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1、第一篇第一篇 总论总论第一章第一章绪论绪论第二章第二章机械设计总论机械设计总论第三章第三章机械零件的强度机械零件的强度第四章第四章摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述 第一章第一章 总论总论1-1机械工业在现代化建设中的作用机械工业在现代化建设中的作用1-2本课程的内容、性质与任务本课程的内容、性质与任务1-1 机械工业在现代化建设中的作用 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或 不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳 动生产率和改善劳动条件。只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系
2、列化和通用化，尤其是便 于实现高度的机械化、电气化和自动化。机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发 展的力度加速我国的现代化建设。（一）机器的基本组成要素（一）机器的基本组成要素1-2本本课程内容、性质与任务课程内容、性质与任务机器：执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。机器：执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体。机构：能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体。机械：机器和机构的总称。机械：机器和机构的总称。
3、零件、构件、机构、机器等关系零件、构件、机构、机器等关系零件零件刚性刚性组合组合构件构件机架机架原动件原动件从动件从动件运动副运动副组合组合机构机构机器机器原动机原动机工作机工作机信息机信息机机器的基本组成要素是机械零件机器的基本组成要素是机械零件机械零件：组成机器的不可拆的基本单元。机械零件：组成机器的不可拆的基本单元。部件：为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。部件：为完成同一使命在结构上组合在一起并协同工作的零件。机械零件机械零件通用件：各种机器中普通使用的零件。通用件：各种机器中普通使用的零件。如：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动、轴、联轴器、如：齿轮、链传动、带传
4、动、蜗杆传动、螺旋传动、轴、联轴器、离合器、滚动轴承、滑动轴承、螺栓、键、花键、销、铆、焊、胶离合器、滚动轴承、滑动轴承、螺栓、键、花键、销、铆、焊、胶结构件、弹簧、机架、箱体等。结构件、弹簧、机架、箱体等。专用件：只在一定类型的机器中使用的零件。专用件：只在一定类型的机器中使用的零件。如：叶片、犁铧、枪栓等。如：叶片、犁铧、枪栓等。本课程只研究通用零件。本课程只研究通用零件。标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件。标准件：经过优选、简化、统一，并给以标准代号的零件和部件。易易损损件件：在在正正常常运运转转过过程程中中容容易易损损坏坏，并并在在规规定定期期限限内内必必须须更更
5、换换的零件或部件。的零件或部件。（二）本课程的具体内容（二）本课程的具体内容2）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接）连接部分：螺纹联接，键联接，过盈联接，铆接，焊接3）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动）传动部分：螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动以及摩擦轮传动等；以及摩擦轮传动等；4）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，离合器）轴系部分：轴，滑动轴承，滚动轴承，联轴器，离合器5）其他部分：弹簧，减速器，机架）其他部分：弹簧，减速器，机架1）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论，材料）总论部分：机器及零件设计的基本原则，设计计算理论
6、，材料选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；选择，结构要求，以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；课程性质：课程性质：一门设计性质的技术基础课，起承上启下的作用。一门设计性质的技术基础课，起承上启下的作用。承上：本课程与前面所学的课程：高数、制图、力学、机械原理、承上：本课程与前面所学的课程：高数、制图、力学、机械原理、公差等均有联系公差等均有联系启下：本课程是学习后续专业课程的基础：机制工艺学、机电一启下：本课程是学习后续专业课程的基础：机制工艺学、机电一体化、机床、刀具、汽车等体化、机床、刀具、汽车等课课程程目目的的（任任务务）：综综合合运运用用各各种种机机械械零零件件、各
7、各种种机机构构的的知知识识以以及及其其他他先先修修课课程程的的知知识识，掌掌握握设设计计机机械械传传动动装装置置和和一一般般机机械械的的能能力。力。（三）本课程的性质（三）本课程的性质本课程所涉及的先修课程有：本课程所涉及的先修课程有：工程制图：设计的图形表达。工程制图：设计的图形表达。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强
