机械设计中基础知识课件

§1-2机械零件的工作能力及计算准则§1-3机械制造常用材料及其选择§1-1机械零件常见失效形式§1机械设计的基础知识基本要求

重点及难点理解机械设计的基本要求、机械零件的工作能力、计算准则、材料选择的一般要求。机械零件的设计准则。

机械零件的失效：机械设计应满足的要求:工作可靠、成本低廉。强度—是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效（磨损、腐蚀除外）的能力。刚度—是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。机械零件由于某些原因而丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。§1-1机械零件常见失效形式机械零件的主要失效形式—整体断裂—表面破坏—过大的残余变形—过大弹性变形—破坏正常工作条件。如过大振动和噪声、过热等强度问题刚度问题耐磨性问题点蚀腐蚀磨损（一）断裂

断裂是指零件在载荷（拉、压、弯、剪、扭等）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，危险截面发生的疲劳断裂。轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂断裂皮带轮疲劳断裂整体断裂（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和疲劳点蚀。

腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳。

磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。

接触疲劳点蚀是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象；所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；而在接触变应力条件下工作的零件表面将有可能发生接触疲劳。轴瓦磨损轴承滚道点蚀（五）破坏正常工作条件

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。高速转子共振，带传动打滑，齿轮胶合。

失效原因:

统计结果显示：-主要失效原因

强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。工作能力

在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以习惯上又称为：承载能力。50kN吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN§1-2机械零件的工作能力及计算准则机械零件设计的计算准则

计算量<许用量1)强度准则

零件在载荷作用下抵抗破坏的能力,确保零件不发生断裂破坏、塑性变形、点蚀失效。工作应力≤许用应力σlim即为材料的极限应力，对于脆性材料：取σlim＝σB（强度极限），对于塑性材料：取σlim＝σS（屈服极限）。考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计危险安全系数(简称安全系数)，即：σ≤σlim/S即σ≤[σ]式中：安全系数S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料但趋，故S的选取应适当。[2)刚度准则

在机器工作时，有时机器并没有破坏，但是由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作，这就是刚度失效。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。3)振动性和噪声要求

当机械或零件的固有振动频率fp等于或接近受激振源作用所引起的强迫振动频率f时，将产生共振。这不但影响机器的正常工作，甚至会造成破坏性事故。因此，对于高速机械应该进行振动分析和计算，采取降低振动和噪声的措施。

随着机械向高速发展和人们对环境舒适性要求的提高，对机械振动和噪声的要求也越来越高。4）耐磨性准则

限制运动副的压强p限制运动副单位时间单位接触面积的发热量pvp—工作表面上的压强，MPa；[p]—材料的许用压强，MPa；v—工作表面线速度，m/s；[pv]—pv的许用值，MPa·m/s。5）可靠性准则★可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。★可靠性是衡量产品质量的一个重要指标机械产品常用的可靠性指标主要有:失效概率F失效率λ。可靠度R★浴盆曲线—描述机械产品典型的失效率λ（t）与时间t的关系的曲线。0ⅠⅡⅢ第Ⅰ阶段：早期失效阶段；零、部件存在的初始缺陷第Ⅲ阶段：损坏阶段。长期使用发生磨损、断裂等第Ⅱ阶段：正常使用阶段；随机的、偶然性失效率曲线

具体来说，并不是每一类型的零件都需要进行所有上述的计算，而是从实际载荷的工作条件出发，分析其主要的失效形式，再确定其计算准则，必要时再按其它要求进行校核。

机床主轴的失效可能是由于疲劳断裂，可能是由于过大的弹性变形，也可能是共振，一般先根据刚度确定尺寸，再校核其强度、振动稳定性。例如FFⅠⅠ截面Ⅰ―Ⅰ所受应力为变应力其应力变化图形为：注意:变应力既可由变载荷引起，也可由静载荷引起。FtⅠⅠ变应力―大小、方向随时间变化的应力AAFFFFFFFFFFt对称循环变化的弯曲应力由静载荷F引起变应力稳定变应力——周期性循环变应力非稳定变应力——非周期性循环变应力稳定变应力非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力

表征变应力的五个基本参数：最大应力：最小应力：

平均应力：

应力幅：

循环特性：

可用任意两个参数来表示变应力的大小。σ=常数σttσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin对称循环变应力r=-1σm=0;σa=σmax脉动循环变应力r=0σm=σa=σmax/2非对称循环变应力r≠0且|r|≠1静应力r=+1OσtOσOσtO静应力作用下的强度问题主要失效形式：断裂或塑性变形强度条件：σ≤[σ]或τ≤[τ]塑性材料：许用应力：σlim、τlim—极限应力s—安全系数σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσB、τB—材料强度极限σs、τs—材料屈服极限主要失效形式：疲劳断裂疲劳断裂不同于静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂，与零件的变应力循环次数有关。疲劳断裂的最大应力远低于静应力下材料的强度极限，甚至比屈服极限低。疲劳极限：在循环特性为r的变应力作用下，经过N次应力循环后，材料不发生破坏的应力最大值。变应力作用下的强度问题

