第2章机械设计基础知识

1、机械设计基础知识机械设计基础知识第第2 2章章 机械设计基础知识机械设计基础知识 2.1 机械零件应力及设计准则机械零件应力及设计准则 2.2 机械设计中常用材料及其选择机械设计中常用材料及其选择 2.4 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化 2.3 极限与配合、表面粗糙度和优先数系极限与配合、表面粗糙度和优先数系 学习目的学习目的: : 掌握应力的种类；掌握机械零件的设计计算准则；掌握常用材料掌握应力的种类；掌握机械零件的设计计算准则；掌握常用材料及其选择；熟悉极限与配合、表面粗糙度和优先数系；了解机械零件及其选择；熟悉极限与配合、表面粗糙度和优先数系；了解机械零件的工艺性和标准

2、化。的工艺性和标准化。机械设计基础知识机械设计基础知识2.1.1 载荷和应力载荷和应力 应力应力静应力静应力变应力变应力2minmaxm2minmaxamax最大应力；最大应力； min最小应力最小应力 Sm 平均应力；平均应力； a 应力幅值应力幅值 r 应力比（循环特性应力比（循环特性r r） 有关名词有关名词: : 名义载荷和名义应力名义载荷和名义应力 载荷系数载荷系数 计算载荷和计算应力计算载荷和计算应力非对称循环变应力非对称循环变应力 2.1 2.1 机械零件应力及设计准则机械零件应力及设计准则minmax 随机变应力随机变应力循环变应力循环变应力机械设计基础知识机械设计基础知识载荷

3、和应力31r 0r 对称循环对称循环脉动循环脉动循环常见的循环应力常见的循环应力 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静应力静应力静应力（可看作是循环应力的一个特例）静应力（可看作是循环应力的一个特例） 静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。也可由静载荷产生。1r 机械设计基础知识机械设计基础知识2.1.2 许用应力和极限应力许用应力和极限应力 静应力下的许用应力和极限应力静应力下的许用应力和极限应力静应力作用下，零件常表现的破坏形式为塑性变形或断裂静应力作用下，零件常表现的破坏形式为塑性

4、变形或断裂u塑性材料塑性材料 sS bS Be e 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e e p S BA AB BCDE脆性材料脆性材料取屈服极限取屈服极限取强度极限取强度极限机械设计基础知识机械设计基础知识u疲劳极限：疲劳极限：材料经过材料经过N0次应力循次应力循环不发生破坏的应力最大值。环不发生破坏的应力最大值。0NNNrNr 变应力下的许用应力和极限应力变应力下的许用应力和极限应力 在变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与应力循环在变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与应力循环次数密切相关。次数密切相关。 寿命系数寿命系数 m m 指数与应力与材料的种类有关指数与应力与材料的种类有关

5、1：对称循环变应力下的疲劳极限：对称循环变应力下的疲劳极限 0：脉动循环变应力下的疲劳极限：脉动循环变应力下的疲劳极限机械设计基础知识机械设计基础知识11k Se 00k Se 式中：式中： k、 、有效应力集中系数、有效应力集中系数、绝对尺寸系数及绝对尺寸系数及 表面状况系数表面状况系数 以上系数请查材力书籍或相关手册对应表格。以上系数请查材力书籍或相关手册对应表格。许用应力许用应力 应力是对称循环变化：应力是对称循环变化： 应力是脉动循环变化：应力是脉动循环变化： 安全系数安全系数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机械设计基

6、础知识机械设计基础知识 接触应力的产生接触应力的产生点或线接触所产生的应力点或线接触所产生的应力接触应力接触应力局部应力局部应力 不同与挤压应力不同与挤压应力 接触应力的性质接触应力的性质接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大两物体上应力大小相等两物体上应力大小相等2.1.3 2.1.3 接触应力接触应力机械设计基础知识机械设计基础知识122212121111nHFLEE 赫兹公式：赫兹公式： 接触应力的计算公式接触应力的计算公式 影响接触应力的因素：影响接触应力的因素：曲率半径曲率半径材料材料接触线长度接触线长度SHLimHH接触许用应力：接触许用应

7、力： 外接触外接触内接触内接触机械设计基础知识机械设计基础知识 机械零件常见失效形式机械零件常见失效形式u断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂u表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落u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u过大弹性变形过大弹性变形u表面破坏表面破坏u过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等u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、共振刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题Fn强度问题强度问题 2.1.4 机械零件的主要失效形式和设计准则机械零件的主要失效形

8、式和设计准则机械设计基础知识机械设计基础知识 或或 1 1、强度准则：、强度准则： 2 2、刚度准则：、刚度准则： yy y y 3. 3. 耐磨性准则：耐磨性准则： pp p p 或或 pvpv pvpv 4. 4. 振动稳定性准则：振动稳定性准则： f f0.850.85f fp p 和和 f f1.151.15f fp p 5. 5. 可靠性准则：可靠性准则： 机器或零件在规定的使用时间内和预定环境条件机器或零件在规定的使用时间内和预定环境条件下，正常完成其工作能力的概率下，正常完成其工作能力的概率u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对零件设计，针对其主要失效形式选择适