8、度分析问题。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。机械原理：解决机械的方案设计。（四）本课程的任务（四）本课程的任务（四）本课程的任务（四）本课程的任务l1）有正确的设计思想并勇于创新探索；）有正确的设计思想并勇于创新探索；l2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律，）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律，进而具有综合运用所学知识，研究改进或开发新的基础进而具有综合运用所学知识，研究改进或开发新的基础件及设计简单的机械的能力；件及设计简单的机械的能力；l3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；
9、资料的能力；l4）掌握典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技）掌握典型机械零件的试验方法，获得基本的试验技能的基本训练；能的基本训练；l5）了解机械设计的最新动态。）了解机械设计的最新动态。第二章第二章 机械设计总论机械设计总论 2-1机器的组成机器的组成 2-2设计机器的一般程序设计机器的一般程序 2-32-3对机器的主要要求对机器的主要要求对机器的主要要求对机器的主要要求 2-42-4机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式 2-52-5设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时
10、应满足的基本要求 2-62-6机械零件的设计准则机械零件的设计准则机械零件的设计准则机械零件的设计准则 2-72-7机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械零件的设计方法 2-82-8机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤 2-92-9机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用 2-102-10机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 2-112-11机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介2-
11、1 机器的组成 人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括：一台完整的机器的组成大致可包括：原动机部分传动部分执行部分辅助系统，例如：润滑、显示、照明等控制系统传感器传感器传感器简单的机器只由原动机部分、传动部分和执行部分这三部分组成，简单的机器只由原动机部分、传动部分和执行部分这三部分组成，随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高，辅随着机器功能越来越复杂，对机器的精确度要求也越来越高，辅助系统、控制系统就应运而生。助系统、控制系统就应运而生。机器的组成机器
12、的组成（本节将以汽车为例讲述机器的组成本节将以汽车为例讲述机器的组成）1动力部分：动力部分：原动机提供动力原动机提供动力（蒸汽机、电动机、内燃机等）（蒸汽机、电动机、内燃机等）2执行部分：完成预定的功能执行部分：完成预定的功能（车轮、悬挂系统及底盘、车身）（车轮、悬挂系统及底盘、车身）3传动部分：转换运动形式、运动及动力参数传动部分：转换运动形式、运动及动力参数（离合器、变速（离合器、变速箱、传动轴、差速器等）箱、传动轴、差速器等）4控制部分：控制运行状态控制部分：控制运行状态（方向盘及转向系统、排挡杆及其它（方向盘及转向系统、排挡杆及其它各种操作手柄及刹车、油门、离合器踏板）各种操作手柄及刹
13、车、油门、离合器踏板）5辅助系统：反馈运行状态并发出信号辅助系统：反馈运行状态并发出信号（润滑、照明、显示、（润滑、照明、显示、信号等）信号等）2-2 2-2 设计机器的一般程序设计机器的一般程序机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平，机器的先进性取决于设计者的设计的先进水平，机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定的机械设计经过上百年的发展形成了自己较为固定的程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器程序，本节以农用车为例结合框图来阐述设计机器的一般程序。的一般程序。设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，设计的各个阶段是相互联系、相互影响、相互制约的，在设计中不可避免的会出现
