1机械设计的基础知识1h

第1章机械设计的基础知识返回§1-1机械设计的基本要求和一般程序§1-2机械零件的设计准则及设计步骤§1-3机械零件的常用材料及其选择§1-4机械零件的工艺性和标准化§1-1机械设计的基本要求和一般程序一、机械设计的基本要求使用要求所设计的机械应具有预定的使用功能正确选择工作原理，机器的各组成部分设计正确、配置合理经济性要求体现在设计、制造和使用的全过程设计：成本低、周期短；制造：省工省料、易装配；使用：高生产率、高效率、低能耗可靠性要求可靠性：在规定的时间内、规定的条件下能够完成规定功能的能力取决于设计、制造、管理、使用的各个阶段劳动保护环境保护按照人机工程学的观点布置各种按钮、手柄等排放、噪声等其他要求特殊要求（机床、飞机、流动机械、大型机械、食品机械）二、机械设计的一般程序§1-1机械设计的基本要求和一般程序功能、主要参数、工作环境、生产批量、预期成本、完成期限、使用条件方案设计技术设计计划阶段失效：机械零件由于某种原因而不能正常工作的现象。§1-2机械零件的设计准则及设计步骤一、机械零件的主要失效形式整体断裂应力超过强度极限发生的断裂；受到交变应力作用时发生的疲劳断裂例如：齿轮轮齿根部、螺栓的断裂、疲劳的铁丝等残余变形应力超过屈服极限产生残余塑性变形，影响零件的尺寸和形状例如：橡皮表面破坏腐蚀、磨损和接触疲劳例如：工作条件被破坏有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作例如：带传动、轴承一般材料的应力和应变的关系图§1-2机械零件的设计准则及设计步骤一、机械零件的主要失效形式1.强度准则2.刚度准则3.寿命准则4.振动稳定性准则5.可靠性准则§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则定义：零件在载荷作用下所产生的最大工作应力不得超过零件的许用应力。1.载荷和应力（1）静载荷和静应力（不随时间变化或变化缓慢）例如：重力及相应的应力§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则1.载荷和应力（2）变载荷和变应力（随时间作周期性变化的载荷和应力）应力循环：应力作周期性变化时，一个周期内所对应的应力变化。对称循环脉动循环§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则1.载荷和应力（2）变载荷和变应力（随时间作周期性变化的载荷和应力）§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则2.零件的整体强度（零件整体抵抗载荷作用的能力）其强度条件为：、：分别为零件材料的极限拉应力和极限剪切应力，MPa；S:安全系数；S1:考虑计算载荷及应力准确性的系数，一般取1-1.5，越不准确取值越大；S2:考虑材料机械性能均匀性的系数，对锻钢或轧制钢件取1.2-1.5，铸铁件取1.2-2.5，越不均匀取值越大；S3:考虑零件重要程度的系数，取1-1.5，越重要取值越大。

§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则2.零件的整体强度（零件整体抵抗载荷作用的能力）极限应力应该根据应力循环特性和材料性质来选择：（1）静应力下的强度对于塑性材料，应取材料的屈服极限作为极限应力，即对于脆性材料，应取材料的强度极限作为极限应力，即铸铁陶瓷玻璃§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则2.零件的整体强度（零件整体抵抗载荷作用的能力）极限应力应该根据应力循环特性和材料性质来选择：（2）变应力下的强度变应力下，零件的疲劳断裂是主要的失效形式。初始裂纹在变应力作用下，零件表面开始滑移而形成脆性断裂随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展零件疲劳断口§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则2.零件的整体强度（零件整体抵抗载荷作用的能力）极限应力应该根据应力循环特性和材料性质来选择：（2）变应力下的强度——曲线反映应力循环次数N与疲劳极限之间关系的曲线称为曲线。疲劳寿命曲线图§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-强度准则3.零件的表面接触强度——接触应力加载前：两个曲面呈现线接触或点接触；加载后：接触斑。接触应力图σH:最大接触应力；F:外载荷；B:接触线长度；ρ1和ρ2分别为两圆柱体在接触处的曲率半径，±：正号表示外接触；E1和E2：分别表示圆柱体材料的弹性模量；Μ1和μ2：分别表示两圆柱体材料的泊松比。§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-刚度准则刚度——零件抵抗弹性变形的能力。说明：大部分零件要有很好的刚度（如机床主轴、电动机的轴、变速器的轴）；但也有一部分零件要具有一定的柔度（如弹簧和一些减震设备）。ymax:零件所产生的最大弹性变形量；[y]：零件的许用变形量。§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-寿命准则影响零件寿命的主要因素：磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损尚无可供工程实际使用的定量计算方法影响因素复杂（载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的性质等）腐蚀无实用有效的腐蚀寿命计算方法疲劳破坏曲线§1-2机械零件的设计准则和设计步骤二、机械零件的设计准则-振动稳定性准则各零件固有频率与激振源的频率错开，以免发生共振。例如：齿轮的啮合、滚动轴承中的共振等。§1-2机械零件的设计准则和设计步骤三、机械零件的设计步骤（1）选择零件的类型和结构；（2）确定作用在零件上载荷的大小；（3）选择合适的材料及热处理方法；（4）在已知工作条件下，根据衡量零件工作能力的最重要准则确定零件的尺寸，并使这些计算尺寸与标准值相符；（标准化）（5）绘制零件的工作图，并标注必要的技术要求§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——碳钢与合金钢钢材按照化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。钢的牌号表示“汉语拼音+化学元素符号+阿拉伯数字”§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——碳钢与合金钢碳素钢：含碳量在[0.0218％,2.11％]之间的铁碳合金。碳素钢以含S、P的量不同分为：普通碳素钢：0.04%<S<0.055%、0.04%<P<0.045%

