第三章機械設(shè)計總論

1、第三章 機械設(shè)計總論3-1 機器的組成3-2 設(shè)計過程簡介3-3 機械設(shè)計的總體要求3-4 機械零件的失效3-5 零件設(shè)計準(zhǔn)則（基本要求）3-6 設(shè)計方法3-7 機械零件常用材料及選用3-8 機械設(shè)計中的“三化”3-9 機械零件的強度3-10 摩擦、磨損與潤滑3-1 機器的組成機 器基本組成動力部分 （人、畜、風(fēng)、電）力、燃?xì)獾葌鲃訖C構(gòu) 機械、液壓、氣動、電動等執(zhí)行機構(gòu) 如行走部分、軋輥等輔助裝置 潤滑、顯示、照明、調(diào)節(jié)等控制系統(tǒng)例：自行車3-2 設(shè)計過程簡介規(guī)劃 調(diào)研、可行性、功能目標(biāo)、創(chuàng)新性、預(yù)計成本、市場方案設(shè)計原理簡圖、多個方案評估、確定方案具體設(shè)計 1）、零件受載情況、工作條件2）、

2、零件材料選擇3）、零件主要尺寸確定（軸頸、齒厚、齒寬等）4）、結(jié)構(gòu)規(guī)劃并設(shè)計（重要）5）、零件圖6）、部件圖7）、總裝圖8）、細(xì)節(jié)文件（明細(xì)表、外協(xié)計劃、清單）3-3 機械設(shè)計的總體要求一、達(dá)到功能要求二、結(jié)構(gòu)合理、簡捷、操縱方便、安全可靠三、制造成本低四、環(huán)保要求泄漏、噪聲、振動、能耗、排氣、五、可靠性固有可靠性設(shè)計、制造階段就已確定使用可靠性用戶具體操作時正常概率六、其它精度保持、便于安裝運輸綜合來看：在保證預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成 本低、安全可靠、壽命長、操作方便、維修簡單、 造型美觀。3-4 機械零件的失效機械零件因某種原因而不能正常工作，稱為失效。失效形式1、斷裂2、塑性

3、變形3、過大彈性變形4、表面燒傷和磨損磨蝕、磨損、接觸疲勞5、強烈振動、松弛（皮帶）、打滑、喪失自鎖F整體斷裂整體斷裂齒輪輪齒斷裂齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂軸承內(nèi)圈斷裂 零件危險截面的應(yīng)力超過其強度極零件危險截面的應(yīng)力超過其強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。F過大的殘余變形過大的殘余變形零件所受的應(yīng)力超過了材料零件所受的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，則零件將產(chǎn)生的屈服極限，則零件將產(chǎn)生殘余變形。殘余變形。 齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形F零件的表面破壞零件的表面破壞腐蝕、磨損、接觸疲勞 軸瓦磨損齒面接觸疲勞3-

4、5 零件設(shè)計準(zhǔn)則（基本要求）設(shè)計計算準(zhǔn)則保證機械的工作能力，不失效而設(shè)定的一些判斷條件。強度在載荷作用下抵抗破壞（斷裂、塑性變形、表面失效）的能力。一、強度準(zhǔn)則分為整體強度表面強度（接觸與擠壓強度）兩種對整體強度：maxmax對表面接觸強度：接觸應(yīng)力HH擠壓應(yīng)力PP對表面擠壓強度：許用應(yīng)力的計算：（S為安全系數(shù)）繼續(xù)繼續(xù)=Smax= maxS二、剛度準(zhǔn)則剛度在載荷作用下抵抗變形的能力。要求要求彈性變形量允許值。三、耐磨性準(zhǔn)則要求要求在預(yù)定期限內(nèi)磨損量允許值。四、散熱性準(zhǔn)則要求要求工作溫度允許值t 。五、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則機器的發(fā)展趨勢是V（速度）m（質(zhì)量）,于是造成容易振動的后果要求要求工作不發(fā)生

