第1章机械零件设计概论

1、1.1 机械机械、机器、机构及其组成、机器、机构及其组成1.2 本课程的内容、性质的任务本课程的内容、性质的任务1.3 机械机械设计的基本要求和设计设计的基本要求和设计 过程过程1.4 机械零件的机械零件的工作能力及其计算准则工作能力及其计算准则1.5 机械机械零件的载荷、应力和许用应力零件的载荷、应力和许用应力1.6 机械零件的材料的选用原则机械零件的材料的选用原则1.7 机械机械设计的新发展设计的新发展第第一一章章 概论概论1.1 机械、机器、机构及组成机械、机器、机构及组成机械：机械：机器与机构的总称机器与机构的总称 机器机器：是能执行机械运动并被用来变换或传递能量、物料与信：是能执行机

2、械运动并被用来变换或传递能量、物料与信 息的装置。由动部分、传动部分、执行部分组成。息的装置。由动部分、传动部分、执行部分组成。零件：零件：是机器最基本的组成要素，是制造的最小单元。是机器最基本的组成要素，是制造的最小单元。构件：构件：机器中最小的运动单元。构件可以是一个零件，可能是机器中最小的运动单元。构件可以是一个零件，可能是 多个零件连接在一起组成。多个零件连接在一起组成。 辅助系统（润滑、显示、照明.)控制系统控制系统动力部分动力部分传动部分传动部分执行部分执行部分 机构只能机构只能变换或传递运变换或传递运动和力，而机动和力，而机器除能变换或器除能变换或传递运动和力传递运动和力之个，还

3、具有之个，还具有变换或传递能变换或传递能量、物料和信量、物料和信息的功能息的功能。1.1 机械、机器、机构及组成机械、机器、机构及组成运动角度运动角度:由若干个可以相对运动的构件组装而成的。由若干个可以相对运动的构件组装而成的。结构角度结构角度:由机构组成的，而机构则是由一些能相对由机构组成的，而机构则是由一些能相对 独立运动的构件组成的。独立运动的构件组成的。机机 器器制造角度制造角度:由若干个机械零件装配面成的由若干个机械零件装配面成的 。气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮91.2 本课程的内容、性质和任务本课程的内容、性质

4、和任务研究内容和要求研究内容和要求 研究内容：研究内容： 工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、 参数选取、结构设计。参数选取、结构设计。 基本要求：基本要求：掌握：掌握： 零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法；零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法； 结构设计和使用、维护知识。结构设计和使用、维护知识。学会：学会： 分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、 标准、规范标准、规范( (某产品的要求、规定某产品的要求、规定) )等有关资料。等有关资料。具有：具有： 设计设计( (或改进或改进)

5、 )通用零件或简单传动装置的能力。通用零件或简单传动装置的能力。 1.3 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 和设计过程和设计过程一、机械设计的基本要求一、机械设计的基本要求 在完成规定功能的前提下，力求性能好、效率高、在完成规定功能的前提下，力求性能好、效率高、成本低，在规定使用期内，做到安全可靠、操作方成本低，在规定使用期内，做到安全可靠、操作方便、维护简单和造型美观。便、维护简单和造型美观。1、运动学和动力学方面的要求、运动学和动力学方面的要求2、工作可靠性方面的要求、工作可靠性方面的要求3、经济性方面的要求、经济性方面的要求4、操作方便、安全性和环境保护方面的要求、操作方便、安全性和

6、环境保护方面的要求1.3 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 和设计过程和设计过程二、机械的一般设计过程二、机械的一般设计过程 1、计划阶段、计划阶段2、方案设计阶段、方案设计阶段3、总体技术设计阶段、总体技术设计阶段4、零件技术设计阶段、零件技术设计阶段5、改进设计阶段、改进设计阶段调查研究方案构思获取设计任务书研究方案评价获 原理性设计方案获总体结构草图总体设计零件设计获总装配图和零件图样机试制综合评价获各种上设计技术文件总体设计零件设计计划阶段计划阶段方案设计阶段方案设计阶段技术设计阶段技术设计阶段改进设计阶段改进设计阶段一一、机械零件的工作能力、机械零件的工作能力 失失 效：效：工工

7、 作作 能能 力：力：承承 载载 能能 力：力：1.4 机械零件机械零件的工作能力及其计算准则的工作能力及其计算准则机械零件由于某种原因不能正常工作。机械零件由于某种原因不能正常工作。不失效前提下，零件能安全工作的限度。不失效前提下，零件能安全工作的限度。以载荷衡量零件工作能力时以载荷衡量零件工作能力时，零件所，零件所能承受的最大载荷能承受的最大载荷二、零件的失效二、零件的失效1 1）零件失效的形式：）零件失效的形式： 2) 衡量零件工作能力的指标：衡量零件工作能力的指标：强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性零件断裂或发生塑性变形零件断裂或发生塑性变形零