14、反反复复，在设计中要注意在设计中不可避免的会出现反反复复，在设计中要注意运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如采用优运用先进的设计方法、设计手段来进行设计，如采用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等来提高设计质量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽快地进入量，加快设计速度，缩短开发周期，使产品尽快地进入市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。市场、占领市场，获得最大的经济效益和社会效益。设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细设计说明书、工艺文件、标准件、自制件、外协件明细表、使用说明书等表、使用说明书等样机样机样机样机试制
15、、检测、验收、改进原型的设计试制、检测、验收、改进原型的设计市场调研、比较分析并拟定市场调研、比较分析并拟定设计任务书设计任务书设计任务书设计任务书如如:开发的开发的吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先吨位、市场的占有率、社会效益、经济效益、性能的先进性等进性等计划阶段计划阶段(提出问题提出问题)技术设计阶段技术设计阶段(解决问题解决问题)技术文件编制阶技术文件编制阶段段方案设计阶段方案设计阶段(分析问题分析问题)试制鉴定阶段试制鉴定阶段(验证问题验证问题)对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价对机器进行功能分析，组合出设计方案以供选择，评价决策、选择决策、选择最终方案最
16、终方案最终方案最终方案。如：四轮、三轮；柴油机、汽。如：四轮、三轮；柴油机、汽油机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等油机；有无驾驶室；传动方案（皮带、链、传动轴）等机器运动学设计机器运动学设计：原动机参数：原动机参数-各运动构件的运动参数各运动构件的运动参数机器动力学计算：机器动力学计算：由运动参数计算零件所受载荷的大小由运动参数计算零件所受载荷的大小零件工作能力设计：零件工作能力设计：由载荷进行零件的初步设计由载荷进行零件的初步设计部件装配草图及总装配草图设计：部件装配草图及总装配草图设计：绘图绘图（总装图、部件（总装图、部件图、零件图图、零件图主要零件的校核主要零件的校核初步计算
17、及设计初步计算及设计产品设计定型产品设计定型批量生产阶段批量生产阶段从小批到中批再到大批，注重从小批到中批再到大批，注重售后服务售后服务售后服务售后服务，不断，不断反馈信息，不断改进、不断提高反馈信息，不断改进、不断提高（一）使用功能要求（一）使用功能要求机器应具有预定的使用功能机器应具有预定的使用功能如起动、转如起动、转弯半径、吨位、速度、制动等弯半径、吨位、速度、制动等（二）经济性要求：（二）经济性要求：如设计、制造、使用成本，采用标准化、如设计、制造、使用成本，采用标准化、系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等）系列化、通用化的零部件（底盘、车桥等）（三）劳动保护和环境保护要求（三）劳动保
18、护和环境保护要求安全装置（气囊、安全带）、噪声；环境保护（尾气、噪声）安全装置（气囊、安全带）、噪声；环境保护（尾气、噪声）（以汽车为例）（以汽车为例）（六）其它专用要求：其它专用要求：特殊要求（防弹、越野等）特殊要求（防弹、越野等）2-3 对机器的主要要求对机器的主要要求（四）寿命与可靠性的要求（四）寿命与可靠性的要求在规定的使用条件及使用期限在规定的使用条件及使用期限内不出故障内不出故障（五）（五）人机工程与造型：人机工程与造型：操作习惯、外型美观，符合美学原则操作习惯、外型美观，符合美学原则机械设计中的机械设计中的“三化三化”1标准化标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、对
19、零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）户根据要求选用）2系列化系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机称为不同的系列（如：滚动轴
20、承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）械的系列化）3通用化通用化：不同的产品间，零部件要能相互通用（如：汽车与不同的产品间，零部件要能相互通用（如：汽车与农用车之间零部件的通用）农用车之间零部件的通用）2-4 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式失失效效：机机械械零零件件丧丧失失工工作作能能力力或或达达不不到到设设计计要要求求性性能能时时，称称为为失失效效。同同一一种种零零件件发发生生失失效效的的形形式式可可能能有有多多种，不同的工作条件，失效形式不同。种，不同的工作条件，失效形式不同。工工作作能能力力：零零件件不不发发生生失失效效时时的的安安全全工工作作限限度度称称为为工工作能力
21、。作能力。机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。失效等。（一）整体断裂（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂（二）过大的残余变形（二）过大的残余变形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产当作用
