1、機電工程學院機電工程學院 牟世剛牟世剛2.1 機器應滿足的要求和設計制造程序機器應滿足的要求和設計制造程序 2.2 機械零件設計的基本知識機械零件設計的基本知識 2.3 機械工程常用材料機械工程常用材料 2.4 機械零件的強度機械零件的強度 2.5 機械零件的結構工藝性機械零件的結構工藝性 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 2.7 現(xiàn)代機械設計方法簡介現(xiàn)代機械設計方法簡介 第二章 機械設計基礎概論1.使用要求使用要求 使用期內保證實現(xiàn)預定的功能，達到規(guī)定使用期內保證實現(xiàn)預定的功能，達到規(guī)定的性能的性能。2.1 機器應滿足的要求和設計制造程序機器應滿足的要求和設計制造程序 2.1.1機械

2、應滿足的要求機械應滿足的要求2.經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求-機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，設計機器時就要全面綜合和使用的全過程中，設計機器時就要全面綜合地進行考慮。地進行考慮。設計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用設計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護費用等。及低的管理和維護費用等。提高設計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有提高設計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有: : 1 1）采用先進的現(xiàn)代設計方法）采用先進的現(xiàn)代設計方法(CAD)(CAD)，使

3、設計參數(shù)最，使設計參數(shù)最優(yōu)化優(yōu)化, ,達到盡可能精確的計算結果達到盡可能精確的計算結果, ,保證機器足夠的可保證機器足夠的可靠性?？啃?。2 2）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、部件。部件。提高設計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有提高設計和制造經(jīng)濟性指標的主要途徑有: : 3 3）盡可能采用新技術、新工藝、新結構和新材料。）盡可能采用新技術、新工藝、新結構和新材料。4 4）合理地組織設計和制造過程。）合理地組織設計和制造過程。5 5）力求改善零件的結構工藝性，使其用料少、易加）力求改善零件的結構工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。工、易裝配。1

4、1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提 高機器的生產(chǎn)率。高機器的生產(chǎn)率。提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有提高使用經(jīng)濟性指標的主要途徑有: : 2 2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間 環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。3 3）適當?shù)夭捎梅雷o及潤滑，以延長機器的使用壽命。）適當?shù)夭捎梅雷o及潤滑，以延長機器的使用壽命。4 4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。1)要使機器的操作者方便和安全。因此設計時要按照要使機器的操作者方便和安全。因此設計

5、時要按照人人機工程學機工程學的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的人們的 心理和習慣。同時，設置完善的安全裝置、報警心理和習慣。同時，設置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。裝置、顯示裝置等。2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設計的機器應符合勞）改善操作者及機器的環(huán)境。所設計的機器應符合勞動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲水平，防止動保護法規(guī)的要求。降低機器運轉時的噪聲水平，防止有毒、有害介質的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理。有毒、有害介質的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進行治理。3.社會要求（勞保和環(huán)保要求）社會要求（勞保和環(huán)保要求） 奇瑞：沖壓

6、車間奇瑞：沖壓車間奇瑞的沖壓車間擁有奇瑞的沖壓車間擁有7條自動化生產(chǎn)線，自動化設備分別由德國和意大利所制條自動化生產(chǎn)線，自動化設備分別由德國和意大利所制造。奇瑞造。奇瑞A3的沖壓線為的沖壓線為32線，這條生產(chǎn)線擁有線，這條生產(chǎn)線擁有5臺壓力機、臺壓力機、7臺機器人、臺機器人、1臺臺涂油機，涂油機，2個拆垛小車，以及對中臺、磁性皮帶機等設備，以個拆垛小車，以及對中臺、磁性皮帶機等設備，以67次次/分鐘的生分鐘的生產(chǎn)節(jié)拍承擔著車型表面制件的生產(chǎn)。產(chǎn)節(jié)拍承擔著車型表面制件的生產(chǎn)。焊裝車間：焊裝車間：62臺臺“變形金剛變形金剛”高效高效“打工打工”焊裝車間中，焊裝車間中，“變形金剛變形金剛”的英姿幾乎

7、做到了無所不在。焊接的英姿幾乎做到了無所不在。焊接“變形金剛變形金剛”、轉運、轉運“變形金剛變形金剛”、激光檢測、激光檢測“變形金剛變形金剛”。龐大的機器人手忙碌于各處，仿佛有自己。龐大的機器人手忙碌于各處，仿佛有自己意志般精準的工作。意志般精準的工作。失效失效-機械零件喪失規(guī)定的工作能力或達不到機械零件喪失規(guī)定的工作能力或達不到設計要求的性能時，稱為設計要求的性能時，稱為失效失效4可靠性要求可靠性要求機器的可靠性機器的可靠性-指在規(guī)定的使用壽命和工況指在規(guī)定的使用壽命和工況條件下機器完成規(guī)定功能的能力條件下機器完成規(guī)定功能的能力,能夠正常工作能夠正常工作。其它專用要求其它專用要求-針對不同機

