确定截面的形状及尺寸，使其具有构件选择材料、确定截面的形状及尺寸，使其具有相应的承载能力相应的承载能力2004-2005第一学期6编制：吕亚清1 拉伸或压缩（杆）拉伸或压缩（杆）外力作用线与杆的轴线重合外力作用线与杆的轴线重合3 剪切剪切 外力大小相等方向
7、相反，外力大小相等方向相反，作用线相距很近。作用线相距很近。2 弯曲弯曲(梁梁)外力垂直于杆件轴线外力垂直于杆件轴线拉伸拉伸弯曲弯曲二.杆件变形的基本形式2004-2005第一学期7编制：吕亚清4 扭转扭转(轴轴)外力为力偶外力为力偶,作用面垂直杆件轴线作用面垂直杆件轴线。2004-2005第一学期8编制：吕亚清四种基本变形形式2004-2005第一学期9编制：吕亚清三.内力与应力、变形与应变1.1.内力的概念：内力的概念：变变形形固固体体没没有有受受力力之之前前,内内部部各各点点之之间间存存在在相相互互作作用用力力以以保保持持固固体体一一定定的的形形状状；变变形形固固体体受受力力后后，其其内
8、内各各点点之之间间的的相相对对位位置置发发生生变变化化，产产生生变变形形，各各点点之之间间产产生生相相互互作作用用力力，称称为为“附附加加内内力力”，简简称称“内力内力”。这种内。这种内力将随外力增大而力将随外力增大而增大。当内力增大增大。当内力增大到一定限度时杆件到一定限度时杆件就会发生破坏。就会发生破坏。2.2.截面法求内力截面法求内力2004-2005第一学期10编制：吕亚清三.内力与应力、变形与应变3.3.应力：应力：承承受受同同样样大大小小的的力力，细细杆杆比比粗粗杆杆易易断断，可可见见控控制制强强度度的的是是应应力力，即即内内力力分分布布的的集集度度或或单单位位截截面面上上的内力，
9、单位：的内力，单位：正应力正应力垂直于截面垂直于截面切应力切应力切于截面切于截面4.4.变形与应变：变形与应变：构件在外力作用下，其尺寸和几何形状的改变，构件在外力作用下，其尺寸和几何形状的改变，统称为变形。统称为变形。一般地说，构件内的变形是不均匀的，因此，为一般地说，构件内的变形是不均匀的，因此，为了度量构件的变形程度，还需计算单位长度内的变了度量构件的变形程度，还需计算单位长度内的变形量（伸长或缩短）形量（伸长或缩短）2004-2005第一学期11编制：吕亚清三.内力与应力、变形与应变4.4.变形与应变：变形与应变：线应变线应变单位长度内的变形量单位长度内的变形量角应变角应变夹角的改变量
10、夹角的改变量2004-2005第一学期12编制：吕亚清FF1.轴向拉伸和压缩的概念轴向拉伸和压缩的概念受力特点：外力作用线与杆的轴线重合受力特点：外力作用线与杆的轴线重合主要变形：伸长或缩短主要变形：伸长或缩短拉（压）杆拉（压）杆2.拉伸和压缩时的内力、截面法和轴力拉伸和压缩时的内力、截面法和轴力FFFNu截面法和轴力截面法和轴力拉为拉为正正压为负压为负u内力内力：外力作用下杆件内相互作用力的改变量外力作用下杆件内相互作用力的改变量外力外力内力内力，内力过极限，内力过极限破坏破坏N=FN是右段对左段的内力是右段对左段的内力轴力轴力四四.讨论一种基本变形讨论一种基本变形 轴向拉伸和压缩轴向拉伸和
11、压缩2004-2005第一学期13编制：吕亚清u应力应力（）：单位面积上的内力。单位面积上的内力。度量截面分布内力的集度度量截面分布内力的集度u拉、压应力的计算拉、压应力的计算 =N/A N截面上的内力；截面上的内力；A截面的面积。截面的面积。例：例：F=100 N,杆件截面为圆形，杆件截面为圆形，半径为半径为10mm和和15mm，计算两截面上的应力计算两截面上的应力FF1221解：解：1）N1=N2=F 2）1=N1/0.012=F/0.012=1000000Pa=1MPa 2=N2/0.0152=F/0.0152=0.44MPa单位：单位：(帕帕Pa:N/m2)兆帕兆帕MPa：106N/m
12、2（多用）多用）3.3.应力的概念、拉压应力应力的概念、拉压应力2004-2005第一学期14编制：吕亚清解三种问题解三种问题:强度校核强度校核设计截面尺寸设计截面尺寸确定载荷确定载荷解：解：由平衡条件得内力由平衡条件得内力N=F，=N/A=38000218.9=173.6MPa fp 或或 1.15ffpu针对失效形式：针对失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常u典型零部件：典型零部件：轴等轴等2004-2005第一学期31编制：吕亚清七、耐热性准则七、耐热性准则u高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑
13、条件，改变零件间的间隙，降低精应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等度等u耐热性准则：耐热性准则：工作温度低于许用值工作温度低于许用值u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u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2004-2005第一学期32编制：吕亚清 93许用应力许用应力和安全系数和安全系数一、一、载荷载荷二、二、应力应力三、三、极限应力极限应力四、四、许用应力和安全系数许用应力和安全系数2004-2005第一学期33编制：吕亚清一、载荷一、载荷u载荷：载荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩u
