1、機械零件相關設計和計算概述一、機械零件分類二、機械零件設計基本要求三、機械零件設計過程四、機械零件傳統設計方法機械設計基礎機械零件設計和計算概論一、機械零件分類一、機械零件分類機器：機械、機構的總稱機器：機械、機構的總稱構件構件運動的單元運動的單元零件零件制造的單元制造的單元 機械設計基礎機械零件設計和計算概論通用零件傳動件：齒輪、蝸桿、帶、鏈傳動件：齒輪、蝸桿、帶、鏈聯接件：螺栓、鍵、花鍵支承件：軸、軸承機械零件專用零件：水輪機葉片、活塞、曲軸,飛機螺旋槳 其它：聯軸器、彈簧、機架二、機械零件設計基本要求二、機械零件設計基本要求1、滿足功能要求，能夠準確實現預定的功能、滿足功能要求，能夠準確

2、實現預定的功能2、工作可靠，在預定的工作期限內不能失效、工作可靠，在預定的工作期限內不能失效3、經濟性要求、經濟性要求機械設計基礎機械零件設計和計算概論三、機械零件設計過程三、機械零件設計過程 零件設計時的共性：零件設計時的共性：機械設計基礎機械零件設計和計算概論 過程：過程：1、擬訂零件的設計簡圖、擬訂零件的設計簡圖2、確定載荷的大小及位置、確定載荷的大小及位置3、選擇材料、選擇材料4、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數5、繪制零件工作圖、繪制零件工作圖工作原理、結構、類型、應用場合受力分析、失效形式設計準則、設計計算四、機械零件傳

3、統設計方法四、機械零件傳統設計方法 理論設計理論設計(半經驗設計半經驗設計)：機械設計基礎機械零件設計和計算概論 類比設計：類比設計：與已有的同類產品進行比較來設計新產品。這種方法在與已有的同類產品進行比較來設計新產品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節省時間，較可靠工程實際中用得較多，特點是節省時間，較可靠 經驗設計：經驗設計：根據實踐中歸納出的經驗公式和經驗數據進行設計，缺根據實踐中歸納出的經驗公式和經驗數據進行設計，缺乏創新乏創新 模型實驗設計：模型實驗設計：用于大型、復雜零件的設計用于大型、復雜零件的設計強度條件(或剛度) 設計計算尺寸校核計算強度條件(或剛度)一、機械零件常見失效

4、形式二、工作能力準則三、強度準則四、剛度準則五、耐磨性準則六、振動穩定性準則七、耐熱性準則機械設計基礎機械零件設計和計算概論一、機械零件常見失效形式一、機械零件常見失效形式 失效：喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指失效：喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指破壞破壞常見主要失效形式有：常見主要失效形式有： 斷裂：如軸、齒輪輪齒發生斷裂斷裂：如軸、齒輪輪齒發生斷裂 表面點蝕：工作表面片狀剝落表面點蝕：工作表面片狀剝落 塑性變形：零件發生永久性變形塑性變形：零件發生永久性變形 過大彈性變形過大彈性變形 表面破壞表面破壞 過大振動和噪聲、過熱等過大振動和噪聲、過熱等機械設計基礎機械零

5、件設計和計算概論 例如軸可能的失效形式：例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振強度問題剛度問題耐磨性問題Fn二、工作能力準則二、工作能力準則 工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度 這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為常稱為“承載能力承載能力” 如：如： 吊鉤最大起重量吊鉤最大起重量50 kN 工作能力或承載能力工作能力或承載能力50 kN機械設計基礎機械零件設計和計算概論 工作能力準則：衡量零件工作能力的指標工作能力準則：衡量零件工作

6、能力的指標 對零件設計，針對其主要失效形式選擇適對零件設計，針對其主要失效形式選擇適合的工作能力準則進行設計合的工作能力準則進行設計 具體有：強度準則、剛度準則、耐磨性準具體有：強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩定性準則、耐熱性準則則、振動穩定性準則、耐熱性準則50 kN三、強度準則三、強度準則 機械零件工作能力的最基本準則機械零件工作能力的最基本準則 強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力 強度準則：工作應力強度準則：工作應力許用應力許用應力 或或 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變

7、形 典型零部件：軸、齒輪、典型零部件：軸、齒輪、 帶輪等帶輪等Slim 正應力：Slim 剪應力：極限應力四、剛度準則四、剛度準則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準則：剛度準則：實際變形量實際變形量許用變形量許用變形量彎曲剛度：撓度條件：彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件：傾角條件： 扭曲剛度：扭角條件：扭曲剛度：扭角條件：j j j j機械設計基礎機械零件設計和計算概論 針對失效形式：過大的彈性變形針對失效形式：過大的彈性變形 典型零部件：軸、蝸桿等典型零部件：軸、蝸桿等五、耐磨性準則五、耐磨性準則 耐磨性：零件抗磨損的能力耐磨性：零件抗磨損的能力 磨損是相當