8、器所特有的要求。針對不同機器所特有的要求。例如：例如：1)對機床有長期保持精度的要求；對機床有長期保持精度的要求；2 2)對飛機有質量小，飛行阻力小而運載能力大對飛機有質量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；的要求；3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取Υ笮蜋C器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取?.其它特殊要求其它特殊要求一般程序可行性研究階段可行性研究階段方案設計階段方案設計階段技術設計階段技術設計階段施工設計階段施工設計階段對所設計的機器需求情況進行充分對所設計的機器需求情況進行充分調查分析，明確機器功能及約束條調查分析

9、，明確機器功能及約束條件，形成設計任務書。件，形成設計任務書。分析機器功能，確定功能參數(shù)，分析機器功能，確定功能參數(shù)，擬定多種方案并進行綜合評價。擬定多種方案并進行綜合評價。確定原動機參數(shù)及各運動構件的運確定原動機參數(shù)及各運動構件的運動參數(shù)，確定主要零件上的載荷大動參數(shù)，確定主要零件上的載荷大小、特性，依工作能力設計準則初小、特性，依工作能力設計準則初步完成零件基本尺寸的確定，作出步完成零件基本尺寸的確定，作出零部件裝配草圖及總裝配草圖，完零部件裝配草圖及總裝配草圖，完成主要零件的校核計算。成主要零件的校核計算。零部件裝配圖及總裝配圖，編零部件裝配圖及總裝配圖，編制制設計計算說明書、使用說明書

10、及設計計算說明書、使用說明書及其它技術文件其它技術文件。2.1.2 2.1.2 機器設計、制造的一般程序機器設計、制造的一般程序 樣機試制階段樣機試制階段投產(chǎn)銷售階段投產(chǎn)銷售階段基于基于proe的汽車發(fā)動機蓋鎖虛擬設計與分析的汽車發(fā)動機蓋鎖虛擬設計與分析 斷裂實例2.2.12.2.1機械零件的工作能力和計算準則機械零件的工作能力和計算準則 1.1.失效失效：機械零件喪失規(guī)定的功能。：機械零件喪失規(guī)定的功能。 2.2.工作能力工作能力：在不發(fā)生失效的條件下，在規(guī)定期限內，在不發(fā)生失效的條件下，在規(guī)定期限內，零件所能工作的限度，稱為零件的工作能力零件所能工作的限度，稱為零件的工作能力，通常這，通常

11、這個限度是對載荷而言，所以又稱承載能力。個限度是對載荷而言，所以又稱承載能力。 2.2 機械零件設計的基本知識機械零件設計的基本知識 斷裂實例疲勞斷裂實例塑性變形實例齒面磨損實例疲勞點蝕圖例齒面上的疲勞點蝕齒面上的疲勞點蝕3.3.機械零件的失效原因：機械零件的失效原因： (1)(1)強度（金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂強度（金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度）不夠，發(fā)生斷裂，如輪齒折斷；的能力稱為強度）不夠，發(fā)生斷裂，如輪齒折斷；(2)(2)剛度剛度（機械零件和構件抵抗變形的能力）（機械零件和構件抵抗變形的能力）不夠，不夠，發(fā)生過度的彈性變形，如軸的撓度和轉角過大；發(fā)

12、生過度的彈性變形，如軸的撓度和轉角過大；(3)(3)磨損嚴重，使零件損壞或喪失精度，如輪齒過磨損嚴重，使零件損壞或喪失精度，如輪齒過度磨損；度磨損；(4)(4)摩擦力不夠，如帶傳動打滑；摩擦力不夠，如帶傳動打滑；(5)(5)強烈的共振，如軸所受干擾力頻率接近自振頻強烈的共振，如軸所受干擾力頻率接近自振頻率時將引起共振，等等。率時將引起共振，等等。4.4.零件工作能力的判定條件零件工作能力的判定條件( (零件的計算準則零件的計算準則) )(1)(1)強度判定條件，應力強度判定條件，應力許用應力；許用應力； (2)(2)剛度判定條件，變形量剛度判定條件，變形量許用變形量；許用變形量； (3)(3)