5、超過允許值的振動現(xiàn)象 。繼續(xù)繼續(xù)六、可靠性準(zhǔn)則用可靠度R表示在正常使用條件下、規(guī)定時間內(nèi)能正常工作的概率。R=nn總能工作的零件數(shù)總零件數(shù)另還可用平均工作時間（平均壽命）MTTF表示。MTTFmean time to failures.或用平均故障間隔時間MTBF表示。MTBFmean time between failures.3-6 設(shè)計方法理論設(shè)計設(shè)計計算校核計算經(jīng)驗設(shè)計模型實驗設(shè)計3-7 機械零件常用材料及選用一、常用材料1、金屬材料（1）黑色金屬（占90%以上）鋼碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼工具鋼特殊鋼特殊鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235A優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼08F、15、20中碳鋼35、45

6、高碳鋼65合金鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼工具鋼特殊鋼特殊鋼低合金高強鋼16Mn滲碳鋼20Cr、20CrMnTi調(diào)質(zhì)鋼40Cr、35CrMo彈簧鋼65Mn、60Si2Mn軸承鋼GCr15易切鋼Y40Mn鑄鐵灰口鑄鐵HT150、HT200可鍛鑄鐵KTH300-06球墨鑄鐵QT420-10（2）有色金屬鋁及鋁合金純鋁純鋁變形鋁合金變形鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金L1、L2L6防銹鋁LF5、硬鋁LY12、超硬鋁LC6、鍛鋁LD10ZL101、ZL111純銅（紫銅）純銅（紫銅）銅合金銅合金常用巴氏合金常用巴氏合金T1、T2、T4黃銅Cu+ZnH62、ZCuZn38青銅Cu+其它BZn15-20白銅Cu+NiQS

7、n4-3軸承合金ZChSnSb11-6ZChPbSn-16-16-1.8AlSi基AlCu基AlMg基AlZn基ZL201、ZL203ZL301、ZL302ZL401、ZL402銅及銅合金錫基鉛基2、非金屬材料（1）高分子材料分子量500的有機化合物，一般1000幾百萬。分天然與合成兩類。、塑料、塑料、橡膠、橡膠、合成纖維、合成纖維（2）工程陶瓷（3）復(fù)合材料、普通陶瓷、普通陶瓷、特種陶瓷、特種陶瓷、金屬陶瓷、金屬陶瓷、玻璃纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料、玻璃鋼、玻璃鋼、碳纖維增強塑料、碳纖維增強塑料由石墨晶體組成窯業(yè)，又稱硅酸鹽工業(yè)（含陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料）如硬質(zhì)合金氧化鋁陶瓷氮化硅陶

8、瓷碳化硅陶瓷剛玉瓷（硬度排第五），作火花塞、軸承、模具等f?。蔁o潤滑），可作刀具、復(fù)雜零件等又稱金剛砂，作火箭尾噴管噴嘴、高溫軸承、核 燃料包封等丁苯橡膠順丁橡膠異戊橡膠氯丁橡膠丁基橡膠乙丙橡膠丁晴橡膠產(chǎn)量最大（6070%)發(fā)展最快阻燃性最好耐油性很好合成橡膠有七大品種見后頁A、熱塑性塑料聚乙烯（聚乙烯（PE ) )聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC ) )聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS ) )聚丙烯（聚丙烯（PP ) )ABS塑料塑料聚銑胺（聚銑胺（PA ) )聚甲醛（聚甲醛（POM ) )聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTEE或或F-4 ) )聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC ) )聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲

9、酯（PMMA ) )產(chǎn)量最大，可做管、瓶、杯、絕緣等有毒、產(chǎn)量第二，可做窗架、唱片、管、人造革、衣、襪等可做玩具、包裝等最輕、可煮，可做法蘭、接頭、把手、齒輪、化工管道、收音機殼、電扇罩、 食物無毒包裝等可做齒輪、軸承、電機外殼、檔泥板、扶手、汽車車身等即尼龍、錦綸，可代替有色金屬機械行業(yè)多用尼龍6尼龍66做紡織品、繩子、軸承等尼龍610尼龍1010我國獨創(chuàng)，以蓖麻油為原料鑄型尼龍（MC尼龍）芳香尼龍最耐熱、可做宇宙服性能比尼龍好，可制各類受摩擦件，如軸承、齒輪、凸輪、閥門、儀表外殼等特耐蝕、稱塑料王、又稱泰氟隆，可作軸承、密封墊、不粘鍋等透明度高，可作擋風(fēng)玻璃、帽盔等，波音747上有2500

10、個零件用它制造，重2噸。即有機玻璃、最透明B、熱固性塑料酚醛樹脂（酚醛樹脂（PE) )又稱電木，用于電絕緣、齒輪、凸輪、軸承、皮帶輪等氨基塑料氨基塑料逐漸被取代脲醛塑料（UF）主要做家電產(chǎn)品密胺塑料（MF）環(huán)氧樹脂（環(huán)氧樹脂（EP）萬能膠，主要用作粘接劑和層壓樹脂塑塑料料返回二、材料選用原則1、性能滿足要求（受力、環(huán)境等的影響）2、材料易購、便宜、常用3、加工工藝性（成型、切削、熱處理等）3-8 機械設(shè)計中的“三化”1、產(chǎn)品系列化系列化2、部件通用化通用化3、零件標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化推廣三化，可以推廣三化，可以 大大降低設(shè)計、制造周期 降低成本 有利開展行業(yè)協(xié)作 促進(jìn)質(zhì)量提高 3-9 機械零件的強度靜

11、應(yīng)力強度若整個工作壽命期限內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)107靜應(yīng)力強度低周疲勞高周疲勞本書討論本書討論ABCD在CD段：D點后：NN=CmN= r?？稍O(shè)一循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)N0，此時的應(yīng)力記為rN0（或記為r）應(yīng)有：rNNm r N0=Cm=故：rN= rmN0N=rKN材料常數(shù)對鋼材料：對鋼材料： 在彎曲和拉壓時，在彎曲和拉壓時，m=620?？扇槌？扇?壽命系數(shù)（ ） KN= mN0NmaxDNABC三、等壽命疲勞曲線（又稱（又稱極限應(yīng)力曲線、疲勞極限圖極限應(yīng)力曲線、疲勞極限圖）am-1s應(yīng)應(yīng)力力幅幅值值平均應(yīng)力平均應(yīng)力注注意意m=max+min2a=maxmin2此圖的作法： 不同的不同的值下

12、作出值下作出max-N圖；圖；取一循環(huán)基數(shù)取一循環(huán)基數(shù)N0（如（如107）；）；由此作垂線與各由此作垂線與各max-N圖相交；將各交圖相交；將各交點的值經(jīng)過處理后描于點的值經(jīng)過處理后描于m- a圖上；圖上；即得等壽命疲勞曲線。即得等壽命疲勞曲線。max=+0.6=+0.3=0=-1NN0=107maxmin=稱為稱為循環(huán)特性循環(huán)特性-1稱為稱為對稱循環(huán)疲勞極限對稱循環(huán)疲勞極限s稱為稱為屈服極限屈服極限注意關(guān)鍵值-1和s上圖常用折線圖代替。amam-1s應(yīng)力在此區(qū)域內(nèi)，無事！應(yīng)力在此區(qū)域內(nèi)，無事！應(yīng)力在此區(qū)域外，破壞！應(yīng)力在此區(qū)域外，破壞！簡化為該折線圖的作法s屈服極限-1對稱循環(huán)疲勞極限0脈動

