前 言
机械零件设计概述
机械零件的强度
机械制造中常用材料及其选择
公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
前 言
例, 机构 →齿轮机构 (三个构件 )
齿轮 1,齿轮 2、机架 3
轴、轴承、套筒等 →轴系零件
构件 ←零件 →制造的单元
齿轮 →传动件
键 →联接件
1
2
构件 1←
(小齿轮 )
3
(一 ) 机械零件的简介,
最基本的
通用零件
(二 )课程特点与学习方法
机原研究
对象 →机构 ←构件 →运动的单元
传动零件
轴系零件
联接零件
附件
机架
机械零件 →
→一般尺寸参数的通用机械零件的设计
总论 →螺纹联接 →齿轮传动 →蜗杆传动 →滑动轴承
→ 滚动轴承 →键联接 →联轴器与离合器 →轴 →
带传动 →链传动
繁杂(门类多、关系多、要求多、
公式多,图形多、表格多)
(二 )课程特点与学习方法
本课程研究对象,
讲课顺序,
通用零件
专用零件(机架、手柄、车轮,.....)
分析处理问题的思路,
特点,
分析处理问题的思路, ∵ (任务)设计零件 →
*受力分析 ( *载荷及应力分析 ←功用,*工作原理 )

*失效形式 ( *主要失效形式 ←分类)
*计算准则 (公式建立的依据)

强度计算 ( *设计方法 →先定主参数 * ←*许用应力
↓ ←材料)
结构设计 (尺寸及绘图 ←结构特点、标准)









∴ (抓住 )计算准则 ∴ 学习贯穿一条线:
§ 9-1 机械零件设计概述 p.113
(一 )机械设计应满足的要求 P.113第 7
(二 )设计机械零件应满足的要求
* 避免在预定寿命周期内失效
-机械零件由于某种原因不能正常工作
-在不发生失效的条件下,零件所能安全
工作的限度
(三 ) 机械零件的主要失效形式及计算准则
→既要可靠,又要成本低 p.113第 9
失效
工作能力
承载能力 →对载荷而言
(三 ) 机械零件的主要失效形式及计算准则
强度、刚度、振动稳定性、
破坏正常工作条件
计算准则 →┌强度准则
├刚度准则
├振动稳定性准则
└其它准则
→主要 →介绍
失效形式 →
一、强度准则
( 1)失效形式 (2)计算准则
SB?? ?
SS?? ?
Sr?? ?2,表面强度,
p.119,p.121
→疲劳破坏
整体断裂 (脆性材料 )
过大的残余变形
(塑性材料)
→整体
破坏