14、工作载荷：工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷机器正常工作时所受的实际载荷 u名义载荷：名义载荷：理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷u计算载荷：计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷载荷计算载荷计算载荷=K K 名义载荷名义载荷载荷系数载荷系数2004-2005第一学期34编制：吕亚清二、应力二、应力u静应力：静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力不随时间改变或变化缓慢的应力u变应力：变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力随时间作周期性或非周期性变化的应力u变应力：变应力：稳定变应力（稳定变应力（随时间作周期性随时间作周期性）、不稳定变应力
15、）、不稳定变应力（非周期性循环变应力非周期性循环变应力）u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t tminmaxm2004-2005第一学期35编制：吕亚清应力参数应力参数u以正应力以正应力 为例为例u最大应力最大应力:max=m+au最小应力最小应力:minu应力幅应力幅:au平均应力平均应力:mu循环特征循环特征:rt minmax m2004-2005第一学期36编制：吕亚清静应力静应力u应力表达：应力表达：+1（t t+1）u最大应力最大应力:maxu最小应力最小应力:minu应力幅应力幅:au平均应力
16、平均应力:mu循环特征循环特征:rt m2004-2005第一学期37编制：吕亚清脉动循环变应力脉动循环变应力u应力表达：应力表达：0（t t0）u最大应力最大应力:maxu最小应力最小应力:minu应力幅应力幅:au平均应力平均应力:mu循环特征循环特征:r mt 2004-2005第一学期38编制：吕亚清对称循环变应力对称循环变应力u应力表达：应力表达：-1（t t-1）u最大应力最大应力:maxu最小应力最小应力:minu应力幅应力幅:au平均应力平均应力:mu循环特征循环特征:rt2004-2005第一学期39编制：吕亚清三、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
17、u与材料性能有关与材料性能有关u脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限 B(t tB)u塑性材料取屈服极限塑性材料取屈服极限 S(t tS)B 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁 p S BA AB BCDE2004-2005第一学期40编制：吕亚清2.2.变应力下的极限应力变应力下的极限应力u疲劳极限：疲劳极限：依据防疲劳断裂依据防疲劳断裂的准则确定的准则确定u材料经过材料经过N0次应力循环不发次应力循环不发生破坏的应力最大值生破坏的应力最大值 r(t tr)u各种材料的各种材料的 r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2004-2005第一学期41编制：吕亚清四、许用应力和安全
18、系数四、许用应力和安全系数 u许用应力：许用应力：设计零件设计零件时所依据的条件应力时所依据的条件应力u安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重u安全系数安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全许用应力许用应力极限应力极限应力安全系数安全系数2004-2005第一学期42编制：吕亚清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 根据实践经验制成表格选取根据实践经验制成表格选取2 部分系数法部分系数法 S=S1S2S3 S1：计算载荷和应力准确性系数（计算载荷和应力准确性系数（11.5)S2：材料的均匀系数（铸铁材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢钢:1.21.5）S3：零件
19、重要性系数（零件重要性系数（11.5)2004-2005第一学期43编制：吕亚清 94 4 常用材料及其选择常用材料及其选择一、一、常用材料常用材料二、二、热处理方法热处理方法三、三、材料力学性能指标材料力学性能指标四、四、材料选择原则材料选择原则作业2004-2005第一学期44编制：吕亚清作业1.什么是钢什么是钢?什么是铸铁什么是铸铁?碳素钢的力学性能主要取决碳素钢的力学性能主要取决于什么于什么?如何划分高、中、低碳钢？如何划分高、中、低碳钢？2.指出下列符号各代表什么材料指出下列符号各代表什么材料:35、Q235、65Mn、20CrMnTi、HT200、QT600-3？2004-2005
