PPT课件《机械设计基础》第二章：机械设计的基础理论.ppt

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第第22章章机械设计的基础理论机械设计的基础理论2-1机械零件的失效与设计基本要求机械零件的失效与设计基本要求2-2机械零件的强度机械零件的强度2-3机械系统的机械系统的摩擦学设计摩擦学设计2-4零件制造常用材料及其选择零件制造常用材料及其选择2-5机械设计中的标准化和互换性机械设计中的标准化和互换性2-6机械设计中的工艺性机械设计中的工艺性基本要求基本要求l了解机械零件设计的基本要求和设计步骤；了解机械零件设计的基本要求和设计步骤；l掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则；设计准则；l了解接触强度及其设计准则；了解接触强度及其设计准则；l了解干摩擦、边界摩擦、混合磨擦和流体摩擦的机理和物了解干摩擦、边界摩擦、混合磨擦和流体摩擦的机理和物理特征；理特征；l了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标；了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标；l了解机械制造常用材料及其选择原则；了解机械制造常用材料及其选择原则；l了解机械设计中标准化的意义及相关概念；了解机械设计中标准化的意义及相关概念；l了解机械零件工艺性的基本要求。

了解机械零件工艺性的基本要求。

2.1机械零件的失效与设计基本要求机械零件的失效与设计基本要求一、失效概念（一、失效概念（Failure）设计的使用条件下设计的使用条件下设计的寿命期限内设计的寿命期限内不能完成不能完成设计的功能设计的功能失效失效零零件件例例:

齿轮轴断裂齿轮轴断裂失失效效二、失效形式（二、失效形式（Failuretypes）1、整体断裂、整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏、表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形过大弹性变形过大弹性变形3、变形、变形过大过大胶合胶合4、过大振动、过大振动腐蚀腐蚀避免在预定寿命期内失效的要求避免在预定寿命期内失效的要求结构工艺性要求结构工艺性要求经济性要求经济性要求质量小的要求质量小的要求可靠性要求可靠性要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：

以下要求：

三、三、设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求提高零件强度的措施有：

提高零件强度的措施有：

采用高强度的材料；采用高强度的材料；使零件具有足够的截面尺寸；使零件具有足够的截面尺寸；合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。

合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。

1）强度要求强度要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。

应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。

1、避免在预定寿命期内失效的要求、避免在预定寿命期内失效的要求提高零件刚度的措施有：

提高零件刚度的措施有：

增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；缩短支承的跨距或采用多点支承。

缩短支承的跨距或采用多点支承。

2）刚度要求刚度要求零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求刚度要求。

刚度：

刚度：

指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。

性变形而失效。

例如：

机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。

例如：

机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。

y可以是挠度、偏转角或扭转角可以是挠度、偏转角或扭转角抗腐蚀的措施有：

抗腐蚀的措施有：

表面发兰（发黑）；表面发兰（发黑）；表面镀层；表面镀层；表面涂漆；表面涂漆；表面阳极化。

表面阳极化。

零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。

零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。

大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。

影响疲劳强度的因素有：

零件破坏的主要原因。

影响疲劳强度的因素有：

应力集中；应力集中；零件的尺寸大小；零件的尺寸大小；零件表面质量及环境状况：

零件表面质量及环境状况：

3）寿命要求寿命要求影响零件寿命的主要因素有：

影响零件寿命的主要因素有：

疲劳破坏疲劳破坏腐蚀腐蚀磨损磨损2、结构工艺性要求、结构工艺性要求零件工艺性良好的标志零件工艺性良好的标志-在具体的生产条件下，在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。

零件要便于加工而加工费用又很低。

工艺性的基本要求：

工艺性的基本要求：

1）毛坯选择合理毛坯选择合理毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。

毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。

单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。

单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。

大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。

大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。

2）结构简单合理结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；尽量采用标准件；尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；螺纹、键、齿轮模数等）的数量；3）合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。

决不能盲目追求高精度，应在剧增加。

决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。

4）尽量减小零件的加工量尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。

毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。

力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。

力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。

尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。

末冶金等先进工艺满足上述要求。

欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。

3、经济性要求、经济性要求零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。

零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。

简化零件的结构，降低材料消耗；简化零件的结构，降低材料消耗；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；大型零件采用组合结构而非整体结构；大型零件采用组合结构而非整体结构；尽量采用标准件。

尽量采用标准件。

减小质量的措施：

减小质量的措施：

采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率；力的均匀性，提高材料的利用率；采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件的工作载荷；的工作载荷；采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；采用强重比高的材料。

采用强重比高的材料。

44、质量小的要求、质量小的要求减小质量减小质量的好处：

的好处：

节约材料；节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。

减小惯性，改善机器的动力性能。

5、可靠性要求、可靠性要求零件的实效是随机发生的，其原因是零件所受的零件的实效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是等因素是随机变化的。

为了提高零件的可靠性，就应当在工作随机变化的。

为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。

条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。

系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

规定功能的能力。

可靠度：

表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定可靠度：

表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率功能的概率强度准则强度准则刚度准则刚度准则振动稳定性准则振动稳定性准则耐热性准则耐热性准则可靠性准则可靠性准则四、机械零件设计准则四、机械零件设计准则因为失效类型不同，所以机因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同故机械零件的计算准则也不同五、五、机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤1）根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。

根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。

为此，必须对各种零件的不同为此，必须对各种零件的不同类型类型、优缺点优缺点、特性特性和和使用使用范围范围等，进行综合对比与正确选用。

等，进行综合对比与正确选用。

2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

3）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求根据零件的工作条件及对零件的特殊要求（如高温环境等如高温环境等）选择适当的材料。

选择适当的材料。

4）根据零件的根据零件的失效形式失效形式，确定零件的，确定零件的计算准则计算准则，通，通过计算，确定零件的过计算，确定零件的基本尺寸基本尺寸。

5）根据工艺性和标准化，进行零件的根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计结构设计。

（绘制草图）。

（绘制草图）6）细节设计完成之后，必要时细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。

算，以判定结构的合理性。

7）绘制零件工作图，并撰写计算说明书。

绘制零件工作图，并撰写计算说明书。

为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有两种：

算，常用的计算方法（过程）有两种：

1）设计计算设计计算：

先分析零件的可能失效形式，根据：

先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。

构尺寸。

2）校核计算校核计算：

先确定零件的结构尺寸，然后再验算：

先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。

如不满足，则应修改零零件是否满足计算准则。

如不满足，则应修改零件的尺寸。

件的尺寸。

按名义载荷求得的应力称为按名义载荷求得的应力称为名义应力名义应力按计算载荷求得的应力称为按计算载荷求得的应力称为计算应力计算应力在在理想理想的的平稳平稳工作条件下作用在零件上的载工作条件下作用在零件上的载荷称为荷称为名义载荷名义载荷机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入常引入载荷系数载荷系数K来估计这些因素的影响。

来估计这些因素的影响。

名义载荷与载荷系数的乘积称为名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷计算载荷2.2机械零件的强度机械零件的强度一、载荷和应力一、载荷和应力1.载荷载荷动载荷动载荷：

由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷：

由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷静载荷静载荷变载荷变载荷按按是否随时间变化是否随时间变化，载荷，载荷2.应力应力静应力静应力变应力变应力max最大应力；最大应力；min最小应力最小应力m平均应力；平均应力；a应力幅值应力幅