9、合的工作能力准则进行设计进行设计u具体有：具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、可靠性准则等则、可靠性准则等机械设计基础知识机械设计基础知识2.2.1 2.2.1 金属材料力学性能指标金属材料力学性能指标强度极限：强度极限： b 屈服极限：屈服极限： S ( 0.2 )HBW:HBW:布氏硬度布氏硬度HRCHRC、HRBHRB、HRA:HRA:洛氏硬度洛氏硬度 p S be e A AB BCDE 强度强度 疲劳极限：疲劳极限：r 刚度刚度 Ee 硬度硬度2.2 2.2 机械设计中常用材料及其选择机械设计中常用材料及其选择 塑性塑性

10、延伸率：延伸率： 1100%lll收缩率：收缩率： 1100%AAA 冲击韧性冲击韧性冲击韧度冲击韧度 k机械设计基础知识机械设计基础知识（含碳量小于含碳量小于2%,2%,大于大于0.7%0.7%的铁、碳合金的铁、碳合金） 钢钢碳素钢碳素钢碳素工具钢：碳素工具钢：普通碳素结构钢普通碳素结构钢: :优质碳素结构钢优质碳素结构钢 低碳钢低碳钢w wC C0.25% 0.25% ，如，如20 20 中碳钢中碳钢0.6%0.6%w wC C0.25% 0.25% ，如，如4545 高碳钢高碳钢0.6%0.6%w wC C ，如，如60 60 牌号牌号=Q+=Q+屈服极限屈服极限+ + 质量等级符号质量

11、等级符号+ +脱氧方法符号脱氧方法符号 牌号牌号= =两位数字两位数字 牌号牌号= T+= T+数字数字 如如Q235AF 2.2.2 2.2.2 常用金属材料常用金属材料 如如T8 机械设计基础知识机械设计基础知识 合金钢合金钢在碳素钢中有目的地加入一定量的其他合金元素在碳素钢中有目的地加入一定量的其他合金元素 增大了钢的淬透性，提高了合金钢的力学性能，增加了耐磨性，增大了钢的淬透性，提高了合金钢的力学性能，增加了耐磨性，但合金钢冶炼工艺复杂，价格较高但合金钢冶炼工艺复杂，价格较高 如铬、钼、锰、镍、钨、钛等如铬、钼、锰、镍、钨、钛等 机械设计基础知识机械设计基础知识 铸铁铸铁（含碳量大于（

12、含碳量大于2%2%的铁、碳合金）的铁、碳合金） 灰铸铁：灰铸铁： 牌号由牌号由“HT+数字数字”，“数字数字”表示最低抗拉强度表示最低抗拉强度如如HT250 HT250 可锻铸铁：可锻铸铁：KTH300-06KTH300-06，其中：，其中：KTHKTH表示黑心可锻铸铁、前表示黑心可锻铸铁、前 一组数字表示最低抗拉强度一组数字表示最低抗拉强度 =300MPa=300MPa、后一组数字表示最低延伸率后一组数字表示最低延伸率为为6%。 球墨铸铁：球墨铸铁： 牌号与可锻铸铁相似牌号与可锻铸铁相似QT600-03QT600-03，其中：，其中：QTQT表示球墨铸铁、最低抗拉表示球墨铸铁、最低抗拉强度强

13、度 =600MPa,=600MPa,最低延伸率为最低延伸率为3%。 铸铁铸铁 minbminb 有色金属及其合金有色金属及其合金有特殊性能，价昂有特殊性能，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知识机械设计基础知识空冷空冷（1） 退火退火u降低硬度、提高降低硬度、提高韧性、细化晶粒、韧性、细化晶粒、消除内应力消除内应力（2） 正火正火u用于处理低中碳钢用于处理低中碳钢，代替代替低中碳钢低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，的退火。提高硬度，增加韧性， 易易于切削于切削，减少应力，减少应力（3） 淬火淬火u提高硬度和耐磨性、但内应力增大

14、提高硬度和耐磨性、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+高温回火高温回火)正火正火 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 临界温度临界温度 退火退火 空冷空冷 水冷或水冷或油冷油冷 2.2.3 2.2.3 钢的热处理钢的热处理 1

15、. 1. 普通热处理普通热处理 机械设计基础知识机械设计基础知识2.2.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.）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、材料利用率材料价格结合加工费用、材料利用率.2.2.4 2.2.4 机械设计中常用材料的选用原则机械设

16、计中常用材料的选用原则 机械设计基础知识机械设计基础知识2.3 2.3 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数2.3.1 2.3.1 极限与配合极限与配合公称尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。公称尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误差，实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误差， 所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言， 总是有误差。总是有误差。实际尺寸实际尺寸 25.125.1轴轴实际尺寸实际尺寸 实际尺寸实际尺寸 公称尺寸公称尺寸 实际尺寸