8、復雜的物理化學過程磨損是相當復雜的物理化學過程 影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑劑的化學性質和物理性質等劑的化學性質和物理性質等 具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損蝕磨損、微動磨損 耐磨性準則：耐磨性準則： P 機械設計基礎機械零件設計和計算概論 針對失效形式：零件表面破壞針對失效形式：零件表面破壞 典型零部件：齒輪、軸承、鏈等典型零部件：齒輪、軸承、鏈等六、振動穩定性準則六、振動穩定性準則共振：當機器的自振頻率與周期性干擾力變化頻共振：當機器的

9、自振頻率與周期性干擾力變化頻率相同或整數倍時，就會發生共振，此時振幅急率相同或整數倍時，就會發生共振，此時振幅急劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等振動穩定性：機器工作時振幅不能超過許可值振動穩定性：機器工作時振幅不能超過許可值振動穩定性準則：振動穩定性準則：0.85f fp 或或 1.15ffp機械設計基礎機械零件設計和計算概論針對失效形式：共振產生的工作失常針對失效形式：共振產生的工作失常典型零部件：軸等典型零部件：軸等七、耐熱性準則七、耐熱性準則高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、附加熱應力，

10、破壞正常的潤滑條件，改變零件間附加熱應力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間的間隙，降低精度等的間隙，降低精度等耐熱性準則：工作溫度低于許用值耐熱性準則：工作溫度低于許用值機械設計基礎機械零件設計和計算概論針對失效形式：高溫引起的潤滑不良、蠕變針對失效形式：高溫引起的潤滑不良、蠕變典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動軸承等典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動軸承等一、載荷二、應力三、極限應力四、許用應力和安全系數機械設計基礎機械零件設計和計算概論一、載荷一、載荷 載荷：作用于零件上的力或力矩載荷：作用于零件上的力或力矩 工作載荷：機器正常工作時所受的實際載荷工作載荷：機器正常工作時所受的實際載荷 名義載荷：理想工

11、作條件下的載荷名義載荷：理想工作條件下的載荷 計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷 計算載荷計算載荷=K 名義載荷名義載荷機械設計基礎機械零件設計和計算概論載荷系數二、應力二、應力 靜應力：不隨時間改變或變化緩慢的應力靜應力：不隨時間改變或變化緩慢的應力 變應力：隨時間作周期性或非周期性變化的應力變應力：隨時間作周期性或非周期性變化的應力 變應力：穩定變應力（隨時間作周期性）、不穩定變應變應力：穩定變應力（隨時間作周期性）、不穩定變應力（非周期性循環變應力）力（非周期性循環變應力）機械設計基礎機械零件設計和計算概論 穩定變應力：對稱循

12、環變應力、穩定變應力：對稱循環變應力、脈動循環變應力、非對稱循環變脈動循環變應力、非對稱循環變應力應力ttminmaxm應力參數應力參數 以正應力以正應力 為例為例 最大應力最大應力: max= m+ a 最小應力最小應力: min 應力幅應力幅: a機械設計基礎機械零件設計和計算概論 平均應力平均應力: m 循環特征循環特征: r2minmaxa2minmaxmmaxminr11 rtminmaxm靜應力靜應力 應力表達：應力表達： +1（ +1 ） 最大應力最大應力: max 最小應力最小應力: min 應力幅應力幅: a 平均應力平均應力: m 循環特征循環特征: r機械設計基礎機械零件

13、設計和計算概論tm0amminmax1r脈動循環變應力脈動循環變應力 應力表達：應力表達： 0（ 0 ） 最大應力最大應力: max 最小應力最小應力: min 應力幅應力幅: a 平均應力平均應力: m 循環特征循環特征: r機械設計基礎機械零件設計和計算概論mt0min 2max ma0 r對稱循環變應力對稱循環變應力 應力表達：應力表達： 1（ 1 ） 最大應力最大應力: max 最小應力最小應力: min 應力幅應力幅: a 平均應力平均應力: m 循環特征循環特征: r機械設計基礎機械零件設計和計算概論tminmax 0 m 1 rminmax a三、極限應力三、極限應力1 靜應力下