8、件工作表面出现疲劳破坏或过度磨损零件工作表面出现疲劳破坏或过度磨损零件的弹性变形过大零件的弹性变形过大零件发生强烈振动零件发生强烈振动1.4 机械零件的工作能力及其计算准则机械零件的工作能力及其计算准则三三、机械零件的计算准则、机械零件的计算准则强度强度计算计算准则准则( (整体强度和表面强度整体强度和表面强度) )：刚度刚度计算计算准则；准则；抗抗磨性磨性计算计算准则准则：耐耐热性热性计算计算准则准则：振动稳定性振动稳定性准则准则 防止失效的判定条件防止失效的判定条件（计算准则（计算准则): ): 计算量计算量 N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力应力与应力循环次

9、数与应力循环次数N 之间的关之间的关系曲线称为：系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线u 当当NN0 时，时，试件将不会断裂。试件将不会断裂。N0 - - 循环基数循环基数N0 对应的应力称为：对应的应力称为：CNNmmN011对应于对应于N 的弯曲疲劳极限：的弯曲疲劳极限：疲劳极限疲劳极限用用-1表示材料在表示材料在对称对称循环应力下的循环应力下的弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限。mNNN011u 当当N2%- - 含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性、可铸造成形状复杂的零件、良好的液态流动性、可铸造成形状复杂的零件、 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、较好的减震性、耐磨性、

10、切削性（指灰铸铁）、 成本低廉。成本低廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。1.6 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢特特 点：点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应应 用：用：应用范围极其广泛。应用范围极

11、其广泛。 常用材料的相对价格常用材料的相对价格 材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235 （ 3342） 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 1.6 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及

12、其选择3、铜合金铜合金 铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：特点：良好的塑性和液态流动性；良好的塑性和液态流动性； 良好的减摩性和抗腐蚀性。良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：辗压、铸造。辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类：种类：青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金） 含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1、橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。 常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传

13、动的 胶带。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。胶带。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 1.6 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择2、塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件；塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件； 不同塑料具有不同不同塑料具有不同特点特点，如耐蚀性、绝热性、，如耐蚀性、绝热性、 绝缘性、减摩性、摩擦系数大等；绝缘性、减摩性、摩擦系数大等； 近年来在机械制造中其应用日益广泛。近年来在机械制造中其应用日益广泛。 3、其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复

14、杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性零件材料零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和械设计手册中查得。械设计手册中查得。 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。品种。1.6 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材 料料 力力

15、学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极限B 屈服极限屈服极限S 延伸率延伸率% % mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳优质碳素钢素钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-

16、500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚壁厚 1020QT400-15 400 250 15 球墨球墨铸铁铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚 302001.7 机械设计的新发展机械设计的新发展优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计智能设计智能设计稳健设计稳健设计并行设计并行设计虚拟设计虚拟设计绿色设计绿色设计1.1教学基本要求教学基本要求 1.弄清机器与机构

17、、构件与零件的概念，了解它们的区别和联系。弄清机器与机构、构件与零件的概念，了解它们的区别和联系。 2.明确机械的基本设计要求；初步理解机械零件的主要失效形式以及明确机械的基本设计要求；初步理解机械零件的主要失效形式以及 强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性等工作能力计算准则。强度、刚度、抗磨性、耐热性、振动稳定性等工作能力计算准则。 3.能正确判断零件中应力的循环特性，了解疲劳断裂和疲劳点蚀的产能正确判断零件中应力的循环特性，了解疲劳断裂和疲劳点蚀的产 生机理和影响因素。生机理和影响因素。 4.了解机械设计常用材料的选用原则。了解机械设计常用材料的选用原则。 1.2重点与难点分析重点与难点

18、分析 本章的重点是机器与机构、构件与零件的概念以及机械零件的工本章的重点是机器与机构、构件与零件的概念以及机械零件的工作能力计算准则，难点是变应力下许用应力的确定。作能力计算准则，难点是变应力下许用应力的确定。 1.零件零件 零件是机器最基本的组成要素，它是加工制造时的最小单元。零件是机器最基本的组成要素，它是加工制造时的最小单元。 2.构件构件 构件是机器中最小的运动单元。构件可以是单个零件，但是构件是机器中最小的运动单元。构件可以是单个零件，但是 由于结构和工艺上的需要，常常将几个零件固定联接在一由于结构和工艺上的需要，常常将几个零件固定联接在一 起，组成一个构件。机器中各构件之间会产生相

19、对运动，但起，组成一个构件。机器中各构件之间会产生相对运动，但 同一构件上的零件之间无相对运动。同一构件上的零件之间无相对运动。 3.机构机构 机构是能变换或传递运动与动力的、用可动联接组合而成、机构是能变换或传递运动与动力的、用可动联接组合而成、 而且有一个构件被固定的构件系统。机构作为一个构件系而且有一个构件被固定的构件系统。机构作为一个构件系 统，用来传递运动和力。统，用来传递运动和力。 4.机器机器 机器是能执行机械运动、并用来变换或传递能量、物料与信机器是能执行机械运动、并用来变换或传递能量、物料与信 息的装置。一部机器可以是单个机构，但是大多数机器由多息的装置。一部机器可以是单个机