13、耐磨性判定條件，壓強耐磨性判定條件，壓強許用壓強；許用壓強； 判定條件可概括為：計算量判定條件可概括為：計算量許用量許用量 2.2 機械零件設計的基本知識機械零件設計的基本知識 2.2.2 2.2.2 機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟 1.根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型或結構；根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型或結構；2.根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇合適的材料根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求，選擇合適的材料和熱處理方法；和熱處理方法；3.根據(jù)零件的工作情況，確定作用于零件上的載荷根據(jù)零件的工作情況，確定作用于零件上的載荷 (包括建立包括建立力學模型、進行載荷分

14、析和計算、考慮各種因素對載荷的影響力學模型、進行載荷分析和計算、考慮各種因素對載荷的影響及確定零件的計算載荷及確定零件的計算載荷)； 4.根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定計算準則，并計算和確根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定計算準則，并計算和確定出零件的基本尺寸；定出零件的基本尺寸； 5.根據(jù)工藝性和標準化等要求進行零件的結構設計；根據(jù)工藝性和標準化等要求進行零件的結構設計； 6.必要時應對零件進行校核計算；必要時應對零件進行校核計算； 7.繪出零件的工作圖。繪出零件的工作圖。2.2 機械零件設計的基本知識機械零件設計的基本知識 2.2.3 2.2.3 機械零件的標準化機械零件的標準化 1.1.

15、三化三化 ：零部件的標準化、通用化和產(chǎn)品系列化：零部件的標準化、通用化和產(chǎn)品系列化 (3)(3)系列化系列化:對同一類產(chǎn)品，在同一基本結構或基本尺寸條件下，對同一類產(chǎn)品，在同一基本結構或基本尺寸條件下，規(guī)定出若干種不同尺寸參數(shù)的產(chǎn)品，形成系列。規(guī)定出若干種不同尺寸參數(shù)的產(chǎn)品，形成系列。 (1)(1)標準件標準件: 按規(guī)定標準生產(chǎn)的零件稱為標準件。按規(guī)定標準生產(chǎn)的零件稱為標準件。(2)(2)通用化通用化：在系列產(chǎn)品內部或在跨系列產(chǎn)品之間采用同一結構：在系列產(chǎn)品內部或在跨系列產(chǎn)品之間采用同一結構和尺寸的零部件。和尺寸的零部件。2.2 機械零件設計的基本知識機械零件設計的基本知識 2.2.三化的重要

16、意義三化的重要意義 （1 1）采用標準結構及零部件，可簡化設計工作，縮短設計周期，提高）采用標準結構及零部件，可簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量，有利于把主要精力用于關鍵零件、部件的設計；設計質量，有利于把主要精力用于關鍵零件、部件的設計；（2 2）可在專門工廠采用先進技術大規(guī)模集中生產(chǎn)標準零部件，有利）可在專門工廠采用先進技術大規(guī)模集中生產(chǎn)標準零部件，有利于節(jié)約原材料和能源，保證產(chǎn)品質量、降低成本；于節(jié)約原材料和能源，保證產(chǎn)品質量、降低成本； （3 3）增大互換性，便于用戶使用和維修；）增大互換性，便于用戶使用和維修；（4 4）有利于改進和提高產(chǎn)品質量、擴大生產(chǎn)批量和開發(fā)新品種。）有

17、利于改進和提高產(chǎn)品質量、擴大生產(chǎn)批量和開發(fā)新品種。3.3.我國現(xiàn)行的標準有：我國現(xiàn)行的標準有：國家標準國家標準(GB、 GB/T)部頒標準部頒標準(如機械部標準如機械部標準JB、冶金部、冶金部 標準標準YB等等)企業(yè)標準企業(yè)標準 出口產(chǎn)品應采用國際標準出口產(chǎn)品應采用國際標準(ISO)2.3 機械工程常用材料機械工程常用材料 2.3.12.3.1常用工程材料簡介常用工程材料簡介 機械工程中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬及其合金。機械工程中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬及其合金。非金屬材料如工程塑料、橡膠、尼龍、木材、石墨、陶瓷等也在某非金屬材料如工程塑料、橡膠、尼龍、木材、石墨、

18、陶瓷等也在某些場合應用。些場合應用。機械工程常用的材料和應用舉例機械工程常用的材料和應用舉例 常用鋼鐵材料的牌號及力學性能常用鋼鐵材料的牌號及力學性能 機械工程常用的材料和應用舉例(1)機械工程常用的材料和應用舉例(2)常用鋼鐵材料的牌號及力學性能 2.3 機械工程常用材料機械工程常用材料 2.3.2 2.3.2 金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理 許多金屬材料，可以用整體熱處理或表面熱處理的方法改變其許多金屬材料，可以用整體熱處理或表面熱處理的方法改變其整體或表面的物理、力學性能，發(fā)揮其使用潛力。例如，合金鋼如整體或表面的物理、力學性能，發(fā)揮其使用潛力。例如，合金鋼如不經(jīng)熱處理，其力學性能并不