17、实际尺寸 24.924.9孔孔25.125.1孔孔2525孔孔 公称尺寸公称尺寸 轴轴2525轴轴24.924.9 尺寸公差的基本概念尺寸公差的基本概念 机械设计基础知识机械设计基础知识上偏差上偏差 ：ES,esES,es下偏差下偏差 ：EI,eiEI,ei孔的公差孔的公差T Th h= =D Dmaxmax-D-Dminmin=ES-EI=ES-EI= =es-eies-ei轴的公差轴的公差T Ts s= =d dmaxmax-d-dminmin最大极限尺寸：最大极限尺寸：Dmax, dmax 最小极限尺寸最小极限尺寸:Dmin, dmin 公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；公

18、差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；基本偏差：基本偏差：靠近基本尺寸的那个偏差。规定：孔的靠近基本尺寸的那个偏差。规定：孔的EI为基本偏为基本偏 差，轴的差，轴的es为基本偏差。为基本偏差。机械设计基础知识机械设计基础知识基本偏差系列基本偏差系列 BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔孔+ +0 0- -公称尺寸公称尺寸 bccddeefaffgg hkmnp rs tuvxyzzazbzcjs轴轴+ +0 0- -公称尺寸公称尺寸 机械设计基础知识机械设计基础知识配合配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合同一基本尺寸的孔与轴的结合称为称为配合。配合。标记方

19、法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7H7。国标规定，孔与轴的公差带位置各有国标规定，孔与轴的公差带位置各有28个，用字母表示，孔用大个，用字母表示，孔用大写，轴用小写；公差等级写，轴用小写；公差等级20个，用数字表示，数字越小，精度越个，用数字表示，数字越小，精度越高。高。 （IT1IT18，IT01，IT0）零件尺寸的表达：零件尺寸的表达：50D9 50D9 0.1420.08500.1420.08509()D 配合的基本概念及其类别配合的基本概念及其类别 根据孔、轴公差带的相对位置，根据孔、轴公差带的相对位置， 配合分为：过盈配合；过渡配合

20、；间隙配合。配合分为：过盈配合；过渡配合；间隙配合。配合制度有配合制度有基孔制基孔制和和基轴制基轴制两种。两种。机械设计基础知识机械设计基础知识H零线零线D 孔公差孔公差 kjshgefrpms间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合基孔制配合：孔是基准孔，下偏差基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0EI=0，代号为，代号为:H:H，通过改变通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。轴的公差带来或得各种不同的配合特性。机械设计基础知识机械设计基础知识零线零线hD轴轴公差公差KJSHGEFRPMS间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合基轴制配合：轴是基准轴，上偏差基轴制配合：

21、轴是基准轴，上偏差eses=0=0，代号为，代号为:h:h，通过改变通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。孔的公差带来或得各种不同的配合特性。机械设计基础知识机械设计基础知识公差带在图纸上的标注公差带在图纸上的标注 机械设计基础知识机械设计基础知识2.3.2 2.3.2 表面粗糙度表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰顶线轮廓峰高轮廓峰高yp轮廓谷深轮廓谷深yv中线中线lyx定义：零件表面的微观几何形状误差。定义：零件表面的微观几何形状误差。评定参数：轮廓算术平均偏差评定参数：轮廓算术平均偏差-取样长度取样长度l l内，被测轮廓上内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值

22、：各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值：niiaynR11近似为：机械设计基础知识机械设计基础知识符号符号含义及说明含义及说明基本图形符号，表示未指定工艺方法的表面。基本图形符号，表示未指定工艺方法的表面。扩展图形符号，表示用去除材料方法获得的表面。扩展图形符号，表示用去除材料方法获得的表面。扩展图形符号，表示用不去除材料的表面。扩展图形符号，表示用不去除材料的表面。表面粗糙度符号及说明表面粗糙度符号及说明 机械设计基础知识机械设计基础知识示例示例意义意义用去除材料的方法获得的表面用去除材料的方法获得的表面 的的上限值为的的上限值为3.2 ，“16%16%规则规则”（默认）。（默认）。用去除材

23、料的方法获得的表面用去除材料的方法获得的表面 的的最大值为的的最大值为1.6 ，“最大规则最大规则”。 加取样长度，表示非标准取样长度为加取样长度，表示非标准取样长度为0.8 给定给定 的下限值。的下限值。给定给定 的上、下限值。的上、下限值。 RaRaRammRaRamm表面结构要求的图形标注说明表面结构要求的图形标注说明机械设计基础知识机械设计基础知识0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 用不同加工方法得到的用不同加工方法得到的Ra 加工方法加工方法Ra m精精 粗粗刨削刨削钻孔钻孔铰孔铰孔精精 粗粗镗孔镗孔精精 粗粗车车精精 粗粗磨磨精精 粗粗研磨研磨滚、铣滚、铣精精 粗粗机械设计基础知识机械设计基础知识2.3.3 优先数系优先数系 优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功 率等量率等量值得到合理的分级值得到合理的分级。这样可便于组织生产和降低成本。这样可便于组织生产和降低成本。 GB3212005规定的优先数系有四种基本系列，即规定的优先数系有四种基本系列，即 R5 、R10、R