13、循環(huán)疲勞極限直線直線A A G G 的方程為：的方程為：-1=a+m直線直線C C G G 的方程為的方程為：a+m = s幾個關(guān)鍵值極限應(yīng)力幅極限應(yīng)力幅a極限平均應(yīng)力極限平均應(yīng)力m材料常數(shù)材料常數(shù)=2 -1-00實際上是直線AG的斜率對碳鋼： =0.10.2對合金鋼： =0.20.3am-1s020245CGDA453-9-2 疲勞強度計算實際零件的疲勞極限一般會小于試驗件的疲勞強度，因為加工和工作時會有一些不確定的因素影響。故：以彎曲為例-1e=-1K試驗件疲勞極限試驗件疲勞極限綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù)零件的疲勞極限應(yīng)為：從圖形上考慮此問題，可將極限應(yīng)力線圖中的從圖形上考慮此問題，可將極限

14、應(yīng)力線圖中的A A G G 線下移（線下移（ C C G G 線不變）至線不變）至AGAG線。線。am02CGDAADGC-1e=K-12K0sm02ADGCsa此線下移此線下移結(jié)果為m02ADGCsa續(xù)上頁通過求AG線的方程（與上節(jié)類似），可得：零件的材料常數(shù)為(彎曲時）：e=K=K12-100K的計算公式：K =(k+1)1q有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)強化系數(shù)強化系數(shù)其中四個系數(shù)的值均可查表得到。 切應(yīng)力的推算與上類似！略切應(yīng)力的推算與上類似！略 一、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時疲勞強度的計算1、=C時時（例如轉(zhuǎn)軸（例如轉(zhuǎn)軸,C代表常數(shù)）代表常數(shù)）mAGC

15、a工作應(yīng)力點工作應(yīng)力點MM 極限應(yīng)力點極限應(yīng)力點該點處：該點處：m=mea=ae(由危險截面的max與min求得該點的m和a）由原點向工作應(yīng)力點由原點向工作應(yīng)力點M連線連線并延長到與并延長到與AG線相交于線相交于M 點點極限應(yīng)力為：max=me +ae =-1 maxKa+ m強度條件為：Sca=maxmaxS計算安全系數(shù)計算安全系數(shù)許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)2、m=C時時（例如振動著的受載彈簧（例如振動著的受載彈簧,C代表常數(shù)）代表常數(shù)）mAGCa工作應(yīng)力點工作應(yīng)力點MM 極限應(yīng)力點極限應(yīng)力點該點處：該點處：m=mea=ae(由危險截面的max與min求得該點的m和a）過工作應(yīng)力點過工作應(yīng)力點

16、M作垂線作垂線與與AG線相交于線相交于M 點點極限應(yīng)力為：max=me +ae =-1（K）mK強度條件為：Sca=maxmaxS計算安全系數(shù)計算安全系數(shù)許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)3、min=C時時（例如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷，（例如緊螺栓聯(lián)結(jié)中螺栓受軸向變載荷，C代表常數(shù)）代表常數(shù)）注意：注意：min=m-aCmAGCa工作應(yīng)力點工作應(yīng)力點MM 極限應(yīng)力點極限應(yīng)力點該點處：該點處：m=mea=ae(由危險截面的max與min求得該點的m和a）過工作應(yīng)力點過工作應(yīng)力點M作與水平方向成作與水平方向成45的斜線，與的斜線，與AG線相交于線相交于M 點點45強度條件為：Sca=maxmaxS計算

17、安全系數(shù)計算安全系數(shù)許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)同上理，可以求出M 點處的極限應(yīng)力maxmAGCaIIIIIII區(qū)：區(qū)： min恒為負(fù)值，很少見；恒為負(fù)值，很少見；III區(qū)：區(qū)： 按靜強度計算。按靜強度計算。實際上，僅考慮此區(qū)實際上，僅考慮此區(qū)niNi稱為損傷率損傷率二、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時疲勞強度的計算非規(guī)律性非規(guī)律性按大量試驗找統(tǒng)計分布規(guī)律，統(tǒng)計疲勞強度。規(guī)律性規(guī)律性按疲勞損傷累積假說（Miner法則）。i=1zniNi=1循環(huán)了多少次循環(huán)了多少次使材料發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)使材料發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)試驗表明：i=1zniNi=0.72.2a無巨大差別，無短時強烈過載時，取1各級應(yīng)力由大小時，取值1，