比如：Q235（表示屈服强度为235MPa的普通碳素钢）优质碳素钢：S<0.04%、P<0.04%

前两位数字表示平均含碳量的万分数

比如：45（表示平均含碳量为0.45％的优质碳素钢）65Mn（表示平均含碳量为0.65％、含锰量约为1％的优质碳素钢）§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——碳钢与合金钢碳素钢以含C的量不同分为：低碳钢：C<0.25%10、20中碳钢：C:0.25%-0.6%35、45高碳钢：C>0.6%65§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——碳钢与合金钢合金钢：在优质碳素钢中加入适当的合金元素。牌号的前两位数字表示平均含碳量的万分数。

后面的数字表示主要合金元素的含量，以平均含量的百分之几表示，含量≤1.5％的一般不标含量。40Cr（平均含碳量0.4％，含铬量≤1.5％的合金钢）60Si2Mn（平均含碳量0.6％，平均含硅量2％，平均含锰量≤1.5％的合金钢）20CrMnTi§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——铸钢指可以通过铸造成型工艺获得难以用其他加工方法得到的复杂形状毛坯，并保持钢的性能。一般用于现状复杂、尺寸交大的零件。含碳量：0.20％-0.60％ZG230-450（表示屈服强度不小于230MPa、抗拉强度不小于450MPa的铸钢）§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——铸铁定义：指含碳量>2.11%的铁碳合金。优点：铸造工艺性好，价格低廉；缺点：抗拉强度、塑性和韧性较差。分类：灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁等。代号：HT200（表示抗拉强度不小于200MPa的灰铸铁）QT500-7（表示抗拉强度不小于500MPa、伸长率为7％的球墨铸铁）§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——有色金属指铁基合金以外的金属，其物理、化学性能好，导电、导热性好、耐高温、抗蚀性好。铜合金具有良好的减磨性和耐磨性，优良的导电、导热、耐蚀性和延展性。分为黄铜和青铜两大类。可通过铸造或者碾压制备毛坯。铝合金切削性能好，耐腐蚀，不产生电火花，可用作贮存易燃、易爆物料的容器不耐磨，可通过镀铬的方法提高其耐磨性能。轴承合金具有优良的减磨性、耐磨性和导热性。又称巴氏合金，是锡、铅、锑、铜的合金，用来制造滑动轴承的轴瓦或轴承衬§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——非金属材料除金属材料外的所有工程材料。具有特殊特性，如耐磨性、抗腐蚀性、绝缘性、导热性、自润滑性等。工程塑料：有机高分子材料；橡胶：生胶为原料，加配合剂；玻璃：主要用于可视材料部件；木材：较好的绝缘性；陶瓷：硬、脆。§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——复合材料由两种或两种以上的金属或非金属材料复合而成的新材料。通常其中的一种作为基体起黏结作用，另一些作为增强材料，来提高承载能力。玻璃纤维复合材料：以环氧树脂等塑料为基体，以玻璃纤维为增强材料。碳纤维复合材料：以树脂、金属等为基体，以碳纤维为增强材料。§1-3机械零件的常用材料及其选择一、机械零件的常用材料——各种合金元素在钢中的作用碳（C）屈服强度和抗拉强度升高，硬度增加。但塑性和冲击性降低，焊接性能变坏，耐大气腐蚀能力降低，增加钢的冷脆性。铬（Cr）能显著提高强度、硬度和耐磨性；能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。降低塑性和韧性锰（Mn）是良好的脱氧剂和脱硫剂。强度、硬度、韧性增加，钢的热加工性能改善（工程机械的铲斗等）。减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。钛（Ti）强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。硅（Si）在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。含硅量增加，会降低钢的焊接性能.硫（S）是钢中有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.04%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。磷（P）是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求小于0.04%。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理