22、于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形（三）零件的表面破坏（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损（四）破坏正常工作条件引起的失效（四）破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常
23、工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。损、腐蚀等因素引起。（一）避免在预定寿命期内失效的要求（一）避免在预定寿命期内失效的要求1.1.强度强度
24、强度强度：强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形）强度不足会引起断裂、较大的残余变形（塑性变形）2.2.刚度刚度刚度刚度：刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度刚度不足会造成弹性变形超过允许的限度3.3.寿命寿命寿命寿命：零件正常工作延续的时间，：零件正常工作延续的时间，影响寿命的主要因素有材料影响寿命的主要因素有材料的疲劳、材料的腐蚀、磨损的疲劳、材料的腐蚀、磨损2-52-5设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求（二）（二）结构工艺性的要求结构工艺性的要求结构简单便于制造加工与装配结构简单便于制造加工与装配（三）经济性（三）经济性零件应有合理的生产加工和使用维护的成
25、本。价廉物美（遵循零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。价廉物美（遵循三化原则）三化原则）（四）质量小的要求（四）质量小的要求质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。（五）可靠性要求（五）可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。零件的可靠性决定了应降低零件发生故障的可能性（概率）。零件的可靠性决定了机器的可靠性。机器的可靠性。2-6 机械零件的设计准则（一）（一）强度准则强度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：以及相应的设计计算
26、方法。一般来讲，有以下几种准则：零件中的应力不得超过允许的限度。即：确保零件不发生零件中的应力不得超过允许的限度。即：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。两种判断零件强度的方法两种判断零件强度的方法1 1、强度条件、强度条件2、实际安全系数、实际安全系数静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂静应力时零件的主要失效形式：塑性变形、断裂塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料塑性材料极限应力：塑性材料极限应力：脆性材料极限应力：脆性材料极限应力：变应力时零件的主要失效形式：疲劳破坏变应力时零件的主要失效形式：疲劳破坏（二）刚度准则（
27、二）刚度准则 确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。（三）寿命准则（三）寿命准则 通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。（四）振动稳定性准则（四）振动稳定性准则 高速运转机械的设计应注重此项准则。高速运转机械的设计应注重此项准则。（五）可靠性准则（五）可靠性准则 可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完可靠性表示系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。成规定功能的能力。当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。2-7 机械零件的设计方法 机械零件的设计方法通
28、常分为机械零件的设计方法通常分为常规设计方法常规设计方法和和现代设计方现代设计方法法两大类。两大类。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。等等。常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计长期的设计和生产实践中总结出的方
29、法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：的方法。它又可分为：理论设计、理论设计、经验设计、模型实验设计。经验设计、模型实验设计。（一）理论设计（一）理论设计 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。1.1.设计计算设计计算 先分析零件的可能失效形式，根据该失先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。2.2.校核计算校核计算 先确定零件的结构尺寸，然后再先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应验算零件是否满足计算准则。如不满足
