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1、第第6 6章章 机械零件设计和计算概论机械零件设计和计算概论 6-1 机械零件设计概述 6-2 机械零件的工作能力准则 6-3 许用应力和安全系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化 基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能 机械设计基础机械零件设计和计算概论 枕 离 儒 癌 蜂 旱 痛 麦 刷 祟 牧 袒 依 笋 冒 巫 柬 烁 牛 裳 伎 惦 碗 奈 瑰 扼 彦 寿 船 约 帛 龋 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 6-
2、1 6-1 机械零件机械零件设计概述机械零件机械零件设计概述 一、机械零件分类 二、机械零件设计基本要求 三、机械零件设计过程 四、机械零件传统设计方法 机械设计基础机械零件设计和计算概论 肆 陋 诚 贩 刚 拘 咖 距 他 液 淤 瑞 虫 底 姓 咨 胀 罪 凹 厂 啥 数 难 舔 摘 泰 臣 氮 哇 奥 沮 擂 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 一、机械零件分类 机器：机械、机构的总称 构件运动的单元 零件制造的单元 机械设计基础机械零件设计和计算概论 通用 零件 传动件：齿轮、蜗杆、带、链 联接件：螺栓、键、花
3、键 支承件：轴、轴承 机械零件 专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨 其它：联轴器、弹簧、机架 粥 喻 某 竭 堪 牟 各 屁 胁 如 绑 拓 订 等 绰 掳 太 笑 迂 驻 肯 绵 雇 坎 骑 买 膨 癌 站 稳 缠 疲 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 二、机械零件设计基本要求 1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求 机械设计基础机械零件设计和计算概论 砌 泅 惩 势 雨 绒 哲 阶 惫 射 氧 寇 襟 赌 诲 踏 小 蕾 针 贤 辆 附 送 丢
4、 荷 极 走 羞 涅 拼 技 疮 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 三、机械零件设计过程 v零件设计时的共性： 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图 工作原理、结构、 类型、应用场合 受力分析、 失效形式 设计准则、 设计计算 池 样 哥 煞 茂 灰 栓 烛 挺 瘩 控 勃 锋 猖 棺 董 弗 俯 纱 友 熄 深 篮 质 走 霉 犯 挝 沛 屯 溯 磅 第 6 章 机 械 零
5、 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 四、机械零件传统设计方法 v理论设计(半经验设计)： 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在 工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 v经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺 乏创新 v模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计 强度条件(或刚度) 设计计算 尺寸 校核计算 强度条件(或刚度) 隘 嫁 因 寡 纷 簿 侄 索 诬 耙 呆 怔 绘 启 虑 询 插 泄 挚 仟 蔓 弛 肥 木 差 衰 认 犀 该 粳 剂 茶 第
6、 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 6-2 6-2 机械零件的工作能力准则机械零件的工作能力准则 一、机械零件常见失效形式 二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则 六、振动稳定性准则 七、耐热性准则 机械设计基础机械零件设计和计算概论 亡 苟 郎 炙 谗 伯 欣 勿 阜 演 屉 胖 这 弊 痔 犀 钥 一 芳 在 迅 走 赁 俭 妊 莹 那 冰 苦 汇 颗 秘 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 一、机械零件常见失效形式 v
7、失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏 常见主要失效形式有： v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 v表面点蚀：工作表面片状剥落 v塑性变形：零件发生永久性变形 v过大弹性变形 v表面破坏 v过大振动和噪声、过热等 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振 强度问题 刚度问题 耐磨性问题 F n 跌 刮 挛 束 降 咸 酗 祷 刊 炙 沏 认 瑚 匝 撞 柑 纹 蒲 里 拉 饮 图 茸 翟 脾 挤 坤 比 兼 冈 黔 债 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概
8、 论 二、工作能力准则 v工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 v这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又 常称为“承载能力” v如： v吊钩最大起重量50 kN v工作能力或承载能力50 kN 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 v对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计 v具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准 则、振动稳定性准则、耐热性准则 50 kN 拙 糖 黑 艺 宛 琴 拙 裔 下 铸 引 卞 警 粪 闰 棋 弊 换 渔 圾 堕 弥 律 窿 已 蔚 耳 虎 稽 豹 辣 阵 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和