机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构选择合适的材料由计算准则确定零件的基本尺寸进行零件的结构设计校核计算，判定结构的合理性画出零件工作图，写出计算说明书计算零件上的载荷常用材料

机械零件所用的材料是多种多样的，有钢、铸铁、有色合金和非金属材料等。但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用的最为广泛。金属材料铸铁钢——含碳量>2%铁碳合金——含碳量≤2%铁碳合金——铜、铝合金有色金属（1）铸铁

灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。工程上常用的主要是灰铸铁和球墨铸铁。

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（灰铸铁）、成本低廉。灰铸铁和球墨铸铁属脆性材料，不能辗压和锻造，不易焊接。

灰铸铁主要用来制造机架或壳座类零件和其它一些常见的不重要零件。

球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀体等。（2）钢

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。结构钢——用于制造各种机械零件；工具钢——用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢——用于制造在特殊环境下工作的零件。按用途分：按化学成分分：碳素钢低碳钢：含碳量<0.25%，强度低，塑性高，具有良好的焊接性，适于冲压、焊接。用来制造螺钉、垫圈和焊接构件。中碳钢：含碳量0.3%～0.5%，综合力学性能较好。常用做受力较大的螺栓、螺母、齿轮和键。高碳钢：含碳量0.55%～0.75%，具有高的强度和弹性。用来制作弹簧、钢丝绳等。含碳量越高,则钢的强度越高、弹性越好，但韧性、塑性越低。碳素钢合金钢合金钢

随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。

为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。

合金钢较碳素钢价格高，对应力集中亦较敏感，因此只用于碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。

在钢中添加合金元素可改善钢的性能，并可根据不同要求加入各种合金元素。

例如铬钢抗蚀性强,不易氧化,可以制造化工生产上用的耐酸塔食品工厂设备；锰能提高钢的耐磨性、强度、韧性，锰钢硬度很大,可制金属加工工具，拖拉机履带和车轴等；镍使钢具有良好的淬透性和耐磨性，一般和铬一起添加。

钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，在表明碳含量数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，主要合金元素以百分之几表示，平均含量少于1.5%时不标。合金结构钢40Cr，平均碳含量为0.40%，主要合金元素Cr的含量在1.5%以下。15Cr18Ni9,平均碳含量为0.15%,平均含铬量为18%，含镍量为9%的铬镍不锈钢。钢号表示方法非金属材料（1）橡胶

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、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。橡胶不耐热，在800C以上容易老化，在低温下容易失去弹性。

塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。抗拉强度比钢低，硬度低，抗冲击能力差。

（2）塑料塑料轴承铸件表1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆钢

碳素结构钢Q235（φ33~42）1优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。选用原则

设计零件时，选材是一项复杂的技术经济问题。应根据零件用途、工作条件和材料的物理、化学、机械、工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。载荷及应力的大小和性质

从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。

脆性材料原则上只适用于在静载荷下工作的零件。在有冲击的情况下，应选择塑性材料。零件的工作情况

零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。

在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，如选用不锈钢、铜合金等。

复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。零件结构的复杂程度零件的尺寸及重量

零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。铸造材料制造毛坯时，可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。零件尺寸和质量的大小和材料的强重比有关，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。

材料本身的相对价格材料的加工费用材料的利用率采用组合结构节约稀有材料材料的经济性材料的供应状况对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。热处理通过热处理能显著提高钢的机械性能，从而提高零件的使用寿命。据初步统计，在汽车中70%～80%的零件需要热处理，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。热处理的作用钢的热处理:把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。热处理分类热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗氮退火:加热→保温→随炉冷却

正火:加热→保温→空气冷却

降低硬度，利于切削加工；消除内应力，提高塑性、韧性，以免零件在切削加工后或使用中发生变形和开裂。正火作用与退火相似，钢的硬度和强度较高，区别是正火温度高、冷速快，消除内应力不如退火彻底，但在炉外冷却，生产率较高。可用作一般结构件的最终热处理，中、低速机械。如：用冷拉钢丝卷制的弹簧，卷成后要退火，以消除内应力，使其定型。极大提高钢硬度及耐磨性，但脆性也随之增大。各种工具，模具，量具,滚动轴承均需要通过淬火提高硬度和耐磨性。淬火:加热→保温→水中、油中冷却钢件淬火时因冷却过快存在很大内应力和脆性，会使钢件发生变形甚至开裂。通过回火降低脆性，消除或减少内应力。回火:淬火钢重新加热→保温→冷却低温回火中温回火高温回火消除一定正应力，保持硬度、耐磨性。各类工具、滚动轴承。提高弹性极限，获得较高韧性，硬度有所降低，如弹簧。获得高的韧性，但硬度更低。齿轮，曲轴，连杆等(受交变载荷)硬度降低韧性