19、明顯優(yōu)于碳素鋼。為充分發(fā)揮合金鋼不經(jīng)熱處理，其力學性能并不明顯優(yōu)于碳素鋼。為充分發(fā)揮合金鋼的作用，合金鋼零件一般都需經(jīng)過熱處理。的作用，合金鋼零件一般都需經(jīng)過熱處理。鋼的常用整體熱處理方法及應用鋼的常用整體熱處理方法及應用 鋼的表層熱處理和化學熱處理鋼的表層熱處理和化學熱處理 熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內部的金相組織結構通過改變材料表面或內部的金相組織結構,來控制其性能的一來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。種金屬熱加工工藝。鋼的常用整體熱處理方法及應用 鋼的表層熱處理和化學熱處理 2.3 機械工程常

20、用材料機械工程常用材料 2.3.32.3.3金屬零件的表面處理金屬零件的表面處理 表面處理是使金屬表面產(chǎn)生一層覆蓋層，以達到防腐、改善性能表面處理是使金屬表面產(chǎn)生一層覆蓋層，以達到防腐、改善性能及裝飾的作用。通常分及裝飾的作用。通常分電鍍、化學處理和涂漆電鍍、化學處理和涂漆三種。三種。1 1、電鍍、電鍍。電鍍是應用電解原理在某些金屬（或非金屬）表面鍍上。電鍍是應用電解原理在某些金屬（或非金屬）表面鍍上一層其他金屬或合金的過程。一層其他金屬或合金的過程。 1)1)鍍鉻。適用于鋼件、銅或銅合金件。鍍鉻。適用于鋼件、銅或銅合金件。2)2)鍍鎳。適用于鋼、銅及銅合金、鋁合金件。鍍鎳。適用于鋼、銅及銅合

21、金、鋁合金件。 3)鍍鋅。鍍鋅。適用于鋼、銅及銅合金。適用于鋼、銅及銅合金。2 2、化學處理、化學處理。金屬零件表面的化學處理主要有氧化和磷化。金屬零件表面的化學處理主要有氧化和磷化。 1)1)黑色金屬的氧化與磷化黑色金屬的氧化與磷化( (發(fā)藍或發(fā)黑）。發(fā)藍或發(fā)黑）。2)2)鋁及鋁合金的陽極氧化。鋁及鋁合金的陽極氧化。3)3)銅及銅合金的氧化。銅及銅合金的氧化。 3 3、涂漆。、涂漆。 2.4 機械零件的強度機械零件的強度 2.4.1 2.4.1 載荷和應力載荷和應力 1.1.載荷的分類載荷的分類 機械零件所受的載荷包括力機械零件所受的載荷包括力F F、轉矩、轉矩T T、彎矩、彎矩MM和功率和

22、功率P P等。等。 （1 1）載荷按其大小和方向是否隨時間變化，可分為兩類：）載荷按其大小和方向是否隨時間變化，可分為兩類： 靜載荷靜載荷：不隨時間變化：不隨時間變化( (或變化緩慢或變化緩慢) )的載荷；的載荷； 變載荷變載荷：隨時變化的載荷。：隨時變化的載荷。 （2）在設計計算中，常把載荷分為名義載荷和計算載荷。）在設計計算中，常把載荷分為名義載荷和計算載荷。 名義載荷名義載荷：根據(jù)額定功率用力學公式計算出作用在零件上的載荷。：根據(jù)額定功率用力學公式計算出作用在零件上的載荷。 計算載荷計算載荷：設計計算時所用的載荷，其值為載荷系數(shù)與名義載荷的：設計計算時所用的載荷，其值為載荷系數(shù)與名義載荷

23、的乘積。載荷系數(shù)是考慮沖擊、振動或載荷分布不均勻等因素的影響乘積。載荷系數(shù)是考慮沖擊、振動或載荷分布不均勻等因素的影響而加的系數(shù)，詳見有關章節(jié)。而加的系數(shù)，詳見有關章節(jié)。 應力：單位面積上所承受的附加內力應力：單位面積上所承受的附加內力 因為力是矢量，如果受力面積與施力方向因為力是矢量，如果受力面積與施力方向相互正交則稱正應力（相互正交則稱正應力（表示）；如果受力表示）；如果受力面積與施力方向平行則稱剪應力（面積與施力方向平行則稱剪應力（表示）表示）2.4.1 2.4.1 載荷和應力載荷和應力 2. 2. 應力的分類應力的分類ot= =常數(shù)常數(shù)脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力r =0靜應力靜應力:

24、 = =常數(shù)常數(shù)變應力變應力: 隨時間變化隨時間變化2minmaxm平均應力平均應力:2minmaxa應力幅應力幅:循環(huán)變應力循環(huán)變應力變應力的循環(huán)特性變應力的循環(huán)特性:maxminr對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力r =- -1-脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力-對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力 -1-1= 0= 0 +1 +1-靜應力靜應力maxmTmaxminaamotmaxminaaototaaminr =+12. 2. 應力的分類應力的分類 注：循環(huán)變應力可用注：循環(huán)變應力可用 max 、 min 、 m 、 a 、 這五個參數(shù)中的任意兩個參這五個參數(shù)中的任意兩個參數(shù)表示。數(shù)表示。對稱循環(huán)變應力

25、：對稱循環(huán)變應力：max10,ma脈動循環(huán)變應力：脈動循環(huán)變應力：02ma穩(wěn)定變應力類型及參數(shù)補充知識：低碳鋼的拉伸實驗補充知識：低碳鋼的拉伸實驗（1）彈性階段（）彈性階段（Ob段）段）（2）屈服階段（）屈服階段（bc段）使材料發(fā)生屈服的應力稱為段）使材料發(fā)生屈服的應力稱為屈服應力或屈服極限屈服應力或屈服極限（3）硬化階段（）硬化階段（ce段）在硬化階段應力應變曲線存段）在硬化階段應力應變曲線存在一最高點，該最高點對應的應力稱為材料的強度在一最高點，該最高點對應的應力稱為材料的強度極限極限（4）頸縮階段（）頸縮階段（ef段）段）2.4.2 2.4.2 機械零件的靜強度機械零件的靜強度在靜應力作

26、用下的零件，其主要失效形式是在靜應力作用下的零件，其主要失效形式是塑性變形或斷裂塑性變形或斷裂。極限應力的取值與零件的工作應力性質和材料性質有關。極限應力的取值與零件的工作應力性質和材料性質有關。 1.靜應力下用塑性材料制造的零件，為防止過大的塑性變形失效，取材料的靜應力下用塑性材料制造的零件，為防止過大的塑性變形失效，取材料的2.4 機械零件的強度機械零件的強度 屈服極限（屈服極限（）或（）或（）為極限應力。）為極限應力。即強度計算準則為：即強度計算準則為：或或或或2.靜應力下脆性材料制造的零件，為防止斷裂失效，取材料的強度極限（靜應力下脆性材料制造的零件，為防止斷裂失效，取材料的強度極限（

27、）或（）或（）為極限應力。）為極限應力。即強度計算準則為：即強度計算準則為：BBSs Ss Ss SB SB2.4 機械零件的強度機械零件的強度 2.4.3 2.4.3 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度 (3)當裂紋達到臨界尺寸后，發(fā)生瞬時斷裂。當裂紋達到臨界尺寸后，發(fā)生瞬時斷裂。疲勞斷裂面由光滑的疲勞發(fā)展區(qū)和粗粒狀的疲勞斷裂面由光滑的疲勞發(fā)展區(qū)和粗粒狀的瞬斷區(qū)組成。瞬斷區(qū)組成。 絕大多數(shù)機械零件在變應力下工作，絕大多數(shù)機械零件在變應力下工作，其失效形式是疲勞斷裂。表面無宏觀其失效形式是疲勞斷裂。表面無宏觀缺陷的金屬材料，其疲勞過程可分為缺陷的金屬材料，其疲勞過程可分為三個階段三個階段:

28、:(1)(1)在變應力作用下形成初始裂紋；在變應力作用下形成初始裂紋；(2)(2)裂紋尖端在切應力作用下發(fā)生裂紋尖端在切應力作用下發(fā)生反復塑性變形，使裂紋擴展；反復塑性變形，使裂紋擴展；2.4 機械零件的強度機械零件的強度 2.4.4 2.4.4 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度 1.1.接觸應力接觸應力如右圖所示，平行的兩圓柱體的接觸為線接觸。在如右圖所示，平行的兩圓柱體的接觸為線接觸。在力力 作用下壓緊時，由于彈性變形形成狹長矩形區(qū)作用下壓緊時，由于彈性變形形成狹長矩形區(qū)域上的面接觸，最大接觸應力域上的面接觸，最大接觸應力 發(fā)生在接觸區(qū)中發(fā)生在接觸區(qū)中線上。若兩圓柱體材料為鋼或鑄鐵，根

