第2章 机械设计概.

1、第2章 机械设计概论本章知识导读本章知识导读1.本章学习的主要内容 本章为机械设计的基础知识，主要介绍机械设计应满足的基本要求及设计的一般程序；机械零件的强度及表面强度；机械零件的常用材料；机械零件的工艺性及标准化；机械设计中的常用设计方法等内容。2.重点、难点提示重点：机械零件的强度及表面强度。难点：变应力下的许用应力。2.1 概述 2.1.1 机械设计应满足的基本要求机械设计应满足的基本要求 设计是为了满足某一特定要求而进行的创造性的劳动。掌握设计的基本理论和方法是所有受工程教育的学生都应具备的能力。 机械设计是应用新的原理、新的概念去开发创造新的机器（或新的机构），也可以是在已有机器的基

2、础上，重新设计或作局部的改革。因此，提高机器的工作能力，合并或简化机器结构，增多或减少机器功能，提高机器效率，降低机器能耗，变更机器零件，改用新材料等，都属于机械设计的范畴。 机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观等。机械设计中常用的名词 失效：失效：在预定寿命期限内，机械零件由于某种原因丧失了预定功能的现象。 工作能力：工作能力：在不发生失效的条件下，机械零件所能安全工作的限度。 承载能力：承载能力：对载荷而言的工作能力。 机械零件常见的失效形式有：零件的断裂；工作表面的点蚀和过大的磨损；过大的弹性变形；

3、连接的松弛；带传动的打滑等。 工作能力计算准则：工作能力计算准则：为防止零件失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则。判定条件为：计算量计算量许用量许用量。 2.1.2 机械设计的一般程序 新产品从提出任务到投放市场的全部程序要经过四个阶段：调查决策阶段；研究设计阶段；试制阶段；投产销售阶段。机械零件设计的一般步骤： 1.根据机器工作情况，拟定零件计算简图，确定作用在零件上的载荷； 2.根据零件的工作条件和经济性，选择适当的材料； 3.根据零件可能的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的主要尺寸，并加以圆整或标准化； 4.根据设计的尺寸，结合结构和工艺上的要求，绘制零件工作图。2.2

4、机械零件的强度cFK FcFK FcFK F2.2.1载荷和应力的分类载荷和应力的分类1. 载荷的分类载荷可分为静载荷和变载荷。静载荷：静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷，如锅炉压力等。变载荷：变载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷，前者如内燃机阀门弹簧所受的载荷，后者如汽车的齿轮和轴等所受的载荷（因负荷和道路不同，载荷是随机性的）。对非周期性变化的载荷可用统计规律来表征。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。名义载荷名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。计算载荷计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积为计算载荷。即 式中 FC计算载荷F名义载荷K载荷系数，机器工作时

5、由于受到制造安装精度、振动等影响，往往产生附加载荷，引入载荷系数以弥补这类因素的影响。2.应力的分类 按应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应力。 静应力：静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。如锅炉的内 压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。 变应力变应力：随时间变化的应力。其中具有周期性的变应力称为循环变应力。循环变应力具有三种基本类型：非对称循环变应力、对称循环变应力和脉动循环变应力，其应力特征有： 平均应力：平均应力： 应力幅：应力幅： 循环特性：循环特性： 式中： 为最大应力，单位MPa； 最小应力，单位MPa。 maxmin2mmaxmin2aminmaxrmaxmin2

6、.2.2 机械零件强度计算的条件 强度是机械零件工作能力的最基本的计算准则，设计零件 时，首先必须满足强度要求。判定零件强度的方法有两种。 1. 判定危险截面处的最大应力是否小于等于许用应力，强度计算条件为 ， ， 式中 lim、lim分别为极限正应力和切应力；S安全系数。2. 判断危险截面处的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数。强度计算条件为 S S采用何种方法计算，可由能利用的数据和计算惯例来决定。为了简便，在以下的论述中只提正应力，若研究切应力时，将更换为即可。 limS limSlimSlimS2.2.3 静应力下的许用应力1. 塑性材料 在静应力条件下零件的主要失效形式为塑性变形

7、。应取材料的屈服极限S为零件的极限应力lim，故许用应力为：2.脆性材料 在静应力条件下零件的主要失效形式为断裂，应取材料的强度极限B为零件的极限应力lim，故许用应力为： sS BS2.2.4 变应力下的许用应力 在变应力条件下，零件的主要失效形式为疲劳断裂。疲劳断裂具有以下几个特征：1.疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低；2.不论是塑性材料还是脆性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3.疲劳断裂是损伤的累积。他的初期现象是在零件表面或表层形成为微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增多而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在断口

8、上明显的出现两个区域：一个是在变应力反复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑区；另一个是最终发生脆性断裂的粗糙区。 疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤逐渐累积，裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。因而疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。1.疲劳极限 循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限。用字母rN来表示。如对称循环变应力时用-1N表示。2. 疲劳曲线 表示疲劳极限rN与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。如图所示为多数黑色金属材料的疲劳曲线。 2.2.4 变应力下的许用应力 N0循环基数r对应于N0的材料的疲劳极限。 NN0区，

9、为无限寿命区。NN0区为有限寿命区，该区疲劳曲线方程为： 所以 式中：C为试验常数； rN为对应于循环次数N的疲极； m为随料和应力状态而定的指数（钢制零件弯曲时取m=9；接触应力时取m=6）； kN为寿命指数，当NN0时，取kN =1。 2.2.4 变应力下的许用应力 0mmrNrNNC0mrNrrNNkN3. 许用应力 1）影响机械零件疲劳强度的主要因素 （1）应力集中系数k 由于结构要求，零件一般都有截面形状的突然变化处（如孔、键槽、缺口等），当零件受载时，即会引起应力集中。常用应力集中影响系数k来表示疲劳强度的降低程度。如果同一截面上同时有几个应力集中源，应选用其中最大的有效应力集中系

10、数进行计算。 （2）绝对尺寸系数 当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。截面绝对尺寸对疲劳强度的影响用绝对尺寸系数表示。（3）表面状态系数 当其他条件相同时，零件表面越粗糙，则其疲劳强度越低。表面状态对疲劳强度的影响用表面状态系数表示。 上述三个系数，可从有关的机械零件设计手册中查找。许用应力的计算参见教材公式（2-8）和公式（2-9）。2.2.4 变应力下的许用应力 2.3 机械零件的表面强度表面强度分为三种:A.表面接触强度B.表面挤压强度C.表面磨损强度2.3.1表面接触强度1.静载荷作用时的失效形式-脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形计算条件maxmaxHH变载荷作用下