1、第一章：緒第一章：緒 論論 課程要求（1）了解本課程的內容、性質、特點、與先修、后繼課程之間的關系，以及相應的學習方法。（2）建立機械設計的總體概念，了解機械零件的失效形式、計算準則、設計方法及設計的一般步驟，了解機械零件常用材料選用原則，理解機械設計中的標準化原則。（3）了解機械設計的現狀和發展。 內內 容容:主要是從工作原理、承載能力、構造和維護等方面論述主要是從工作原理、承載能力、構造和維護等方面論述通用機械零件的設計問題。其中包括如何合理確定零件的形通用機械零件的設計問題。其中包括如何合理確定零件的形狀和尺寸，如何適當選擇零件的材料，以及如何使零件具有狀和尺寸，如何適當選擇零件的材料，

2、以及如何使零件具有良好的工藝性等。良好的工藝性等。說明：說明：該課程的先修課程為高等數學、理論力學、機械制圖、機械原理、互換性與技術測量、工程材料。總總 述述 進行機械設計方案選擇時首先應考慮功能的需進行機械設計方案選擇時首先應考慮功能的需要，因為要，因為“功能功能”是設計應該首先保證的設計目是設計應該首先保證的設計目標標 在保證所設計功能可靠實現的基礎上，還必須在保證所設計功能可靠實現的基礎上，還必須考慮結構是否可以用工業生產的方法實現，是否可考慮結構是否可以用工業生產的方法實現，是否可以制造，是否可以裝配，是否可以運輸等，這些都以制造，是否可以裝配，是否可以運輸等，這些都屬于為實現所設計的

3、裝置必須進行的工藝環節的可屬于為實現所設計的裝置必須進行的工藝環節的可能性和方便性。能性和方便性。 經濟性原則是處理工程問題必須關注的基本原經濟性原則是處理工程問題必須關注的基本原則，在很多情況下是決定性的原則，不但應注意所則，在很多情況下是決定性的原則，不但應注意所設計的裝置的一次性制造成本，而且應注意使用成設計的裝置的一次性制造成本，而且應注意使用成本在結構設計中還應考慮結構對社會、對環境的本在結構設計中還應考慮結構對社會、對環境的影響影響 機器機器是由是由機械系統機械系統為主所組成，而機械系統為主所組成，而機械系統又是由一組具有協調工作關系的零件組成的又是由一組具有協調工作關系的零件組成

4、的機構機構所組成，而每個機構又是由許多所組成，而每個機構又是由許多零件零件組成。組成。11 機械設計課程的性質與任務機械設計課程的性質與任務 按功能分，機器的一般組成為：機器的組成機器的組成原原 動動 機機:驅動整部機器以完成預定功能的動力源驅動整部機器以完成預定功能的動力源。主要形式：主要形式：電動機、熱力機（蒸汽機、汽油機或柴油機）電動機、熱力機（蒸汽機、汽油機或柴油機）執行部分執行部分: 用來完成機器預定功能的組成部分。用來完成機器預定功能的組成部分。 各種機器由于要完成的功能不同而有不同的各種機器由于要完成的功能不同而有不同的執行部分，且可有一個執行部分，也可以有幾個執行部分。傳傳 動

5、動 部部 分分: 把原動機的運動形式、運動及動力參數轉把原動機的運動形式、運動及動力參數轉變為執行部分所需的運動形式、運動及動力參數的部分。變為執行部分所需的運動形式、運動及動力參數的部分。 該部分主要由本課要介紹的通用機械零件所組成。該部分主要由本課要介紹的通用機械零件所組成。2、組成機器的、組成機器的不可拆的最小最小基本單元單元機械零件（標機械零件（標準零件、非標準件）準零件、非標準件）本課程的研究對象：本課程的研究對象： 一般參數的通用零件的設計理論與方法，即：一般參數的通用零件的設計理論與方法，即：本章主要是從工作原理、承載能力、構造和維護等方面論述通用機械零件的設計問題。其中包括如何

6、合理確定零件的形狀和尺寸，如何適當選擇零件的材料，以及如何使零件具有良好的工藝性等。部件：為完成同一使命而協同工作的許多零件的組合。滾動軸承二、課程的內容、性質與任務二、課程的內容、性質與任務1、內容：重點研究在普通條件下工作的通用零件；包括這些零件的基本設計理論、設計方法及常用參數和資料的查閱。 具體內容包括：通用零件及由零件組成的部件（聯結部件、傳動部件、軸系部件及其它部件）的基本設計原理和選用方法（包括選材、確定結構尺寸、精度與表面質量及制造的技術條件等） 。本課的具體內容本課的具體內容聯結部分：螺紋聯結，鍵、花鍵及無鍵聯結，銷聯結，鉚接，焊接，膠接與過盈聯結。傳動部分：螺旋傳動，帶傳動

7、，鏈傳動，齒輪傳動，蝸桿傳動等。軸系部分：滑動軸承，滾動軸承，聯軸器和軸等其他部分其他部分：減速器。 2、性質：、性質：以通用零件為研究核心的設計性課程。是一門論述它們的基本設計理論與方法的技術基礎課。通過這些通用零件的學習，掌握一般零、部件的設計規律和技術方法。為進一步的專業機器設備設計打下基礎。 該課程將綜合運用材料力學、彈性力學的方法研究機械零件在聯接和傳動中產生的各種現象，并賦予正確的結構和尺寸。（理論力學、材料力學、機械原理、機械制造基礎、工程材料、公差和機械制圖等相關課程）3、任務：、任務： 1、掌握通用零件的基本設計原理、方法和機械設計的一般規律，使學生具有設計一般機械的能力；