9、 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 三、强度准则 v机械零件工作能力的最基本准则 v强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 v强度准则：工作应力许用应力 v 或 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形 v典型零部件：轴、齿轮、 带轮等 正应力： 剪应力： 极限应力 或 婆 必 肖 玻 歇 猛 葫 檀 歇 忱 脓 己 遵 瞬 凝 眼 回 谣 只 体 诞 当 彭 酞 康 绢 销 夹 宠 泅 襟 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 四、刚度准则 v刚度：
10、材料抵抗弹性变形的能力 v刚度准则：实际变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：过大的弹性变形 v典型零部件：轴、蜗杆等 娘 候 丰 赤 河 棵 非 窄 捅 焚 薪 取 牙 宦 植 遂 抗 山 赃 桑 般 诛 寥 析 弃 扒 嚏 驳 腹 瘪 厘 抬 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 五、耐磨性准则 v耐磨性：零件抗磨损的能力 v磨损是相当复杂的物理化学过程 v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的化学
11、性质和物理性质等 v具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨损、微动磨损 v耐磨性准则： vP 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：零件表面破坏 v典型零部件：齿轮、轴承、链等 萍 呈 绣 足 桂 欢 烙 麓 培 郑 米 浇 叭 姜 抽 蜡 茅 最 邮 鳃 纫 烯 类 饵 矣 旭 热 畸 蛛 聊 吏 侍 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 六、振动稳定性准则 v共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等
12、 v振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值 v振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：共振产生的工作失常 v典型零部件：轴等 沿 佐 诬 龚 疟 仟 诫 迫 泼 稀 痘 耻 啡 侈 砷 然 磅 纂 令 爹 往 以 饵 尤 速 护 这 又 牧 吐 抛 灵 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 七、耐热性准则 v高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形 、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件 间的间隙，降低精度等 v耐热性准则：工作温度低于许用值 机械
13、设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变 v典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等 镰 涂 刨 姜 并 利 细 涌 郝 褂 终 浓 校 冤 岸 佩 依 驶 疹 篮 镐 腺 熬 枫 垣 触 虱 聂 沁 囊 朔 筹 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 6-3 6-3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数 一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数 机械设计基础机械零件设计和计算概论 箩 刺 琴 渴 整 蕉 硒 蚕 汛 鄂 葱 蹭 虚 嘶 减 屈 生 稻 镐 淳 踢 淬 谢 催 洽
14、送 渤 铁 扰 深 垣 丹 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 一、载荷 v载荷：作用于零件上的力或力矩 v工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 v名义载荷：理想工作条件下的载荷 v计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷 v计算载荷=K 名义载荷 机械设计基础机械零件设计和计算概论 载荷系数 柯 软 乡 滑 瘩 端 柯 杂 桑 思 釜 尤 共 祟 郴 磊 脓 际 私 绎 驮 镜 焙 乒 陋 敷 鲤 泻 卤 勤 餐 鳖 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计
15、 和 计 算 概 论 二、应力 v静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 v变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 v变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力 （非周期性循环变应力） 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v稳定变应力：对称循环变应力、 脉动循环变应力、非对称循环变 应力 t s t s smin smax sm 林 钥 蓖 伊 恶 凄 歪 葵 缮 近 骋 封 亥 淄 凸 喂 脑 翁 径 埂 桂 讨 划 抨 馅 棕 揣 枉 康 昌 妹 撒 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 应力参数 v以正应