钢的热处理指在不同的加热与冷却条件下，控制钢在固态下相变，以改变其组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。

热处理能充分发挥材料潜能，延长零件的使用寿命。常用钢的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、表面热处理。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——退火将钢加热到一定温度(对45号钢一般在830～860℃)，保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。目的：通过退火可以消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬度以改善切削加工性能。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——正火钢加热、保温、在空气中快速冷却。目的：提高硬度、强度。正火后钢的硬度和强度都有所提高，但消除内应力效果不如退火好。正火处理时间短，费用低，故低碳钢大多采用正火代替退火。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——淬火将钢加热到一定温度(对45号钢一般在830～850℃)，保温一定时间，而后急速冷却(水冷或油冷)。目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度。缺陷：淬火后钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性也相应增加，因此淬火后必须进行回火处理。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——回火将淬火钢重新加热、保温1-2小时、在空气中冷却。目的：减小淬火时引起的内应力和脆性，仍保持高的硬度和强度。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——回火根据加热温度不同回火分为：

低温回火：加热温度为150-250℃，目的是减小内应力和脆

性，保持高硬度和耐磨性。中温回火：加热温度为300-450℃，目的减小内应力和脆性，

提高了弹性，硬度有所下降。高温回火：加热温度为450-650℃，可以获得强度、硬度、

塑性和韧性等较好的综合力学性能。习惯上把淬火后高温回火的热处理方法称为调质。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理表面热处理常用的方法：表面淬火、化学热处理。（提高硬度和耐磨性）表面淬火：将表面迅速加热到淬火温度，随即快速冷却的热处理方法。目的：提高表面疲劳强度、耐磨性。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理零件进行表面淬火及低温回火后，表面硬度和耐磨性都得到提高，而芯部仍保持原有的韧性。表面淬火常用加热方法有火焰加热(氧—乙炔焰)或感应电流加热根据所用电流频率不同又分高频(1-500kHz)、中频(500—10000Hz)和工频(50Hz)淬火三种。采用表面淬火的零件材料一般为中碳结构钢或中碳合金结构钢，如45、40Cr、35SiMn等。齿轮、曲轴及主轴轴颈等零件。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理化学热处理：将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮、铬等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。目的：改变表面机械性能的工艺。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理常用的有渗碳、氮化、氰化。渗碳：低碳钢置于适当的富碳中，碳原子渗入钢制零件表面。内部韧性较好，表面硬度和耐磨性好，对工作时受到严重摩擦、冲击等的零件特别有利，如汽车中的齿轮、活塞销、凸轮轴、花键轴等。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理氮化：氮原子渗入合金结构钢零件表面，形成氮化层。适用于合金结构钢，特别是含有铝，铬等合金元素的钢材，如40Cr、40CrNiMo。氮化是零件加工过程中接近最后的工序，有时只进行精磨和研磨。广泛用于精密量具、高精度机床主轴、精密丝杠和齿轮等。§1-3机械零件的常用材料及其选择二、钢的热处理——表面热处理氰化是向钢的表面同时渗入碳和氮的过程，及碳氮共渗。氰化的目的也是为了提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。氰化后的零件需经淬火和低温回火处理可以获得更高的硬度和耐磨性，并且还有相当好的抗胶合能力，氰化后可直接淬火，从而不仅简化了工艺，而且减少了工件的变形。氰化可用于碳钢和合金钢，因而比氮化适用的材料更广泛。§1-3机械零件的常用材料及其选择三、材料的选取原则使用要求是指强度、刚度、耐磨性、耐热性等要求。零件尺寸取决于整体强度，应选用高强度材料；取决于接触强度，应选用可以进行表面强化处理的材料；取决于刚度，则改变零件截面形状。工艺要求所选材料能用最简单的方法制造出来。对回转类零件，可采用棒料直接进行机械加工；对薄壁、深度小的零件，可采用塑性好的材料进行压力加工。经济要求所选材料能制造出成本最低的机器。大量生产宜用铸造毛坯，单间生产可采用焊接件。设计的零件在保证产品使用性能前提下，生产