8、2、樹立正確的設計思想,了解國家當前的有關技術經濟政策； 3、具有應用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關資料的能力； 4、掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓練； 5、了解機械設計的新發展。4、學習方法：、學習方法：在學習過程中，要綜合運用前面課程中所學到的有關理論、知識和技能，充分運用各種教學實踐環節進行工程技能的基本訓練，提高理論水平、構思能力、工程洞察力和判斷力及分析解決實際問題的能力，為后續相關專業課的學習及進行機械產品的設計打下堅實的基礎。機械設計應滿足的要求機械設計應滿足的要求 在滿足預期功能的前提下，性能好、在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限

9、內安全可效率高、成本低，在預定使用期限內安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。 即所設計的機械零件既要工作可靠，即所設計的機械零件既要工作可靠，又要成本低廉。又要成本低廉。12 機械設計的基本要求及設計程序機械設計的基本要求及設計程序 二、機械設計的一般程序二、機械設計的一般程序1）計劃階段 市場調研 可行性研究設計任務書2）方案設計 原理圖或簡圖（定出最佳方案）3）技術設計 裝配圖、零件圖、技術文件（說明書）4）試制試驗 樣機評價改進5）小批生產試銷 考核工藝性收集用戶意見6）產品銷售三、機械零件設計的一般步驟三、機械零件設計的一般步驟1）建立零件的受

10、力受力模型，確定零件的計算載荷；2）選擇零件的類型與結構類型與結構；3）選擇零件的材料材料；4）按可能的失效形式失效形式確定零件的計算準則計算準則，并確定零件的基本尺寸，并加于標準化和圓整；5）零件的結構設計結構設計6）繪制零件的工作圖工作圖，并編寫計算說明書說明書 13 機械零件的主要失效形式和設計計算準則機械零件的主要失效形式和設計計算準則 一、機械零件的失效形式一、機械零件的失效形式失失 效：效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。失效。失效形式有：失效形式有：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效等。承載能力：承載能力：在不發生失效的條件下，零

11、件所能安全工作的限度，稱為工作能力工作能力。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為承載能力。承載能力。失效的可能原因：失效的可能原因：斷裂或塑性變形（強度）；過大的彈性變形（剛度）；工作表面的過度磨損或損傷（耐磨性）；發生強烈的振動（穩定性）；聯接的松弛；摩擦傳動的打滑等。 機械零件在預期工作壽命期間不失效是最基本的要求。機械零件在預期工作壽命期間不失效是最基本的要求。設計者應預先估計所設計零件的可能失效方式。設計者應預先估計所設計零件的可能失效方式。防止失效是保證機械零件正常工作的首要措施。防止失效是保證機械零件正常工作的首要措施。二、機械零件工作能力計算準則二、機械零件工作能力計算準則工

12、作能力工作能力零件不發生失效時的安全工作限度 計算準則計算準則以防止產生各種可能失效為目的而擬定的零件工作能力計算依據的基本原則。判定條件為：判定條件為：計算量許用量 這種為防止失效而制定的判定條件，通常稱為工作能力計算準則工作能力計算準則。設計機械零件時，常根據一個或幾個可能發生的主要失效形式，運用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。校核計算：校核計算：零件設計時先參照實物(或圖紙)和經驗數據，初步擬定零件的結構和尺寸，然后再用有關的判定條件進行驗算。 還應注意，在一般機器中，只有一部分零件是通過計算確定其形狀和尺寸的，而其余的零件則僅根據工藝要求和結構要求進行設計。 三機械零件的設計

13、準則三機械零件的設計準則1.機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度名義載荷與計算載荷名義載荷與計算載荷在理想的平穩工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷名義載荷。然而在機器運轉時，零件還會受到各種附加載荷，引人載荷系數載荷系數K的辦法來估計這些因素的影響。載荷系數與名義載荷的乘積，稱為計算載荷計算載荷。按照名義載荷用力學公式求得的應力，稱為名義名義應力應力，按照計算載荷求得的應力，稱為計算應力計算應力。1.1 強度準則強度準則-零件在載荷作用下抵抗破壞的能力。強度強度判定時，比較危險截面處的計算應力(、)是否小于零件材料的許用應力(、)。即 limlim/ , FASS，而而式中：，lim、l

14、im分別為極限正應力和極限切應力；S為安全系數。 強度準則、剛度準則、壽命準則 、振動穩定性準則、可靠性準則設計計算中求危險截面積A，校核中有力（F及應力）及安全系數的求解 1. 判斷危險截面處的最大應力（判斷危險截面處的最大應力（、）是否小于或等于許）是否小于或等于許用應力（用應力（【】、【】）。）。強度條件：強度條件：強度判定時，比較的計算應力(、)是否小于零件材料的許用應力(、)。即 ,SSSSlimlim,而，而判斷零件強度的方法判斷零件強度的方法 式中：，式中：，lim、lim分別為極限正應力和極限切應力；分別為極限正應力和極限切應力；S為安全系數。為安全系數。2. 判斷危險截面處的