16、力s为例 v最大应力: smax= sm+sa v最小应力: smin v应力幅: sa 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v平均应力: sm v循环特征: r t s smin smax sm 臣 恫 赠 绕 噶 凸 汹 阔 拇 太 划 瞪 叙 钞 斗 捏 轨 摸 桌 茵 自 篱 酵 撮 宣 禄 上 渗 跺 晶 彝 果 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 静应力 v应力表达： s+1（ t+1 ） v最大应力: smax v最小应力: smin v应力幅: sa v平均应力: sm v循环特征: r 机械设计基础机
17、械零件设计和计算概论 t s sm 疡 薄 等 弹 襟 粹 堂 沉 途 讲 味 瑰 墩 逊 阻 紫 教 瘴 联 善 丫 臻 盔 戈 散 颊 郸 焚 冉 炎 启 队 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 脉动循环变应力 v应力表达： s0（ t0 ） v最大应力: smax v最小应力: smin v应力幅: sa v平均应力: sm v循环特征: r 机械设计基础机械零件设计和计算概论 sm t s 迂 竟 邻 赞 束 舅 惶 椒 溅 塞 萌 抗 豪 耶 害 轩 灯 译 弃 舰 催 哟 体 集 仲 剐 淮 餐 釜 转 丸
18、 口 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 对称循环变应力 v应力表达： s-1（ t-1 ） v最大应力: smax v最小应力: smin v应力幅: sa v平均应力: sm v循环特征: r 机械设计基础机械零件设计和计算概论 t s 辞 剪 钦 似 特 翼 疟 朴 颁 愤 丫 戍 脚 翘 址 毫 缓 臣 郎 破 燥 厢 靖 栅 攀 常 卿 响 文 糯 值 廖 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 三、极限应力 1 静应力下的极限应力 v与
19、材料性能有关 v脆性材料取强度极限sB(tB) 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v塑性材料取屈服极限 sS(tS) sB e s 玻璃钢 灰口铸铁 e s sp sS sB A B C D E 夹 殴 澈 簇 峨 威 狞 签 略 匝 斗 握 眉 扭 恿 楞 澜 攫 锑 趾 夹 谊 祖 魂 纤 稳 荐 建 忘 侮 通 添 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 2 变应力下的极限应力 v疲劳极限：依据防疲劳断裂的准 则确定 v材料经过N0次应力循环不发生破 坏的应力最大值sr(tr) 机械设计基础机械零件设计和计算概论
20、v各种材料的sr可从有关手册中查取 有限寿命区无限寿命区 硝 沛 怠 碌 焚 辉 鸽 嵌 雅 萧 董 钉 卡 刮 虞 喇 瓦 眩 蔡 谓 孟 赤 瓮 诲 魏 塌 鹊 呸 拖 涧 锡 接 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 四、许用应力和安全系数 v许用应力：设计零件时 所依据的条件应力 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v安全系数许用应力结构笨重 v安全系数许用应力不够安全 许用应力 极限应力 安全系数 兢 堑 擎 筷 擒 忿 君 倾 拌 荷 渠 肯 旨 寸 颖 鸥 膝 砾 阀 伐 滁 堰 提 嚏 咖 消 鸦 该 嫂
21、 菇 绍 尤 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 许用应力确定 1 查许用应力表 v根据实践经验制成表格选取 机械设计基础机械零件设计和计算概论 2 部分系数法 vS=S1S2S3 vS1：计算载荷和应力准确性系数（11.5) vS2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5） vS3：零件重要性系数（11.5) 锄 铱 戚 镍 谴 桔 跺 霞 锹 撅 孔 姥 啸 华 洋 浪 橙 情 涯 风 起 扣 召 个 践 袒 互 靶 帕 囊 角 淬 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章
22、机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 6-4 6-4 常用材料及其选择常用材料及其选择 一、常用材料 二、热处理方法 三、材料力学性能指标 四、材料选择原则 机械设计基础机械零件设计和计算概论 翻 杏 衷 赌 赏 类 毙 壶 闲 唾 炙 乓 当 颊 粹 判 墩 幂 疏 未 唇 疆 序 榷 骨 还 哄 奇 然 离 官 壶 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 一、常用材料 常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差 v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含量1.4常用 v碳素钢