14、的極限應力靜應力下的極限應力與材料性能有關與材料性能有關脆性材料取強度極限脆性材料取強度極限 B( B)機械設計基礎機械零件設計和計算概論塑性材料取屈服極限塑性材料取屈服極限 S( S)Be玻璃鋼灰口鑄鐵epSBABCDE2 變應力下的極限應力變應力下的極限應力 疲勞極限：依據防疲勞斷裂的準疲勞極限：依據防疲勞斷裂的準則確定則確定 材料經過材料經過N0次應力循環不發生破次應力循環不發生破壞的應力最大值壞的應力最大值 r( r)機械設計基礎機械零件設計和計算概論各種材料的各種材料的 r可從有關手冊中查取可從有關手冊中查取0NNNrNr有限壽命區無限壽命區四、許用應力和安全系數四、許用應力和安全系

15、數 許用應力：設計零件時許用應力：設計零件時所依據的條件應力所依據的條件應力機械設計基礎機械零件設計和計算概論 安全系數安全系數許用應力許用應力結構笨重結構笨重 安全系數安全系數許用應力許用應力不夠安全不夠安全SlimSlim許用應力極限應力安全系數許用應力確定許用應力確定 1 查許用應力表查許用應力表 根據實踐經驗制成表格選取根據實踐經驗制成表格選取機械設計基礎機械零件設計和計算概論2 部分系數法部分系數法S=S1S2S3S1：計算載荷和應力準確性系數（：計算載荷和應力準確性系數（11.5)S2：材料的均勻系數（鑄鐵：材料的均勻系數（鑄鐵:1.52.5,鋼）鋼）S3：零件重要性系數（：零件重

16、要性系數（11.5)一、常用材料二、熱處理方法三、材料力學性能指標四、材料選擇原則機械設計基礎機械零件設計和計算概論一、常用材料一、常用材料常用零件材料的力學性能等級和牌號常用零件材料的力學性能等級和牌號1 鑄鐵：鑄鐵：含含易成型、價廉、吸振、可靠性差易成型、價廉、吸振、可靠性差 灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵2 鋼：鋼：含量含量常用常用 碳素鋼碳素鋼：（含、量不同）：（含、量不同）普通碳素鋼、優質碳素鋼普通碳素鋼、優質碳素鋼 合金鋼：綜合機械性能好，但較貴合金鋼：綜合機械性能好，但較貴 合金鋼的優良性能取決于化學成份及熱處理合金鋼的優良性能取決于化學成份及熱處理 鑄鋼：

17、鑄鋼：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金屬合金：有色金屬合金：有特殊性能，價昂有特殊性能，價昂少用少用 鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金4 非金屬材料：非金屬材料： 工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料機械設計基礎機械零件設計和計算概論二、熱處理方法二、熱處理方法1 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面熱處理機械設計基礎機械零件設計和計算概論熱處理比較熱處理比較1 退火退火 降低硬度、提高韌性、細化晶粒、降低硬度、提高韌性、細化晶粒、消除內應力消除內應力2 正火正火 用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼用于處理低中

18、碳鋼，代替低中碳鋼的退火。提高硬度，增加韌性，的退火。提高硬度，增加韌性， 易易于切削，減少應力于切削，減少應力機械設計基礎機械零件設計和計算概論3 淬火（蘸火）淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨性、但內應力增大，會發脆，應再回火提高硬度和耐磨性、但內應力增大，會發脆，應再回火4 回火回火 消除淬火后的內應力，以獲得零件所需的性能，提高韌性消除淬火后的內應力，以獲得零件所需的性能，提高韌性 低溫回火：高強度、高硬度及良好的耐磨性低溫回火：高強度、高硬度及良好的耐磨性 中溫回火：高彈性、硬度中等中溫回火：高彈性、硬度中等 高溫回火：強度、塑性、韌性都較好高溫回火：強度、塑性、韌性都較好(調質調質淬火淬

19、火+高溫回火高溫回火)正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫 淬火時間溫度表面熱處理表面熱處理 表面熱處理：表面增硬，芯部韌表面熱處理：表面增硬，芯部韌 表面淬火法（火焰加熱、感應加熱表面淬火法（火焰加熱、感應加熱） 化學熱處理（滲碳、氮化、氰化化學熱處理（滲碳、氮化、氰化.）機械設計基礎機械零件設計和計算概論三、材料力學性能指標三、材料力學性能指標 彈性極限：彈性極限： P 抗拉強度：抗拉強度： B 屈服強度：屈服強度： S ( 0.2 )機械設計基礎機械零件設計和計算概論 硬度：硬度： HBS:布氏硬度布氏硬度 硬度機壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般硬度機壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS450 HRC、HRB、HRA:洛氏硬度洛氏硬度 120金剛石錐體，載荷金剛石錐體，載荷150kgf,不能冊硬、脆的薄層零件不能冊硬、脆的薄層零件 HV:維氏硬度維氏硬度 136 金剛石四角錐體，載荷小，金剛