15、實際安全系數是否大于或等于許用安全系數。 limlim/ ,/SSS應力的種類應力的種類 不隨時間變化的應力，稱為靜應力。隨時間變化的應力，稱為變應力。具有周期性的變應力稱為循環變應力。 1. 靜應力下的許用應力靜應力下的許用應力 1）單向靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料，可按不發生塑性變形的條件進行計算。這時應取材料的屈服極限s作為極限應力，故許用應力為： , SSSS BS22224 ,3 bTbT 對于用脆性材料制成的零件，應取強度極限B作為極限應力，其許用應力為： 2）復合應力時的塑性材料零件根據第三或第四強度理論確定其強度條件。 強度條件： 式中： bT

16、彎曲應力；切應力根據第三強度理論近似取 2SS3SS22222=(/) =S SbSSTSSSSSS/或S /, 根據第四強度理論近似取 則復合安全系數計算式為： 2. 變應力的循環特性變應力的循環特性 maxminmaxminminmax,22marm平均應力； a應力幅值；max最大應力； min最小應力；r 應力比（循環特性） 描述規律性的交變應力可有5個參數，但其中只有兩個參數是獨立的。 變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂 。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷積累到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發生的突然斷裂（未裂開的截面積不足以承受外載荷）。所以疲勞斷裂與應力循環次數(即使

17、用期限或壽命)密切相關。 循環特性r一定時，應力循環N次后，材料不發生疲勞破壞時的最大應力，稱疲勞極限，以 表示。 不隨時間變化的應力，不隨時間變化的應力，稱為稱為靜應力靜應力隨時間變化的應力，隨時間變化的應力，稱為稱為變應力變應力具有周期性的變應力，具有周期性的變應力，稱為稱為循環變應力循環變應力變應力的循環特性變應力的循環特性 平均應力平均應力 應力幅應力幅 應力循環中的最小應力與最大應力之比，可用來表應力循環中的最小應力與最大應力之比，可用來表示變應力中應力變化的情況，通常稱為變應力的循環特性，示變應力中應力變化的情況，通常稱為變應力的循環特性，用用r r表示，即：表示，即： 當當max

18、max-minmin時，循環特性時，循環特性r=r=1 1，稱為對稱循環，稱為對稱循環變應力變應力，其，其a amaxmax= =一一minmin，m m=0=0。 當當maxmax00、minmin= =0 0時，循環特性時，循環特性r=0r=0，稱為脈動循，稱為脈動循環變應力環變應力 ( (圖圖d)d)，其，其a am m= =（1/21/2）maxmax。靜應力可看。靜應力可看作變應力的特例，其作變應力的特例，其maxmaxminmin，循環特性，循環特性r r+1+1。2minmaxm2minmaxa3. 安全系數安全系數 安全系數定得正確與否對零件尺寸有很大影響。如果安全系數定得過大

19、將使結構笨重；如定得過小，又可能不夠安全。 計算時采用查表法選取安全系數(或許用應力) 。 1.2 剛度準則剛度準則 零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。 ，yy1.3 耐磨性準則耐磨性準則 作相對運動的零件其工作表面抵抗磨損的能力。磨損與耐磨性磨損與耐磨性運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現象稱為磨損磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態。零件抗磨損的能力稱為耐耐磨性磨性。 在預定使用期限內，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。 出現劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械的精度喪失，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。這時應立即停車檢修、更換零件。 機械中磨損的主要類型機械中磨損的主

20、要類型: 1磨粒磨損；2粘著磨損(膠合) ；3疲勞磨損(點蝕)；4腐蝕磨損磨粒磨損：磨粒磨損：硬質顆粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦過程中引起的材料脫落現象稱為磨粒磨損。硬質顆粒可能是零件本身磨損造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。粘著磨損粘著磨損(膠合膠合)：加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產生塑性流動。若接觸處發生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉移到另一個表面，這種現象稱為粘著磨損(膠合)。疲勞磨損疲勞磨損(點蝕點蝕)：在滾動或兼有滑動和滾動的高副中，如凸輪、齒輪等，受

21、載時材料表層有很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常會出現表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現象稱為疲勞磨損或點蝕。腐蝕磨損：腐蝕磨損：在摩擦過程中，與周圍介質發生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損。 1.4 振動和噪聲準則振動和噪聲準則 0.85Pfff-固有頻率；fp -激振振源的頻率 1.5 熱平衡準則熱平衡準則 1.6 可靠性準則可靠性準則 系統、機器或零件在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。可靠度表示零件在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的概率。 14 機械零件常用的材料及其選擇原則機械零件常用的材料及其選擇原則 機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，

22、其次是有色金屬合金。機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。非金屬材料如塑料、橡膠等。1、黑色金屬 鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。 其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。在其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。在 上述鑄鐵中，以灰鑄鐵應用最廣，球墨鑄鐵次之。上述鑄鐵中，以灰鑄鐵應用最廣，球墨鑄鐵次之。鑄鋼鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強度性比鑄鐵好，但比鍛 鋼和軋制鋼差。鑄鋼的液態流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造 時，壁厚常不小于10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大