29、據(jù)彈性力學線上。若兩圓柱體材料為鋼或鑄鐵，根據(jù)彈性力學的赫茲的赫茲( Hertz )公式，可得最大接觸應力公式，可得最大接觸應力2.2.接觸強度接觸強度為防止疲勞點蝕，須滿足接觸疲勞強度，強度條件為：為防止疲勞點蝕，須滿足接觸疲勞強度，強度條件為：HnF Eb=0.418 HHHH疲勞點蝕圖例齒面上的疲勞點蝕齒面上的疲勞點蝕2.5 機械零件的結構工藝性機械零件的結構工藝性 1.1.機械零件的結構工藝性機械零件的結構工藝性：指所設計的零、部件在保證產(chǎn)品使用性能的前提：指所設計的零、部件在保證產(chǎn)品使用性能的前提下，能用生產(chǎn)率高、勞動量小、生產(chǎn)成本低的方法制造出來。下，能用生產(chǎn)率高、勞動量小、生產(chǎn)成

30、本低的方法制造出來。 零件的結構工藝性，反映在毛坯制備過程、熱處理過程、切削加工過程和裝配零件的結構工藝性，反映在毛坯制備過程、熱處理過程、切削加工過程和裝配過程中。過程中。 2.2.零件加工工藝對零件的設計要求零件加工工藝對零件的設計要求（1 1）鑄造）鑄造 1 1）應使造型方便，砂箱和型芯盡量少，具有必要的起模斜度等；）應使造型方便，砂箱和型芯盡量少，具有必要的起模斜度等； 2 2）壁厚變化及布置應避免出現(xiàn)縮孔，避免局部金屬堆積；）壁厚變化及布置應避免出現(xiàn)縮孔，避免局部金屬堆積； 3 3）應考慮零件在機床上切削加工時有必要的基準面，注意澆鑄過程中）應考慮零件在機床上切削加工時有必要的基準面

31、，注意澆鑄過程中不應造成激冷過硬的被切削加工面。不應造成激冷過硬的被切削加工面。 （2 2）鍛造）鍛造1 1）能使金屬流動并充滿鍛模的壁腔，具有必要的起模斜度等。）能使金屬流動并充滿鍛模的壁腔，具有必要的起模斜度等。 2.5 機械零件的結構工藝性機械零件的結構工藝性 (3) 熱處理熱處理5 5 ）形狀特別復雜或者不同部位有不同性能要求時，可改成組合結構。）形狀特別復雜或者不同部位有不同性能要求時，可改成組合結構。 零件的切削加工工藝性和裝配工藝性對零件結構設計影響示例零件的切削加工工藝性和裝配工藝性對零件結構設計影響示例1 1）避免銳邊和尖角，采用的過渡圓角應盡可能大；）避免銳邊和尖角，采用的

32、過渡圓角應盡可能大；2 2 ）盡量使零件截面均勻）盡量使零件截面均勻; ;3 3 ）提高零件結構的剛性，必要時可增添加強肋）提高零件結構的剛性，必要時可增添加強肋; ;4 4 ）零件幾何形狀力求簡單、對稱；）零件幾何形狀力求簡單、對稱；圖（a）中兩銷釘反向布置，到螺栓的距離相等，裝配時很可能將支座旋轉180安裝，導致座孔中心線與軸的中心線位置偏差增大。因此，應將兩定位銷布置在同一側，或使兩定位銷到螺栓的距離不等圖5.9零件的結構工藝性示例（1）零件的結構工藝性示例（2）零件的結構工藝性示例（3）零件的結構工藝性示例（4）零件的結構工藝性示例（5）零件的結構工藝性示例（6）2.6 摩擦、磨損和潤

33、滑摩擦、磨損和潤滑 2.6.1 2.6.1 摩擦摩擦 1.摩擦摩擦：在正壓力作用下的相接觸的在正壓力作用下的相接觸的兩兩物體，接觸面物體，接觸面間產(chǎn)生抵抗切向滑動阻力的現(xiàn)象稱為摩擦。間產(chǎn)生抵抗切向滑動阻力的現(xiàn)象稱為摩擦。 摩擦的種類及其基本性質摩擦的種類及其基本性質按運動按運動狀態(tài)分狀態(tài)分靜摩擦靜摩擦動摩擦動摩擦按運動形按運動形式分式分滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦滾動摩擦干摩擦（潤干摩擦（潤滑）滑）流體摩擦（流體摩擦（潤滑）潤滑）邊界摩擦（邊界摩擦（潤滑）潤滑）混合摩擦（混合摩擦（潤滑）潤滑）按潤滑狀態(tài)分按潤滑狀態(tài)分2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 干摩擦干摩擦 摩擦面間不加潤滑劑時的摩擦