30、，则应修改零件的尺寸。修改零件的尺寸。（二）经验设计（二）经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计。如：箱体、或根据设计者本人的经验用类比的办法所进行的设计。如：箱体、机架、传动零件的各结构要素等，机架、传动零件的各结构要素等，一般用在不重要的场合。一般用在不重要的场合。（三）模型实验设计（三）模型实验设计对一些对一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件尤其是一些重型整体机械零件机械零件，为提高设计质量，可采用此方法。即根据
31、相似理论的，为提高设计质量，可采用此方法。即根据相似理论的方法做模型，从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设计方法做模型，从对模型的模拟工作状态中取得数据后再作为设计的依据，对设计进行逐步的修改，直至完善。如：飞机的风洞试的依据，对设计进行逐步的修改，直至完善。如：飞机的风洞试验、桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开发）。验、桥梁、水坝、大型的发电机组（从小到大逐步开发）。2-8 机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构 机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结 构 设 计校 核 计 算
32、画出零件工作图,写出计算说明书2-9 机械零件的材料及其选用：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1).黑色金属黑色金属有色金属有色金属铁钢高分子材料高分子材料复合材料复合材料陶瓷陶瓷金属材料金属材料非金属材料非金属材料（一）机械零件常用材料（一）机械零件常用材料：塑料、橡胶、合成纤维：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18）：灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300 QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻1.1.载荷、应力的大小和性质载荷、应力的大小和性质2.零件的工作情况零件的工作情况3.零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量4.零件的结构及
33、加工性零件的结构及加工性5.材料的经济性材料的经济性1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则；5）节约稀有材料（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）；6）材料的供应状况。（二）机械零件材料的选用原则（二）机械零件材料的选用原则2-10机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化标准化标准化：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设：对零件的尺寸、结构要素、材料特性、检验方法、设计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联计方法、制图要求等制定出统一的共同遵守的标准（如：螺纹联接件，滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户接件，
34、滚动轴承等用途最广的零件进行大量的、集中制造，用户根据要求选用）。根据要求选用）。系列化系列化：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本：对同一产品，为了适应不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，结构或基本尺寸的条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机称为不同的系列（如：滚动轴承的直径系列、宽度系列，工程机械的系列化）。械的系列化）。优越性优越性：1）提高质量，降低成本；）提高质量，降低成本；2）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性；）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性
35、能的可靠性；3）简化设计工作，提高设计质量，简化机器的维修。）简化设计工作，提高设计质量，简化机器的维修。与设计有关的标准与设计有关的标准:国际标准国家标准行业标准企业标准等国际标准国家标准行业标准企业标准等如：如：ISOGBJB、HBQB国标分为：强制标准和推荐标准国标分为：强制标准和推荐标准强制性国家标准：代号为强制性国家标准：代号为GB(为标准序号为标准序号)(为批准年为批准年代代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，
36、必须遵守这些国国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。标，以期取得事半功倍的效果。2-11机械现代设计方法简介机械现代设计方法简介 机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：1 1）以动态的取代静态的）以动态的取代静态的如机器结构动力学计算。如机器结构动力学计算。2 2）以定量