23、，故鑄鋼件的 圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。鋼鋼-結構鋼、工具鋼和特殊鋼結構鋼、工具鋼和特殊鋼。結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的。結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的構構 件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼(如不銹鋼、耐熱鋼、如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等耐酸鋼等)用于制造在特殊環境下工作的零件。用于制造在特殊環境下工作的零件。碳鋼與合金鋼應用最廣泛。含碳量小于2的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2的稱為鑄鐵。選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格便宜供應充分的選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用

24、價格便宜供應充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優先選用我國資源豐富的硅、錳、硼、釩碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優先選用我國資源豐富的硅、錳、硼、釩類合金鋼。例如，我國新頒布的齒輪減速器規范中，已采用類合金鋼。例如，我國新頒布的齒輪減速器規范中，已采用35SiMn和和ZG35SiMn等代替原用的等代替原用的35Cr、40CrNi等材料。等材料。 碳素鋼的性質主要取決于含碳量碳素鋼的性質主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。 低碳鋼低碳鋼: :含碳量低于含碳量低于0 02525，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有，它的強度極限和屈

25、服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接，常用來制作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊良好的焊接性，適于沖壓、焊接，常用來制作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊接構件等。含碳量在接構件等。含碳量在0.2的低碳鋼還用以制作滲碳的零件，如齒輪、活塞銷、的低碳鋼還用以制作滲碳的零件，如齒輪、活塞銷、鏈輪等。通過滲碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韌而耐沖擊。如果要求有更高強鏈輪等。通過滲碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韌而耐沖擊。如果要求有更高強度和耐沖擊性能時，可采用低碳合金鋼。度和耐沖擊性能時，可采用低碳合金鋼。 中碳鋼中碳鋼: :含碳量在含碳量在0.30.30.

26、50.5，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。 高碳鋼高碳鋼: :含碳量在含碳量在0.550.550.70.7，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。 合金結構鋼：鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。例如：鎳能提高強度而鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。例如：鎳能提高強度而不降低鋼的韌性；鉻能提高硬度、高溫強度、耐

27、腐蝕性和提高高碳鋼的耐磨性；錳能不降低鋼的韌性；鉻能提高硬度、高溫強度、耐腐蝕性和提高高碳鋼的耐磨性；錳能提高鋼的耐磨性、強度和韌性；鉬的作用類似于錳，其影響更大些；釩能提高韌性及提高鋼的耐磨性、強度和韌性；鉬的作用類似于錳，其影響更大些；釩能提高韌性及強度；硅可提高彈性極限和耐磨性，但會降低韌性。合金元素對鋼的影響是很復雜的，強度；硅可提高彈性極限和耐磨性，但會降低韌性。合金元素對鋼的影響是很復雜的，特別是當為了改善鋼的性能需要同時加入幾種合金元素時。應當注意，合金鋼的優良特別是當為了改善鋼的性能需要同時加入幾種合金元素時。應當注意，合金鋼的優良性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于

28、適當的熱處理。性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于適當的熱處理。3、非金屬材料塑料輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普通機械零件、絕 緣體。以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結而成的 塑料稱為結合塑料，可用來制作儀表支架、手柄等受力不大的零 件。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體，用熱固性樹脂壓 結而成的塑料稱為層壓塑料，可用來制作無聲齒輪、軸承襯和摩 擦片等。陶瓷電熱性好，硬度高。橡膠彈性、絕緣性好，常用作聯軸器或減震器的彈性元件和密封元 件、減震元件，硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。4、復合材料二、機械零件材料選用的原則 1、使用要求2 、工藝要求3、經濟性要求

29、 2、有色金屬a) 鋁合金重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強度鋁合金強度可與碳素鋼相近。b) 銅合金黃銅：Cu與Zn合金，具有很好的塑性及流動性，故可進行輾壓和鑄造。 青銅：Cu與Sn的合金 無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金，青銅減摩性和抗腐蝕性均較好，也可輾壓和鑄造。此外，還有軸承合金此外，還有軸承合金(或稱巴氏合金或稱巴氏合金)，主要用于制作滑動軸承的軸承襯。，主要用于制作滑動軸承的軸承襯。15 標標 準準 化化 標準化的意義：標準化的意義：在制造上可以實行專業化大量生產，在制造上可以實行專業化大量生產，既可提高產品質量又能降低成本；在設計方面可減少設既可提高產品質量又能

30、降低成本；在設計方面可減少設計工作量；在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換計工作量；在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換損壞的零件。損壞的零件。 標準種類：標準種類：按照標準的層次，我國的標準分為國家按照標準的層次，我國的標準分為國家標準、行業標準、地方標準和企業標準四級。按照標準標準、行業標準、地方標準和企業標準四級。按照標準實施的強制程度，標準又分為強制性實施的強制程度，標準又分為強制性(GB)和推薦性和推薦性(GBT)兩種。強制性標準，必須執行。而推薦性標準，鼓兩種。強制性標準，必須執行。而推薦性標準，鼓勵企業自愿采用。勵企業自愿采用。 為了增強在國際市場的競爭能力，我國鼓勵積極采為

31、了增強在國際市場的競爭能力，我國鼓勵積極采用國際標準和國外先進標準。近年發布的我國國家標準，用國際標準和國外先進標準。近年發布的我國國家標準，許多都采用了相應的國際標準。許多都采用了相應的國際標準。16 工藝性工藝性 設計機械零件時，不僅應使其滿足使用要求，即具備所要求的工作設計機械零件時，不僅應使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時還應當滿足生產要求，否則就可能制造不出來，或雖能制造能力，同時還應當滿足生產要求，否則就可能制造不出來，或雖能制造但費工費料很不經濟。但費工費料很不經濟。 在具體生產條件下，如所設計的機械零件便于加工而加工費用又很在具體生產條件下，如所設計的機械零件便于加