20、第一学期45编制：吕亚清一、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：铸铁：含含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差u灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：钢：含量含量1.4常用常用u碳素钢碳素钢：（含、量不同）（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、优质碳素钢u合金钢：合金钢：综合机械性能好，但较贵综合机械性能好，但较贵u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u铸钢：铸钢：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性
21、能，价昂有特殊性能，价昂少用少用u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4 非金属材料：非金属材料：u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2004-2005第一学期46编制：吕亚清二二.热处理方法热处理方法1 退火退火u降低硬度、提高降低硬度、提高韧性、细化晶韧性、细化晶粒、消除内应力粒、消除内应力2 正火正火u用于处理低中碳钢用于处理低中碳钢，代替代替低中低中碳钢碳钢的退火。提高硬度，增加的退火。提高硬度，增加韧性，韧性，易于切削易于切削，减少应力，减少应力3 淬火淬火（蘸火）（蘸火）u提高硬度和耐磨性、但内应力增大提高硬
22、度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，会发脆，应应再回火再回火4 回火回火 u消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性，提高韧性u低温回火低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性高强度、高硬度及良好的耐磨性u中温回火中温回火：高弹性、硬度中等高弹性、硬度中等u高温回火高温回火：强度、塑性、韧性都较好强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温回高温回火火)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2004-2005第一学期47编制：吕亚清表面热处理表面热处理u表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表
23、面增硬，芯部韧u表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热）u化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）2004-2005第一学期48编制：吕亚清三、材料力学性能指标三、材料力学性能指标u弹性极限：弹性极限：Pu抗拉强度：抗拉强度：B u屈服强度：屈服强度：S(0.2)u硬度：硬度：金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力uHBS:布氏硬度布氏硬度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HBS450uHRC、HRB、HRA:洛氏硬度洛氏硬度120金刚石锥体，载荷金刚石锥体
24、，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件不能测硬、脆的薄层零件uHV:维氏硬度维氏硬度136 金刚石四角锥体，载荷小，金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgfu三种硬度单位之比较：三种硬度单位之比较：HV(维氏维氏)HBS(布氏布氏)；HRC(洛氏洛氏)10 HBS p S B A AB BCDE2004-2005第一学期49编制：吕亚清四、材料选择原则四、材料选择原则u使用要求使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度使用环境、载荷性质、结构、重要程度.u工艺要求工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.u经济要求经济要求：材料价格结合加工费用、材料利
25、用率材料价格结合加工费用、材料利用率.2004-2005第一学期50编制：吕亚清 9-5-5 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.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.结构设计合理结构设计合理几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀.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ISO、国家标准、国家标准GB、行业标准、行业标准(JB、YB、QB)、企业、企业标准标准标准又分为标准又分为强制性（强制性（GB）和推荐性（）和推荐性（GB/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，我们应学会查手册生产批量、材料性能、加工可能性2004-2005第一学期51编制：吕亚清