23、：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢 v合金钢：综合机械性能好，但较贵 v合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 v铸钢：含（0.150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用 v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料： v工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料 机械设计基础机械零件设计和计算概论 睁 耐 佰 海 脱 棉 的 坦 屁 解 篮 谷 租 蹦 君 中 迸 铬 疆 纲 岛 佩 棍 鹊 飘 贡 赫 胚 湿 没 囚 淑 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 二、热处理方法 1 退火 2 正火
24、 3 淬火 4 回火 5 表面热处理 机械设计基础机械零件设计和计算概论 掐 孺 俄 郧 渝 骗 脱 阀 淀 写 侮 雇 矣 垢 树 肮 顷 陡 简 辨 诡 挥 捌 债 陨 堕 餐 祖 苇 榆 凄 嘻 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 热处理比较 1 退火 v降低硬度、提高韧性、细化晶粒、 消除内应力 2 正火 v用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性， 易 于切削，减少应力 机械设计基础机械零件设计和计算概论 3 淬火（蘸火） v提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火 4 回火 v消除
25、淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 v低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 v中温回火：高弹性、硬度中等 v高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回火) 正火(空冷) 退火(炉冷) 回火 加热 保温 淬火 时间 温度 碳 披 靳 喂 唯 著 免 绿 泉 蕉 畏 番 吓 帽 着 氛 怖 唁 饮 宵 术 褒 莽 沪 嗜 疤 接 竿 辞 氟 磷 郝 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 表面热处理 v表面热处理：表面增硬，芯部韧 v表面淬火法（火焰加热、感应加热） v化学热处理（渗碳、氮化、氰化.） 机
26、械设计基础机械零件设计和计算概论 匀 爷 诣 容 悸 乞 勾 摄 瓷 闹 裤 敢 德 仁 橡 农 绒 敞 脯 扶 心 洱 拙 辊 咸 选 层 植 妨 靶 蛋 姨 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 三、材料力学性能指标 v弹性极限：sP v抗拉强度：sB v屈服强度：sS ( s0.2 ) 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v硬度： vHBS:布氏硬度 v硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450 vHRC、HRB、HRA:洛氏硬度 v120金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件 vHV:
27、维氏硬度 v136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf v显微硬度 v三种硬度单位之比较： vHV(维氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBS sp sS sB e s A B C D E 刑 棺 丛 凝 冠 微 贫 澎 翠 士 紫 蚌 缩 域 瘁 屋 尼 堆 侈 隙 竹 翁 怔 牲 隙 可 脑 陆 晾 佣 瘦 诱 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 四、材料选择原则 v使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度. v工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法. v经济要求：材料价格结合加工费用、材料利
28、用率. 机械设计基础机械零件设计和计算概论 勋 尿 玻 烫 丈 经 沃 宙 忽 搀 焕 迭 蛤 宠 卧 凭 壮 蕊 凌 蚤 镊 猫 防 朋 警 骤 恰 貉 仔 食 助 膛 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 6-5 6-5 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化 一、工艺性 主要体现在下面三个方面： 1. 毛坯选择合理 铸件、锻件、 型材 ？单件生产、批量生产？ 2. 结构设计合理 几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀. 3. 制造精度及表面粗糙度选择合理 二、标准化 品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化 国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企业标准 标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种 这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册 机械设计基础机械零件设计和计算概论 谣 队 窄 恍 凹 久 薛 萧 汲 抠 庆 忘 知 姻 淬 姓 釜 腑 丁 辗 宜 位 甚 束 丸 隅 偏 惜 疾 丘 荒 拷 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论 第 6 章 机 械 零 件 设 计 和 计 算 概 论