32、工而加工費用又很低，則這樣的零件就稱為具有良好的低，則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性工藝性。工藝性的基本要求 (1)(1)毛坯選擇合理毛坯選擇合理 機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。 (2)(2)結構簡單合理結構簡單合理 設計零件的結構形狀時，最好采用最簡單的表面設計零件的結構形狀時，最好采用最簡單的表面( (如平面、圓柱面、螺旋面如平面、圓柱面、螺旋面) )及其組合，同時還應當盡量使加工表面數目及其組合，同時還應當盡量使加工表面數目最少和加工面積最小。最少和加工面積最小。 (3)(3)規定

33、適當的制造精度及表面粗糙度規定適當的制造精度及表面粗糙度 零件的加工費用隨著精度的零件的加工費用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據時，不應當追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也應沒有充分根據時，不應當追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也應當根據配合表面的實際需要，作出適當的規定。當根據配合表面的實際需要，作出適當的規定。17 機械設計的最新進展機械設計的最新進展 1.設計理論的不斷完善與發展；2.設計手段和方法的不斷更新；3.機械設計的綜合程度越來越高，與其它學科交叉越來越廣泛和

34、深入機電一體化；4.機械設計的實驗研究技術有了很大的發展和提高，實驗與理論相互促進5.現代機械設計和方法所包括（哲學 解剖學 社會學 應用力學 機械電子學 電子計算機）1、內容的繁雜性涉及知識面廣，綜合應用多學科知識涉及知識面廣，綜合應用多學科知識 , 與理論性與理論性課程在體系和內容上有較大不同課程在體系和內容上有較大不同2、工程性：大量數據、表格、標準等設計資料的應用，進行方案，材工程性：大量數據、表格、標準等設計資料的應用，進行方案，材料，參數，結構等選擇料，參數，結構等選擇3、對策設計主線 工作情況 受力分析 失效形式 設計準則 設計步驟4、還應考慮選材、標準的應用場合、結構和制造方法

35、 18 本課程的特點本課程的特點 教學環節教學環節1.理論教學環節：理論教學理論教學環節：理論教學64學時、實驗教學學時、實驗教學8學時學時2.實踐教學環節：課程設計實踐教學環節：課程設計3周。周。考核考核作業要求作業要求字跡工整字跡工整獨立、認真完成獨立、認真完成符合要求符合要求:先寫公式，再帶入數據，先寫公式，再帶入數據，然后是然后是計算結果，單位。計算結果，單位。建議教材、參考書目與推薦網站建議教材、參考書目與推薦網站1建議教材建議教材（1）機械設計，濮良貴等主編，高等教育出版社，2007年2教學參考書教學參考書（1）機械設計基礎，黃華梁主編，高等教育出版社，2007年;（2）機械設計，

36、吳宗澤主編，高等教育出版社，2006年;（3）機械設計，邱宣懷等主編，高等教育出版社，2001年3推薦網站推薦網站:（1）高等教育出版社立體化教學網：http:/4A.HEP.EDU.CN（2）東南大學機械設計網站：http:/ 課程要求（1）了解疲勞曲線及極限應力曲線的意義及用途，掌握載荷和應力的分類及靜應力下機械零件的強度和穩定變應力下機械零件的強度計算。（2）熟悉影響疲勞強度的因素及提高零件強度的措施。 1. 判斷危險截面處的最大應力（判斷危險截面處的最大應力（、）是否小于或等于許）是否小于或等于許用應力（用應力（【】、【】）。）。強度條件：強度條件：強度判定時，比較的計算應力(、)是否

37、小于零件材料的許用應力(、)。即 ,SSSSlimlim,而，而2-1 判斷零件強度的方法判斷零件強度的方法 式中：，式中：，lim、lim分別為極限正應力和極限切應力；分別為極限正應力和極限切應力；S為安全系數。為安全系數。2. 判斷危險截面處的實際安全系數是否大于或等于許用安全系數。 limlim/ ,/SSS2-2 應力的種類應力的種類 不隨時間變化的應力，稱為靜應力。隨時間變化的應力，稱為變應力。具有周期性的變應力稱為循環變應力。 1. 靜應力下的許用應力靜應力下的許用應力 1）單向靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料，可按不發生塑性變形的條件進行計算。這時應

38、取材料的屈服極限s作為極限應力，故許用應力為： , SSSS BS22224 ,3 bTbT 對于用脆性材料制成的零件，應取強度極限B作為極限應力，其許用應力為： 2）復合應力時的塑性材料零件根據第三或第四強度理論確定其強度條件。 強度條件： 式中： bT彎曲應力；切應力根據第三強度理論近似取 2SS3SS22222=(/) =S SbSSTSSSSSS/或S /, 根據第四強度理論近似取 則復合安全系數計算式為： 2. 變應力的循環特性變應力的循環特性 maxminmaxminminmax,22marm平均應力； a應力幅值；max最大應力； min最小應力；r 應力比（循環特性） 描述規律