37、的取代定性的）以定量的取代定性的如有限元计算。如有限元计算。3 3）以变量取代常量）以变量取代常量如可靠性设计。如可靠性设计。4 4）以优化设计取代可行性设计）以优化设计取代可行性设计如优化设计。如优化设计。5 5）并行设计取代串行设计）并行设计取代串行设计如并行设计。如并行设计。6 6）微观的取代宏观的）微观的取代宏观的如微纳米摩擦学设计。如微纳米摩擦学设计。7 7）以系统工程法取代分部处理法）以系统工程法取代分部处理法如系统工程。如系统工程。8 8）自动化设计取代人工设计的转化）自动化设计取代人工设计的转化如计算机辅助设计。如计算机辅助设计。第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度 3-
38、1材料的疲劳特性材料的疲劳特性 3-2机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算 3-33-3机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度机械零件的抗断裂强度 3-43-4机械零件的接触强度机械零件的接触强度机械零件的接触强度机械零件的接触强度 3-53-5机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介机械零件的强度分为：静应力强度和变应力强度。机械零件的强度分为：静应力强度和变应力强度。3-13-1材料的疲劳特性材料的疲劳特性载荷分类载荷分类静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随时间变化缓慢静载荷：载荷的大小与方向不随时间变化或随
39、时间变化缓慢变载荷：变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化）循环变载荷（载荷循环变化）2）随机（变）载荷）随机（变）载荷载荷的频率和幅值均随机变化载荷的频率和幅值均随机变化名义载荷：名义载荷：在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）在理想平稳条件下所受的载荷。（不考虑动载荷的影响）计算载荷：计算载荷：载荷系数载荷系数K名义载荷名义载荷。（代表机器或零件实际所受载荷）（代表机器或零件实际所受载荷）循环变应力循环变应力对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力静载荷静载荷静应力静应力变载荷变载荷变应力变应力应力分类应力分类静应力：静应力：不随时
40、间变化或变化缓慢的应力。不随时间变化或变化缓慢的应力。变应力变应力：不稳定变应力：不稳定变应力：应力变化的周期应力变化的周期T、平均应力和应力幅三者之一不为常数、平均应力和应力幅三者之一不为常数稳定循环变应力：稳定循环变应力：T、平均应力、应力幅均不变、平均应力、应力幅均不变名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷产生的应力计算应力计算应力由计算载荷产生的应力，计算应力中计入了应力集由计算载荷产生的应力，计算应力中计入了应力集中等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力。中等影响。机械零件的尺寸常取决于危险截面处的最大计算应力。t应力分类应力分类1静应力静应力2变应力变应力a
41、稳定变应力稳定变应力b不稳定变应力不稳定变应力特点：特点：max=min=ma=0；r=1循环变应力分类：循环变应力分类：1）对称循环变应力）对称循环变应力2）脉动循环变应力）脉动循环变应力3）非对称循环变应力）非对称循环变应力特点：特点：-1r1且且r0中的任意值中的任意值例：图示轴受载荷例：图示轴受载荷F作用作用a.轴不转轴不转b.轴转动轴转动试分析其应力情况（试分析其应力情况（A点）点）FAAAB:N104高周疲劳区高周疲劳区高周疲劳区高周疲劳区：按疲劳强度理论设计：按疲劳强度理论设计1CD1CD段：段：段：段：有限寿命疲劳区有限寿命疲劳区有限寿命疲劳区有限寿命疲劳区ND N 1042C
42、D段以后：无限寿命疲劳区段以后：无限寿命疲劳区N ND 疲劳曲线：疲劳曲线：标准试件（材料）标准试件（材料）标准试件（材料）标准试件（材料）在一定的应力比在一定的应力比在一定的应力比在一定的应力比r r下，疲劳极限与下，疲劳极限与下，疲劳极限与下，疲劳极限与应力循环次数应力循环次数应力循环次数应力循环次数N N的关系的关系的关系的关系曲线。曲线。疲劳极限疲劳极限rNrN:r:r一定时，一定时，应应力循环力循环N次后材料不发生疲劳破次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳坏时的最大应力称为材料的疲劳极限。极限。rN-N 次循环应力作用下不发生疲劳破坏的最大应力。次循环应力作用下不发生疲劳
43、破坏的最大应力。即即疲劳极限：疲劳极限：r=-1记为记为-1N；r=0 记为记为 0N0Nr-无限寿命疲劳极限：当无限寿命疲劳极限：当NND=10625 107时时r-N0时的疲劳极限：时的疲劳极限：r r 即即即即 rNrN0 0 N0-循环基数（当循环基数（当ND不大时不大时,N0=ND,当当ND很大时很大时,N0ND，设定设定N0的原因是有时的原因是有时ND非常大非常大,做实验时工作量太大）做实验时工作量太大）说明说明ND（N0）NNCCDNmaxrNrr1/4（一）（一）N疲劳曲线疲劳曲线任意循环特性下：kN为寿命系数若已知循环基数若已知循环基数N0和疲劳极限和疲劳极限r、r，则，则N