→疲劳断裂 (塑、脆性材料 )
→疲劳强度
1,整体强度,
变应力



? ?
?
表面磨损, p ≤[ p ] (比压、压强 )→耐磨性
表面压溃, p≤ [ p] (挤压应力 ) →挤压强度
接触疲劳, H≤[ H] (接触应力 ) →接触强度 (点蚀 )?
过大的弹性变形 y ≤[y ] 刚度
(机器振幅不能超过许可值 )
共振:机器内的激振源频率 ≈零件固有频率
(重合或整数倍) →破坏
破坏正常工作条件引起的失效(联接松动、带
传动打滑、腐蚀、过热,.....)
二, 刚度,
三, 振动稳定性,
四, 其它:
(零件抵抗弹性变形的能力 )
失效形式 计算准则
§ 9-2 机械零件的强度 p.114
(一 )载荷及其分类
名义载荷-
载荷系数-
计算载荷-
名义应力-
计算应力-
1.基本定义,
p.114第 7
p.114第 8
名义载荷与载荷系数的乘积 KF,KT,KM
p.114第 9
p.114第 10
强度 → 零件承受载荷后,抵抗发生断裂或超过
容许限度的残余变形的能力 →与载荷及应力有关
(二 )应力及分类,
(三 )机械零件的强度计算
2.载荷的分类,(按大小及方向是否变化 ) 静载荷变载荷
?当 σmax,σmin均维持常数 →稳定交变应力
?当 σmax和 σmin的数值随时间而改变 →不稳定的变应力
交变应力-随时间作周期性变化的应力
(二 )应力及分类,
*一个应力循环 →构件中的应力由“最大值
→最小值 →最大值”的这一过程。
(σmax- σmin)/ 2 →应力幅 σa
σa
t
σ
σm
1.分类
2.交变应力的特征及典型的交变应力
*最大应力 σmax
*最小应力 σmin
静应力 →不随时间变化,N ≤103
变应力 →不断随时间变化 稳定变应力
不稳定变应力
→平均值
(平均应力 σm)
*变化规律 →σmin/ σmax=γ →应力循环特性
*N →应力循环次数
→γ= - 1→对称循环~
图 9-1,C
当 σmin= 0 (或 σmax= 0)
当 σmax= σmin →γ=+ 1 →静应力 图 a
→γ= 0 →脉动循环~ 图 d
当 σm= 0 (σmax=- σmin)
t
σ
t
σ
t
σ
t
σ
非对称~ 对称~γ=- 1 脉动~γ= 0静~γ=+1
(三 )机械零件的强度计算 P.115
强度计算通式 → σ≤σlim/s =[σ](正应力)
τ≤τlim/s =[τ] (切应力)
关键, ① σ的计算 ② [σ]的取值
1.失效形式, 2.许用应力 [σ]
塑性材料 →过大的残余变形
(正确运用材力有关公式 ):
② 复合应力, →材料力学基本强度理论
一.静应力作用下的强度计算 P.115第 8
脆性材料 →断裂
σs /S-屈服极限
σB /S-强度极限
二.变应力作用下的强度计算① 简单应力,(单向应力) → 拉 σ=F/A ;弯 σF =M/W ; 剪 τ=F/A ; 扭 τT =T/W T
3.计算应力
二.变应力作用下的强度计算 P.115第 18
1.失效形式,
[σ]=σr /S ; [τ]=τr/S
疲劳极限 =?
σr→
τr
2.许用应力,
零件本身 应力集中 (k σ有效应力集中系数
绝对尺寸 (εσ尺寸系数 )
表面质量 (β表面状态系数 )
N →( σ-N)疲劳曲线
→疲劳断裂 (图 9-2 p.116)→
与应力性 质、大小、N有关)
γ→σ-1,σ0,σ+1 (应力性 质 )
① 疲劳曲线②零件本身③许用应力3.计算应力 4.安全系数
K σ,εσ,β→ p.116第 10 →公式 (9-7)(9-8)② 零件本身,
① 疲劳曲线,
当 N≥N0, σrN= σ-1
→当 σ< σ-1→无限循环不破坏
当 N< N0,
mrN NN 01?? ??
( 9- 6)
σ
NN0N
N0-循环基数
CNmrN ???
σrN:对应 N的疲劳极限
图 9-3 p.116
N↑→ σrN ↓
σ- 1:γ=- 1的疲劳极限 (N=N0)
③ 许用应力,
? ?
Sk ?
??? ?
?
?
? ???? 1
1 ? ? Sk ?
???
?
? ???? 0
0
对称,γ=- 1 脉动,γ= 0
01 NN
mm
rN ??? ???
3.计算应力, (σmax, σmin)
① 简单应力 →σ= σmax ; τ= τmax
② 复合应力 →材料力学基本强度理论
4.安全系数, p.116倒 4
作业,9-11,9-12 (σ- 1≈ 0.7σ0) p.129
§ 9-5 机械制造中常用材料及其选择 p.122
一,钢,含C量< 1.4% →常用牌号及力学性质 (表 9-1)
碳素钢 (含S、P量 )→普通、优质碳素钢
合金钢 →结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢 ……
低碳钢 (C) 0.1~ 0.25,中碳钢 0.3~ 0.5,高碳钢> 0.55
二, 铸钢,含C →( 0.15~ 0.6)% →易成型
三,有色金属,有特殊性能 (减摩、抗腐、电 … ),
价昂 →多用铜合金 →其它少用
四, 非金属, 塑料、橡胶
铸铁, 含C> 2.06% →易成型、价廉、吸振、
可靠性差
(一 )常用材料 (二 )材料热处理
(二 )材料热处理
一,目的,
二,方法,
退火,
退火、正火、淬火、回火、表面热处理
正火,
将零件加热到某一温度 →保温 →随炉冷却
加热到某一温度 →保温 →较快冷却 (例空冷 )
→消除内应力,硬度减小 →改善切削性能
1.改变金属内部结构 提高材料力学性能
2.消除内应力 (加工,热处理 )
→ 硬度,强度有所提高
消除内应力 (不如退火 )
淬火,
回火,
硬度大大提高 →耐磨性,疲劳强度提高
内应力增大 →需消除 (回火 )→
综合力学性能较好 (强度、硬度、塑性、
韧性 ) →结构件 →调质
内应力及脆性均较大 ↓,硬度 ↓,弹性 ↑
→弹簧
内应力及脆性均 ↓,硬度及强度均较高
→刀具
低温~ →
中温~ →
高温~ →
加热到某一温度 →保温 →急速冷却
加热到某一温度 (较低 )→保温 →冷却 (空冷 )
表面热处理, 强化零件表面
→表面淬火,化学热处理
→表面硬度及耐磨性 ↑芯部韧性不变
将某种化学元素 (活性原子 )渗入
零件表面 →力学性能 ↑
→表面很硬,芯韧
表面硬度、耐磨性、
抗蚀性、疲劳强度 ↑→
表面迅速加热 →急冷 →低温回火
渗碳 (碳原子 ):
氮化 (氮原子 ):
氰化 (碳 +氮 ):
表面淬火,
化学热处理,
§ 9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列
一,公差与配合,p.124→互换性 手册 P.167
同一基本尺寸的孔与轴的结合
→┌间隙 配合 →孔>轴
│过渡 配合 →孔<轴或孔>轴
└过盈 配合 →孔<轴
公差:
公差等级,
配合:
?35H7/f7
?35H7/r7
?35H7/k7→静联