20、构，但是大多数机器由多 个机构组成。例如鼓风机和动机只包含一个机构，而内燃机则个机构组成。例如鼓风机和动机只包含一个机构，而内燃机则 包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等多个机构。除构件包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等多个机构。除构件 系统之外，机器还可能含有电气、液压、气压、光学等其他系系统之外，机器还可能含有电气、液压、气压、光学等其他系 统，因此机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、统，因此机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、 物料与信息的功能。物料与信息的功能。 5.机械机械 由于机器的主体是由机构组成的，在研究构件的运动和受力由于机器的主体是由机构组成的，在

21、研究构件的运动和受力 情况时，机器与机构之间并无区别，因此人们把机器与机构统情况时，机器与机构之间并无区别，因此人们把机器与机构统 称为机械。称为机械。 6.机械零件的工作能力机械零件的工作能力 机械零件抵抗失效的能力，称为机械零件的机械零件抵抗失效的能力，称为机械零件的 工作能力。其中强度是零件抵抗断裂、塑性变形以及表面损坏工作能力。其中强度是零件抵抗断裂、塑性变形以及表面损坏 的能力；刚度是零件抵抗弹性变形的能力；抗磨性是零件表面的能力；刚度是零件抵抗弹性变形的能力；抗磨性是零件表面 的抗磨损能力；耐热性是零件在较高温度下抗蠕变、抗氧化和的抗磨损能力；耐热性是零件在较高温度下抗蠕变、抗氧化

22、和 抗热变形的能力；振动稳定性是零件在周期性外力作用下不发抗热变形的能力；振动稳定性是零件在周期性外力作用下不发 生剧烈振动的能力。零件设计中通常使用一些计算公式来判断生剧烈振动的能力。零件设计中通常使用一些计算公式来判断 零件是否具有足够的工作能力，这些计算公式称为机械零件的零件是否具有足够的工作能力，这些计算公式称为机械零件的 工作能力计算准则。工作能力计算准则。 7.机械零件的强度计算准则机械零件的强度计算准则 强度计算准则通常用零件的最大工作应力强度计算准则通常用零件的最大工作应力 （正应力（正应力或切应力或切应力）不大于零件的许用应力（）不大于零件的许用应力（或或 ）来）来 表示。需

23、要注意，大多数机械零件的工作应力属于变应力。在变表示。需要注意，大多数机械零件的工作应力属于变应力。在变 应力下工作的零件，其许用应力既与应力循环特性应力下工作的零件，其许用应力既与应力循环特性r有关，也与有关，也与 应力循环次数应力循环次数N有关，还与零件产生初始裂纹的难易程度有关。有关，还与零件产生初始裂纹的难易程度有关。 在许用应力的计算公式中，寿命系数用来考虑应力循环次数的影在许用应力的计算公式中，寿命系数用来考虑应力循环次数的影 响；表面状况系数、应力集中系数和尺寸系数用来考虑零件产生响；表面状况系数、应力集中系数和尺寸系数用来考虑零件产生 初始裂纹难易程度的影响。初始裂纹难易程度的

24、影响。 1.3自测试题自测试题 1.3.1判断题判断题 1.电子计算机也是一种机械。电子计算机也是一种机械。(V) 2.机械设计必须优先考虑经济性方面的要求。机械设计必须优先考虑经济性方面的要求。( X ) 3.为了保证所设计的零件在预定的工作期间内正常工作，必须同时使用强度为了保证所设计的零件在预定的工作期间内正常工作，必须同时使用强度计算准则、刚度计算准则以及抗磨性计算准则进行设计计算。计算准则、刚度计算准则以及抗磨性计算准则进行设计计算。(V) 4.使用抗磨性计算准则进行设计计算，其目的是避免零件表面的磨损。（使用抗磨性计算准则进行设计计算，其目的是避免零件表面的磨损。（V ） 5.振动

25、稳定性计算准则要求零件的共振频率必须小于其工作频率。（振动稳定性计算准则要求零件的共振频率必须小于其工作频率。（X） 6.静载荷产生静应力，变载荷产生变应力。（静载荷产生静应力，变载荷产生变应力。（X） 7.应力随时间的变化规律为正弦曲线时，该应力属于对称循环变应力。（应力随时间的变化规律为正弦曲线时，该应力属于对称循环变应力。（V） 8.静应力的循环特性等于零。（静应力的循环特性等于零。（X） 9.零件的工作时间过长就会发生疲劳破坏。零件的工作时间过长就会发生疲劳破坏。X 10.零件中的实际应力超过材料的持久疲劳极限时就会发生疲劳破坏。（零件中的实际应力超过材料的持久疲劳极限时就会发生疲劳破坏。（X） 11.零件中的实际应力大于许用应