39、性的交變應力可有5個參數，但其中只有兩個參數是獨立的。 變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂 。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷積累到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發生的突然斷裂（未裂開的截面積不足以承受外載荷）。所以疲勞斷裂與應力循環次數(即使用期限或壽命)密切相關。 循環特性r一定時，應力循環N次后，材料不發生疲勞破壞時的最大應力，稱疲勞極限，以 表示。 不隨時間變化的應力，不隨時間變化的應力，稱為稱為靜應力靜應力隨時間變化的應力，隨時間變化的應力，稱為稱為變應力變應力具有周期性的變應力，具有周期性的變應力，稱為稱為循環變應力循環變應力變應力的循環特性變應力的循環特性 平均應力平

40、均應力 應力幅應力幅 應力循環中的最小應力與最大應力之比，可用來表應力循環中的最小應力與最大應力之比，可用來表示變應力中應力變化的情況，通常稱為變應力的循環特性，示變應力中應力變化的情況，通常稱為變應力的循環特性，用用r r表示，即：表示，即： 當當maxmax-minmin時，循環特性時，循環特性r=r=1 1，稱為對稱循環，稱為對稱循環變應力變應力，其，其a amaxmax= =一一minmin，m m=0=0。 當當maxmax00、minmin= =0 0時，循環特性時，循環特性r=0r=0，稱為脈動循，稱為脈動循環變應力環變應力 ( (圖圖d)d)，其，其a am m= =（1/21

41、/2）maxmax。靜應力可看。靜應力可看作變應力的特例，其作變應力的特例，其maxmaxminmin，循環特性，循環特性r r+1+1。2minmaxm2minmaxa3. 安全系數安全系數 安全系數定得正確與否對零件尺寸有很大影響。如果安全系數定得過大將使結構笨重；如定得過小，又可能不夠安全。 計算時采用查表法選取安全系數(或許用應力) 。 2-3 材料的疲勞特性材料的疲勞特性 1、 N疲勞曲線疲勞曲線材料的疲勞特性可用最大應力max、應力循環次數N、應力比（循環特性）r來描述。rNrN或在循環特性r下的變應力，經過N次循環后，材料不發生破壞的應力最大值稱為疲勞極限 表示循環次數N與疲勞極

42、限間的關系曲線，稱為疲勞曲線（N）。）。 AB段應力循環次數時的變應力為靜應力強度的狀況，即試件破壞時的最大應力值基本不變；BC段疲勞極限幾乎與循環次數的變化無關，稱為應變疲勞或低周疲勞，AC段合稱為低周循環疲勞，不介紹。 CD段有限壽命疲勞階段，即經過一定次數的交變應力作用后總會發生疲勞破壞，其上任一點所代表的疲勞極限，稱為有限壽命疲勞極限，用 表示（r-應力比，N-相應的應力循環次數），而機械零件的疲勞大多發生在sN曲線的CD段，可用下式描述： rNmrNCD()NCNNND點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區其方程為： rNrD)NN（rmmrNr0NNC即如果作用的變應力的最大

43、應力小于D點的應力，則應力無論變化多少次，材料均不會破壞。 表示D點對應的疲勞極限，D點對應的循環次數ND由于有時很大，所以在作疲勞試驗時，常規定一個循環次數N0(稱為循環基數)，用N0及其相對應的疲勞極限r來近似代表ND和 r，于是有 從而，有限壽命區間內循環次數N與疲勞極限rN的關系為： 式中， r、N0及m的值由材料試驗確定。 例：鋼材在彎曲疲勞和拉壓疲勞時，m=620，N0=（110）106，鋼制零件受彎曲疲勞時：中等尺寸零件取m=9，N0=5106，大尺寸零件取m=9，N0=5107. CD及D以后代表的疲勞稱高周循環疲勞，而零件的失效大都由高周疲勞引起。 2. 等壽命疲勞曲線（極限

44、應力線圖） 機械零件材料的疲勞特性除用N曲線表示外，還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達了不同應力比時疲勞極限的特性。在工程應用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。 用AC折線表示零件材料的極限應力線圖是其中一種近似方法。 直線 AD上任何一點代表了一定應力時的疲勞極限，橫軸上任何一點代表了應力幅等于零的應力，即靜應力，C上任何一點均代表 maxmaS的變應力狀況。 因而，零件材料（試件）的極限應力曲線即為折現AC。材料中發生的應力若處于OAC區域以內，表示不發生破壞，此區域意外，一定發生破壞，若處于折線上，則表示工作應力狀況正好達到極限狀態。 已知兩點坐標： 001(0,)(,)22AD及1a

45、m ma,求得A直線的方程為： 式中： 為試件受循環彎曲應力時疲勞極限的平均應力與應力幅值；為試件受循環彎曲應力時的材料常數，其值由試驗及下式決定： 1002對于碳鋼，0.10.2，對于合金鋼，0.20.3。 2-3 機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算 由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。 以彎曲疲勞極限的綜合影響系數表示材料對稱循環彎曲疲勞極限-1與零件對稱循環彎曲疲勞極限-1e的比值，即 11eK1K及則當已知 時，可估算出零件的對稱循環彎曲疲勞極限為 11eK在不對稱循環時，是試件與零件極限應力幅的比值。 一