轴 (f7, k7,r7) ; 孔 (F7,H7, K7)
二,表面粗糙度
三,优先数列
零件尺寸的两个极限尺寸之差
(尺寸精度等级 ),1~ 20级,常用 4~ 11级
公差代号,轴 →小写 拉丁字母- f,k,r
孔 →大写 - H,G,K
→置于公差代号之后
上偏差
下偏差
→动联接
配合
制度
基孔制 →孔的下偏差= 0
→零件表面的微观几何形状误差
→(评定)轮廓算术平均偏差 (表面粗糙度Ra )
→表 (9- 3) p.127
5 10? 1010
2010 4010
→便于组织生产和降低成本GB 321- 80
R 5 →公比 ; R 10 →公比 =
R 20 →公比 = ; R 40 →公比 =
p.126 倒 2
二,表面粗糙度 p.126 手册 P.175
配合
制度,
三,优先数列, p.126 手册 P.117
)00 2 5.0(740 ?H?
)0 2 5.0 0(740 ?h?
→常用基孔制
基轴制 →轴的上偏差= 0
§ 9-7 机械零件的工艺性及标准化 p.127
一,工艺性, P127第 6
工艺性好 →易加工、装配,费用低 →工艺性审查
二,标准化,
两重含意,
分类,
使用强制性
推荐使用:
尽量选用标准件
按有关标准设计机械零件
国际 ISO、国家 GB、行业标、
(JB,YB,QB)、地方标、企业标准
制图、公差、
形位、模数 ……
标准直径 手册 P.117
→ 必须执行:
运用范围 →
小结,
1.基本概念,
失效、承载能力、主要失效形式及计算准则
强度 (整体-整体断裂、过大的残余变形、疲劳断裂、
表面-磨损、压溃、点蚀 )
刚度-过大的弹性变形
载荷 (名义、计算、静载荷、变载荷 )
应力 (计算、静、变应力、简单应力、复合应力 )
交变应力 (特征- σmax,,σmin,σa, σm, γ,N
典型的交变应力- )
t
σ
t
σ
t
σ
t
σ

γ=+1 非对称
对称
γ=- 1
脉动
γ= 0
2.机械零件的强度计算
3.常用材料、公差与配合
4.机械零件的工艺性及标准化