34、為干摩擦摩擦面間不加潤滑劑時的摩擦為干摩擦圖圖(a)。干摩擦時，金屬表面直接接觸，。干摩擦時，金屬表面直接接觸，摩擦大，磨損嚴重，應予避免摩擦大，磨損嚴重，應予避免(依靠摩擦力工作的零件除外依靠摩擦力工作的零件除外)。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 邊界摩擦邊界摩擦 摩擦副間有少量潤滑劑摩擦副間有少量潤滑劑圖圖(b)，摩擦表面上形成極薄的潤滑劑膜，強度低，易破裂，摩擦表面上形成極薄的潤滑劑膜，強度低，易破裂，致使摩擦面間部分直接接觸，這種摩擦為邊界摩擦。其摩擦和磨損均比干摩擦時小。致使摩擦面間部分直接接觸，這種摩擦為邊界摩擦。其摩擦和磨損均比干摩擦時小。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩

35、擦、磨損和潤滑 流體摩擦流體摩擦 摩擦副表面間被一層壓力流體完全隔開時的摩擦稱為流體摩擦摩擦副表面間被一層壓力流體完全隔開時的摩擦稱為流體摩擦圖圖(c)。摩擦只產(chǎn)。摩擦只產(chǎn)生于流體內部分子間，摩擦系數(shù)很小，是理想的摩擦狀態(tài)。生于流體內部分子間，摩擦系數(shù)很小，是理想的摩擦狀態(tài)。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 混合摩擦混合摩擦 處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)稱為混合摩擦處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)稱為混合摩擦圖圖(d)?；旌夏Σ習r，大部?；旌夏Σ習r，大部分摩擦面處于流體摩擦，少量表面輪廓峰直接接觸。其摩擦系數(shù)要比邊界摩分摩擦面處于流體摩擦，少量表面輪廓峰直接接觸。其摩擦系數(shù)要比邊

36、界摩擦小得多。擦小得多。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 2.6.2 2.6.2 磨損磨損 1.磨損磨損：摩擦使零件表面材料逐漸損失的現(xiàn)象稱為磨損。：摩擦使零件表面材料逐漸損失的現(xiàn)象稱為磨損。 2.耐磨性耐磨性：材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性。：材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性。3.磨損量磨損量：被磨損去的表面厚度稱為磨損量。：被磨損去的表面厚度稱為磨損量。4.磨損過程：磨損過程：一般機械零件的磨損過程分為：磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇一般機械零件的磨損過程分為：磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。烈磨損階段。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 5.磨損類型：磨損類型： (1) 粘

37、著磨損。這是金屬摩擦副中最普遍的一種磨損形式。粘著磨損。這是金屬摩擦副中最普遍的一種磨損形式。 (2) 磨粒磨損。這是一種機械磨損，甚為常見，如開式齒輪的磨損。磨粒磨損。這是一種機械磨損，甚為常見，如開式齒輪的磨損。 (3) 疲勞磨損。受變接觸應力作用的摩擦副，表面形成疲勞點蝕，小片金屬剝落，稱疲勞磨損。受變接觸應力作用的摩擦副，表面形成疲勞點蝕，小片金屬剝落，稱為疲勞磨損。為疲勞磨損。(4) 腐蝕磨損。金屬表面材料與周圍介質起化學反應或電化學作用而造成材料脫落，腐蝕磨損。金屬表面材料與周圍介質起化學反應或電化學作用而造成材料脫落，這是一種機械化學磨損。這是一種機械化學磨損。 6.減少磨損的方

38、法減少磨損的方法 減少磨損的方法應結合磨損類型來考慮。減少磨損的方法應結合磨損類型來考慮。 一般為：合理選擇摩擦副材料、表面硬度和表面粗糙度；良好的潤滑：形成流體一般為：合理選擇摩擦副材料、表面硬度和表面粗糙度；良好的潤滑：形成流體潤滑、或采用含油性和極壓添加劑的潤滑劑、合理選擇潤滑油粘度；降低摩擦副潤滑、或采用含油性和極壓添加劑的潤滑劑、合理選擇潤滑油粘度；降低摩擦副表面溫度；控制壓強等。表面溫度；控制壓強等。 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 2.6.3 2.6.3 潤滑潤滑 潤滑潤滑就是向摩擦表面供給潤滑劑。就是向摩擦表面供給潤滑劑。 潤滑的主要目的潤滑的主要目的是為了減小摩擦、