46、零件的極限應力線圖一零件的極限應力線圖 將零件材料的極限應力線圖中的直線ADG 按比例向下移，成為圖所示的直線ADG，而極限應力曲線的 CG 部分，由于是按照靜應力的要求來考慮的，故不須進行修正。這樣就得到了零件的極限應力線圖。 已知兩點坐標： 01,0(0)22ADKK，及（，）111=eaeemeaeemeKK 或aemeS求得： 直線CG的方程為 10021=aemeeeKK為零件受循環彎曲應力時的極限應力幅；為零件受循環彎曲應力時的極限平均應力；為零件受循環彎曲應力時的材料常數11=1)-qqKkKk為彎曲疲勞極限的綜合影響系數，（式中：零件的有效應力集中系數（腳注 表示正應力條件，下

47、同）零件的尺寸系數；零件的表面質量系數；零件的強化系數。對于切應力，可仿照上式獲得。 機械零件可能發生的典型的應力變化規律有以下三種：應力比為常數：r=C 平均應力為常數m=C 最小應力為常數min=C。 疲勞強度計算是采用安全系數法判斷零件危險截面處的安全程度，其條件是：SS,這門課主要介紹簡單加載情況，即r=常數時單向應力狀態和復合應力狀態時的安全系數。二單向穩定變應力時的疲勞強度計算當進行零件疲勞強度計算時，需找到一個其應力比與零件工作應力的應力比相同的極限應力值，因為：當工作應力增長過程符合r=常數的規律，則 minmax/()/ ()(1-/)/ (1+/)=mamaamamr常數要

48、使r=常數， /am都必須保持不變，這時， am和應按 同一比例增長。 所以，應首先根據零件危險截面上的 max 及 min確定平均應力m與應力幅a，然后，在極限應力線圖的坐標中標示出相應工作應力點M或N。 11MN或11,OMON，得到或則射線上任何一個點所代表的應力循環均具有相同的應力比。并從坐標原點引射線通過工作應力點M或N、與極限應力曲線交于0110010-2:(0,),(,)=222amKKKADAGKK已知求得方程為：1aemeK 化簡得：:(0,0),(,),=maemaameOMOM已知求得方程為：meaema化簡得：1(,),MmeaemeaeM從而求出把和相加，可求出對應于

49、點的疲勞極限：11maxmaxae()mameamamKK 則計算安全系數 及強度條件式為： caSmaxlim1maxcaamSSK 相應切應力安全系數按上述過程進行符號替換即可。 1NCGSN對于塑性材料，工作點位于塑性安全區，此時對應于 點的極限應力點位于直線上，則其極限應力即為屈服極限即：工作應力為N點時，可能發生的是屈服失效，故只需進行靜強度計算。在工作應力為單向應力時，強度條件為： limmaxSScaamSS 對圖分析可知：凡是工作應力點位于OGC區域內時，在r=C的條件下，極限應力統稱為屈服極限，只需進行靜強度計算。 三、單向不穩定變應力時的疲勞強度計算 變應力 （對稱循環變應

50、力的最大應力或不對稱循環變應力的等效對稱循環變應力的應力幅）作用了n1次， 作用了n2次等。把此所示的應力圖放在材料的 坐標上，如上圖示。根據 曲線，可找出僅有 作用時使材料發生疲勞破壞的應力循環次數N1。假設應力每循環一次都對材料的破壞起相同作用，則應力 每循環一次對材料的損傷率即為1/ N1，而循環了n1次的 對材料的損傷率即為n1/ N1。如此類推，循環了n2次的 對材料的損傷率即為n2/ N2等。 當損傷率達到100%時，材料即發生疲勞破壞，故對應于極限狀況有： 112233/1nNnNnNmmrNr0NNC根據可得：1111020012() ,() ,.,()mmmiiNNNNNN1

51、1ziiInN則不穩定變應力的極限條件為： 1112201011(.)1zmiimmmizzmmnnnnNN如果材料在應力作用下未達到破壞，則 1011zmiiimnN101110111,zmmcaiicaizmiiicacamcanNnSSN令，稱為不穩定變應力的計算應力，這時為此時，計算安全系數四、雙向穩定變應力時的疲勞強度計算 當零件上同時作用有同相位的穩定對稱循環變應力a 和a時，由實驗得出的極限應力關系式為： 22aa1 e1 e1a1 e1 ea1111,aaaacaeeeeOMOCODSOCOCODODOMOCOD式中a及a為同時作用的切向及法向應力幅的極限值。 上式在 坐標系上

52、是一個單位圓，如圖示。 由于是對稱循環變應力，故應力幅即為最大應力。弧線 AMB 上任何一個點即代表一對極限應力a及a。 若作用于零件上的應力幅a及a如圖中M點表示，則由于此工作應力點在極限以內，未達到極限條件，因而是安全的。引直線OM與AB交于M點，則計算安全系數 22aa1e1e,1cacaacaaacaaSSSS 化簡得：，從而得：從強度計算觀點來看： 1eaa1eaa2222,1,=+cacacaSSSSS SSSSSS是零件上只承受切應力 時的計算安全系數，是零件上只承受法向應力時的計算安全系數，故亦即11=amamSSKK 及當零件上承受的兩個變應力均為不對稱循環的變應力時，可先求

