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1、第11章 机械零件设计概论,11-1 机械零件设计概述11-2 常用材料及其选择11-3 许用应力和安全系数11-4 机械零件的工艺性和标准化,基本要求:掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能,机械设计基础机械零件设计概论,11-1 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件设计概论,一、机械零件分类,机器：机械、机构的总称构件运动的单元零件制造的单元,机械设计基础机械零件设计概论,通用零件,传动件：齿轮、蜗杆、带、链,联接件：螺栓、键、花键,支承件：轴、轴
2、承,机械零件,专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨,其它：联轴器、弹簧、机架,二、机械零件设计基本要求,1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求,机械设计基础机械零件设计概论,三、机械零件设计过程,零件设计时的共性：,机械设计基础机械零件设计概论,过程：1、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置3、选择材料4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数5、绘制零件工作图,工作原理、结构、类型、应用场合,受力分析、失效形式,设计准则、设计计算,四、机械零件传统设计方法,理论设计(半经验设计)：,机械设计基础机械零件设计概论,类
3、比设计：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，特点是节省时间，较可靠经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计,强度条件(或刚度),尺寸,强度条件(或刚度),五 机械零件的工作能力准则,1、机械零件常见失效形式2、工作能力准则3、强度准则4、刚度准则5、耐磨性准则6、振动稳定性准则7、耐热性准则,机械设计基础机械零件设计概论,1、机械零件常见失效形式,失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形
4、过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等,机械设计基础机械零件设计概论,例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振,2、工作能力准则,工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度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“承载能力”如：吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力50 kN,机械设计基础机械零件设计概论,工作能力准则：衡量零件工作能力的指标对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计具体有：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,3、强度准则,机械零件工作能力的最基本准则强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应
5、力许用应力 或,机械设计基础机械零件设计概论,针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零部件：轴、齿轮、带轮等,正应力：,剪应力：,4、刚度准则,刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y y 倾角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j,机械设计基础机械零件设计概论,针对失效形式：过大的弹性变形典型零部件：轴、蜗杆等,5、耐磨性准则,耐磨性：零件抗磨损的能力磨损是相当复杂的物理化学过程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具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则：P,机械设计基础机械零件设
6、计概论,针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等,6、振动稳定性准则,共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，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振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp,机械设计基础机械零件设计概论,针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等,7、耐热性准则,高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值,机械设计基础机械零件设计概论,针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕
7、变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等,11-2 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概论,一、常用材料,常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：含量1.4常用碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢合金钢：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铸钢：含（0.150.6）易成型3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 非金属材料：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概
8、论,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概论,热处理比较,1 退火降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力2 正火用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，易于切削，减少应力,机械设计基础机械零件设计概论,3 淬火（蘸火）提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火 消除淬火后的内应力，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中温回火：高弹性、硬度中等高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回火),正火(空冷),退火(炉冷),回火,加热,保温,淬火,表面热处理,表面热处理：表面增
9、硬，芯部韧表面淬火法（火焰加热、感应加热）化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）,机械设计基础机械零件设计概论,三、材料力学性能指标,弹性极限：sP抗拉强度：sB 屈服强度：sS(s0.2),机械设计基础机械零件设计概论,硬度：HBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件HV:维氏硬度136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf显微硬度三种硬度单位之比较：HV(维氏)HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBS,四、材料选择原则,使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度.工艺要求
10、：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.,机械设计基础机械零件设计概论,11-3 许用应力和安全系数,一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数,机械设计基础机械零件设计概论,一、载荷,载荷：作用于零件上的力或力矩工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 名义载荷：理想工作条件下的载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷,计算载荷=K 名义载荷,机械设计基础机械零件设计概论,二、应力,静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力变应力：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）,
11、机械设计基础机械零件设计概论,稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力,应力参数,以正应力s为例最大应力:smax=sm+sa最小应力:smin应力幅:sa,机械设计基础机械零件设计概论,平均应力:sm循环特征:r,静应力,应力表达：s+1（t+1）最大应力:smax最小应力:smin应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,机械设计基础机械零件设计概论,sm,脉动循环变应力,应力表达：s0（t0）最大应力:smax最小应力:smin应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,机械设计基础机械零件设计概论,对称循环变应力,应力表达：s-1（t-1）最大应力:smax最小应力:sm
12、in应力幅:sa平均应力:sm循环特征:r,机械设计基础机械零件设计概论,三、极限应力,1 静应力下的极限应力与材料性能有关脆性材料取强度极限sB(tB),机械设计基础机械零件设计概论,塑性材料取屈服极限sS(tS),2 变应力下的极限应力,疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定材料经过N0次应力循环不发生破坏的应力最大值sr(tr),机械设计基础机械零件设计概论,各种材料的sr可从有关手册中查取,四、许用应力和安全系数,许用应力：设计零件时所依据的条件应力,机械设计基础机械零件设计概论,安全系数许用应力结构笨重安全系数许用应力不够安全,许用应力确定,1 查许用应力表根据实践经验制成表格选取,机械
13、设计基础机械零件设计概论,2 部分系数法S=S1S2S3S1：计算载荷和应力准确性系数（11.5)S2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5）S3：零件重要性系数（11.5),11-4 机械零件的工艺性和标准化,一、工艺性主要体现在下面三个方面：1.毛坯选择合理铸件、锻件、型材？单件生产、批量生产？2.结构设计合理几何形状力求简单，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 国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企业标准标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种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概论,