44、次循环时的疲劳极次循环时的疲劳极限为：限为：有关疲劳曲线方程的说明：有关疲劳曲线方程的说明：.循环基数循环基数N0 材料不同，材料不同，N0不同。不同。.指数指数m与应力和材料的种类有关。与应力和材料的种类有关。钢钢m=9拉、弯应力、剪应力拉、弯应力、剪应力m=6接触应力接触应力青铜青铜m=9弯曲应力弯曲应力m=8接触应力接触应力3.不同循环特性不同循环特性r时的疲劳曲线时的疲劳曲线ND（N0）NNCCDNmaxrNrr1/4r=-1r=0r=04（二）等寿命疲劳曲线（疲劳极限应力图）（二）等寿命疲劳曲线（疲劳极限应力图）材料在相同循环次数和不同循环特性下有不同的疲劳极限，材料在相同循环次数和
45、不同循环特性下有不同的疲劳极限，用用表示。表示。塑性材料疲劳极限应力图塑性材料疲劳极限应力图无限寿命极限应力线-三个三个特殊点特殊点A A、D D、C C 分分别为别为对称循环、脉动循对称循环、脉动循环、以及静应力下的极环、以及静应力下的极限应力点。限应力点。极限应力线上的点称为极限应力点。极限应力线上的点称为极限应力点。极限应力线上的每个点，都极限应力线上的每个点，都表示了某个应力比下的极限应力表示了某个应力比下的极限应力 。塑性材料的疲劳极限应力图简化方法：塑性材料的疲劳极限应力图简化方法：考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，故由屈服极限点考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，故由屈服极
46、限点C作作135（与轴）斜线与（与轴）斜线与AD连线的延长线交于连线的延长线交于G，得折线，得折线ADGC，线上各点的横坐标为极限平均应力，线上各点的纵坐标为极限，线上各点的横坐标为极限平均应力，线上各点的纵坐标为极限平均应力幅。平均应力幅。疲劳强度线屈服强度线ADG段段的方程为：的方程为：式中：式中：等效系数等效系数GC段段的方程为：的方程为：疲劳强度线屈服强度线本章附录本章附录（一）零件结构的理论应力集中系数（一）零件结构的理论应力集中系数零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料
47、有关，一般材料强力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感，如合金钢材料比普通碳度越高，硬度越高，对应力集中越敏感，如合金钢材料比普通碳素钢对应力集中更敏感（玻璃材料对应力集中更敏感）。素钢对应力集中更敏感（玻璃材料对应力集中更敏感）。理论应力集中系数理论应力集中系数（二）疲劳强度降低系数或有效应力集中系数（二）疲劳强度降低系数或有效应力集中系数应力集中系数应力集中系数（三）绝对尺寸及截面形状影响系数（尺寸及截面形状系数）（三）绝对尺寸及截面形状影响系数（尺寸及截面形状系数）由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而由于零件尺寸愈大
48、时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著。良影响愈显著。尺寸系数尺寸系数（四）表面质量系数（四）表面质量系数 零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响。零件加工的表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响。钢的强度极限越高，表面愈粗糙，表面状态系数愈低，所以用高强度合金钢制钢的强度极限越高，表面愈粗糙，表面状态系数愈低，所以用高强度合金钢制零件为使疲劳强度有所提高，其表面应有较高的表面质量。零件为使疲劳强度有所提高，其表面应有较高的表面质量。表面状态系数表
49、面状态系数（五）强化系数（五）强化系数 可采取改善表面状态的措施来提高零件的疲劳强度，如淬火、可采取改善表面状态的措施来提高零件的疲劳强度，如淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。强化系数强化系数综合影响系数综合影响系数由于零件尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素等的影响，由于零件尺寸及几何形状变化、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。用疲劳极限使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。用疲劳极限的综合影响系数的综合影响系数K表示。表示。3-2 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算K
50、只对应力幅有影响，而对平均应力无影响只对应力幅有影响，而对平均应力无影响试验证明。试验证明。零件的零件的极限应力线图极限应力线图ADGC线线三个特征坐标三个特征坐标值的变化值的变化说明说明1K为综合影响系数，为综合影响系数，只影响只影响只影响只影响 a a2K只影响只影响AG线的位置。线的位置。作图作图已知已知-1、0、s、K、根据公式计算出根据公式计算出A、D坐标值坐标值作图如下：作图如下：1找找A、D两点。两点。A（0，-1e），），D（0/2，0e/2）2连接连接AD并延长与并延长与CG交于交于G点。点。D（0/2，0/2）A（0，-1）mC（B，0）aGC（S，0）45450/20/2