53、出： 22=+c aSSSSS后代入 求出零件的計算安全系數。 五、提高機械零件疲勞強度的措施1.盡可能降低零件上的應力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。2.在不可避免地要產生較大應力集中的結構處，可采用減載槽來降低應力集中的作用。3.在綜合考慮零件的性能要求和經濟性后，采用具有高疲勞強度的材料，并配以適當的熱處理和各種表面強化處理。 4.適當提高零件的表面質量，特別是提高有應力集中部位的表面加工質量，必要時表面作適當的防護處理。5.盡可能地減少或消除零件表面可能發生的初始裂紋的尺寸，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。 減載槽2-3 機械零件的抗斷裂強度機械零件的

54、抗斷裂強度 在工程實際中，往往會發生工作應力小于許用應力時所發生的突然斷裂，這種現象稱為低應力脆斷。 通過對大量結構斷裂事故分析表明，結構內部裂紋和缺陷的存在是導致低應力斷裂的內在原因。 對于高強度材料，一方面是它的強度高（即許用應力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴展的能力要隨著強度的增高而下降。因此，用傳統的強度理論計算高強度材料結構的強度問題，就存在一定的危險性。 斷裂力學是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結構或構件的強度和變形規律的學科。工程中常認為裂紋尺寸大于0.1mm，稱為宏觀裂紋。斷裂力學建立了構件的裂紋尺寸、工作應力以及材料抵抗裂紋擴展能力三者之間的定量關系。 為了度量含裂紋結構體的強度

55、，在斷裂力學中運用了應力強度因子KI（或K、K）和斷裂韌度KIC (或KC、KC）這兩個新的度量指標來判別結構安全性， 即：KIKIC時，裂紋不會失穩擴展。KIKIC時，裂紋失穩擴展。單位為MPamm0.5。 斷裂力學在工程上主要應用于估計含裂紋構件的安全性和使用壽命，確定構件在工作條件下所允許的最大裂紋尺寸，可用斷裂力學指導結構的安全性設計。本節僅簡略介紹一些有關的基本概念，進一步了解和學習斷裂力學知識，可參考有關專著或教材。2-4 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度 當兩零件以點、線相接處時，其接觸的局部會引起較大的應力。這局部的應力稱為接觸應力。 這時零件強度稱為接觸強度。 對于線接觸

56、的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。 12H2212121111FBEE式中1和2 分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑, 其中正號用于外接觸，負號用于內接觸。F為作用于接觸面上的總壓力；B為初始接觸線長度；1、2分別為零件1和零件2材料的泊松比；E1和E2分別為零件1和零件2材料的彈性模量。接觸應力是不同于以往所學過的擠壓應力的。擠壓應力是面接觸引起的應力，是二向應力狀態，而接觸應力是三向應力狀態。接觸應力的特點是：僅在局部很小的區域內產生很大的應力。 疲勞點蝕疲勞點蝕 機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內約

57、的，在載荷重復作用下，首先在表層內約20m20m處產處產生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展( (如有潤滑油，如有潤滑油，則被擠進裂紋中產生高壓，使裂紋加快擴展則被擠進裂紋中產生高壓，使裂紋加快擴展) )，終于，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑一些小坑( (圖圖9-7)9-7)。這種現象稱為。這種現象稱為疲勞點蝕疲勞點蝕。疲勞點。疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲

58、。疲勞點蝕常是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效形式。疲勞點蝕常是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效形式。接觸疲勞強度接觸疲勞強度 接觸疲勞強度的判定條件為：接觸疲勞強度的判定條件為：H HH H ，而，而H H= = Hlim Hlim /S/SH H式中式中HlimHlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，對于為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，對于鋼，其經驗公式為鋼，其經驗公式為HlimHlim=2.76HBS-70(MPa).=2.76HBS-70(MPa).若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。作用在兩圓柱體上的接觸應力具有大小相限

59、為準。作用在兩圓柱體上的接觸應力具有大小相等，方向相反，且左右對稱及稍離接觸區中線即迅等，方向相反，且左右對稱及稍離接觸區中線即迅速降低等特點。由于接觸應力是局部性的應力，故速降低等特點。由于接觸應力是局部性的應力，故安全系數安全系數S SH H可取等于或稍大于可取等于或稍大于1.1.一、機械傳動在機械中的作用和分類一、機械傳動在機械中的作用和分類 許多機器由原動機、傳動裝置、工作機和控制系統組成原動機常許多機器由原動機、傳動裝置、工作機和控制系統組成原動機常采用電動機，電動機的轉速較高，一般為單向、連續、恒速轉動，而采用電動機，電動機的轉速較高，一般為單向、連續、恒速轉動，而工作機要求的運動

60、方式多種多樣為了滿足工作機的要求，在電動機工作機要求的運動方式多種多樣為了滿足工作機的要求，在電動機和工作機之間安排了傳動裝置。和工作機之間安排了傳動裝置。 傳動裝置的作用：減速或增速，有級或無極變速，實現有規律的停歇、反減速或增速，有級或無極變速，實現有規律的停歇、反轉分離或接合，改變運動形式（如把轉動變成擺動或移動轉分離或接合，改變運動形式（如把轉動變成擺動或移動) )，運動的合成或分，運動的合成或分解解( (把一個原動機的動力分配給幾個工作機或把幾個主動軸的運動合成，傳給把一個原動機的動力分配給幾個工作機或把幾個主動軸的運動合成，傳給一個從動軸一個從動軸) )等近年來，在機電一體化的產品