18、經(jīng)過一系列推導(dǎo)，可得強度條件公式：經(jīng)過一系列推導(dǎo)，可得強度條件公式：Sca=-1caS其中：計算應(yīng)力ca=N01i=1zniimm（）三、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時疲勞強度的計算指同時受法向和切向?qū)ΨQ循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力。介紹略。四、提高疲勞強度的措施1、減少應(yīng)力集中如設(shè)置圓角、減少截面形狀的突變，加減載槽。2、提高表面質(zhì)量，減少裂紋。3、改選疲勞強度高的材料，并選擇恰當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ā?-9-3 零件的抗斷裂強度工作應(yīng)力0.1mm是宏觀裂紋。應(yīng)力強度因子KI（KII、KIII）平面應(yīng)變斷裂韌度KIC啟用了兩個新指標(biāo)KIKICKIKIC裂紋不會失穩(wěn)擴展裂紋會失穩(wěn)擴展I、II、III表示裂紋類型表示裂紋類型3-9

19、-4 零件的接觸強度接觸有外接觸內(nèi)接觸兩種狀況接觸有共形面如平面與平面異形面線接觸如齒面間點接觸如鋼球與套圈接觸應(yīng)力的計算是彈性力學(xué)研究的問題H=FB1112（）112E1122E2+公式為：以線接觸為例：接觸應(yīng)力又稱接觸應(yīng)力又稱“赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力”接觸面外圓柱內(nèi)圓柱（a） 外接觸（b） 內(nèi)接觸兩圓柱體接觸后的變形和應(yīng)力分布3-10 摩擦、磨損與潤滑摩擦、磨損與潤滑 世界上約有1/31/2的能源消耗在摩擦上。 一半以上的零件是因磨損而失效。 摩擦的結(jié)果是磨損。 潤滑是減少摩擦與磨損的有力措施。 摩擦也有有利的一方面如摩擦輪、皮帶、制動器。3-10-1 摩擦分類分類內(nèi)摩擦外摩擦靜摩擦動摩擦滑動摩

20、擦滾動摩擦干摩擦混合摩擦液（流）體摩擦邊界摩擦相對應(yīng)有： 液體潤滑、邊界潤滑、混合潤滑液體潤滑、邊界潤滑、混合潤滑彈性變形塑性變形邊界膜流體（a a） 干摩擦干摩擦（b b）邊界摩擦）邊界摩擦（c c） 液體摩擦液體摩擦（d d） 混合摩擦混合摩擦無潤滑劑或保護膜無潤滑劑或保護膜油膜厚油膜厚1.52m以上以上油膜厚油膜厚1 m三者的綜合三者的綜合3-10-2 磨損不利處-效率和可靠性,使機器報廢。有利處-表面粗糙度（磨削、研磨、拋光、跑合等)。一、磨損過程的三個階段：一、磨損過程的三個階段：磨合階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段時間t磨損量qIIIIII 跑合階段結(jié)束后應(yīng)清洗零件、更換潤滑油跑合階段

21、結(jié)束后應(yīng)清洗零件、更換潤滑油二、磨損分類：二、磨損分類：按磨損結(jié)果分按磨損結(jié)果分按磨損機理分按磨損機理分點蝕磨損膠合磨損擦傷磨損粘（附）著磨損冷焊（壓力大時）材料轉(zhuǎn)移。冷焊（壓力大時）材料轉(zhuǎn)移。磨粒磨損表面硬質(zhì)突出物或外來硬粒引起表層脫落，常見。表面硬質(zhì)突出物或外來硬粒引起表層脫落，常見。疲勞磨損（點蝕） 局部因彈性變形形成小接觸區(qū)，受交局部因彈性變形形成小接觸區(qū)，受交 變應(yīng)力表層或內(nèi)層有微裂紋變應(yīng)力表層或內(nèi)層有微裂紋擴展擴展脫落。脫落。沖蝕磨損運送物（液、氣等）中夾帶硬物。運送物（液、氣等）中夾帶硬物。腐蝕磨損與周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)（化學(xué)或電化學(xué)）。與周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)（化學(xué)或電化學(xué)）。分五級：分

22、五級： 輕微磨損輕微磨損 涂抹涂抹 擦傷擦傷 撕脫撕脫 咬死咬死又稱膠合，發(fā)生又稱膠合，發(fā)生于高速、重載于高速、重載3-10-3 潤滑作用作用 摩擦系數(shù) 機械效率 磨損、 壽命 冷卻、防塵、吸振等一、潤滑劑：一、潤滑劑：分為分為潤滑油潤滑脂固體潤滑劑（石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯）氣體潤滑劑（如空氣、氫氣、水蒸氣）1、潤滑油：、潤滑油：1）分類分為分為有機油如動、植物油礦物油應(yīng)用最廣，如機油（現(xiàn)稱為全損耗系統(tǒng)油）、柴油等化學(xué)合成油2）評價指標(biāo) 粘度最重要指標(biāo)，越大流動性越差，分為動力粘度運動粘度條件粘度E 油性（潤滑性）油中極性分子與金屬表面吸附形成油膜的性能。 極壓性油中加入含S、Cl、P的有

23、機極性化合物后，生成邊界膜的 能力，可抗磨、抗高壓。 閃點在標(biāo)準(zhǔn)儀器中蒸發(fā)出油汽，遇火能發(fā)出閃光時的最低溫度。 凝點規(guī)定條件下不能再自由流動時的最高溫度。 氧化穩(wěn)定性發(fā)生氧化生成硫、氯、磷的酸性化合物、膠狀、腐蝕金屬。工作溫度應(yīng)低工作溫度應(yīng)低于閃點于閃點3040C解釋我國常用我國常用動力粘度運動粘度條件粘度E用表示。1m3的液體，其上、下表面間發(fā)生相對速度為1m/s的 相對運動時所需的切向力為1N，稱為動力粘度。 單位：1Pas（=1Ns/m2） Pas是國際單位制（是國際單位制（SI）的粘度單位。）的粘度單位。 在絕對單位制（在絕對單位制（C.G.S制）中，單位為：制）中，單位為： 1dyn

24、s/cm2稱為稱為1P（泊）。（泊）。 常用厘泊（常用厘泊（cP），），1P=100cP）用表示。動力粘度與相同溫度下液體的密度之比稱為運動粘度。 單位：m2/s （ 的單位為kg/m3）一般潤滑油的牌號就是該潤滑油在一般潤滑油的牌號就是該潤滑油在40C（或或100C）時運動粘度（以時運動粘度（以mm2/s為單位）的平均值為單位）的平均值如L-AN46全損耗系統(tǒng)用油（原稱10號機械油）在40C時的=41.450.6mm2/s用表示。又稱恩式粘度恩式粘度，許多國家用。 在給定溫度下，從恩式粘度計流出200ml樣品油所需時間與同體 積蒸餾水在20C時流出所需時間之比值，稱為條件粘度。 絕對單位制中采用絕對單位制中采用St（斯）為單位。（斯）為單位。 1St=1cm2/s=100cSt（厘斯）（厘斯） 1cSt=1mm2/s單位我國以Et（恩式度）作單位美國以SUS（賽氏通用秒）作單位英國以R（雷式秒）作單位運動粘度與恩式粘度之間可以換算運動粘度與恩式粘度之間可以換算略略2、潤滑脂：、潤滑脂：在潤滑油