39、減少磨損和冷卻零件。此外，是為了減小摩擦、減少磨損和冷卻零件。此外，潤滑還有防止零件銹蝕、緩沖吸振、洗除污物和密封等作用。潤滑還有防止零件銹蝕、緩沖吸振、洗除污物和密封等作用。 潤滑劑潤滑劑分為液體潤滑劑、半固體潤滑劑、固體潤滑劑和氣體分為液體潤滑劑、半固體潤滑劑、固體潤滑劑和氣體潤滑劑等四大類。對于一般機械設備，通常采用潤滑油或潤滑潤滑劑等四大類。對于一般機械設備，通常采用潤滑油或潤滑脂潤滑。脂潤滑。1.潤滑油潤滑油 工業(yè)用潤滑油有礦物油和合成油兩類。工業(yè)用潤滑油有礦物油和合成油兩類。 (1) 礦物油的種類礦物油的種類2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 潤滑油的牌號是按照油的粘度來劃分

40、的。潤滑油的牌號是按照油的粘度來劃分的。 對于工業(yè)用潤滑油，標準把溫度對于工業(yè)用潤滑油，標準把溫度在在40時運動粘度時運動粘度在范圍內的油分為在范圍內的油分為18個牌號。個牌號。每個牌號表示粘度數(shù)字中心值的整數(shù)。牌號數(shù)字愈大，油粘度愈高，即愈稠。每個牌號表示粘度數(shù)字中心值的整數(shù)。牌號數(shù)字愈大，油粘度愈高，即愈稠。 常用潤滑油的性能和用途常用潤滑油的性能和用途 (2) 潤滑油的主要性能指標潤滑油的主要性能指標1） 粘度。粘度。粘度是潤滑油抵抗剪切變形的能力。它反映潤滑油流動時內部摩擦阻力粘度是潤滑油抵抗剪切變形的能力。它反映潤滑油流動時內部摩擦阻力的大小。粘度是潤滑油最重要的性能指標。粘度有動力

41、粘度與運動粘度之分，前者用于的大小。粘度是潤滑油最重要的性能指標。粘度有動力粘度與運動粘度之分，前者用于流體動力計算；后者為動力粘度與密度之比值，常用于工業(yè)上。流體動力計算；后者為動力粘度與密度之比值，常用于工業(yè)上。2） 粘度指數(shù)。粘度指數(shù)。溫度是影響油粘度的最重要的因素。溫度升高，粘度將顯著降溫度是影響油粘度的最重要的因素。溫度升高，粘度將顯著降低。粘度指數(shù)是衡量潤滑油粘度隨溫度變化快慢的程度。粘度指數(shù)越大，溫度變化對粘低。粘度指數(shù)是衡量潤滑油粘度隨溫度變化快慢的程度。粘度指數(shù)越大，溫度變化對粘度的影響越小，說明油品的粘溫性能越好。度的影響越小，說明油品的粘溫性能越好。3） 油性。油性。油性

42、是指潤滑油濕潤或吸附于干摩擦表面的性能。吸附能力越強，油油性是指潤滑油濕潤或吸附于干摩擦表面的性能。吸附能力越強，油性越好。性越好。常用潤滑油的性能和用途 2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 4) 極壓性。是潤滑油中加入含硫、氯、磷的有機極性極壓性。是潤滑油中加入含硫、氯、磷的有機極性化合物后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓化合物后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓化學反應膜的能力。機械在高速重載條件下工作時，要化學反應膜的能力。機械在高速重載條件下工作時，要選用極壓性好的油作潤滑。選用極壓性好的油作潤滑。5) 閃點。閃點是潤滑油在規(guī)定條件下加熱并與火焰接閃點。閃點是潤滑油

43、在規(guī)定條件下加熱并與火焰接觸觸發(fā)生瞬間閃火時的最低溫度。發(fā)生瞬間閃火時的最低溫度。它是一個使用安全指標。它是一個使用安全指標。一般要求油閃點高于工作溫度一般要求油閃點高于工作溫度2030。6) 凝點。潤滑油在規(guī)定條件下冷卻，凝點。潤滑油在規(guī)定條件下冷卻，失去流動性的最失去流動性的最高溫度稱為凝點高溫度稱為凝點，反映其可使用的最低溫度。一般要求，反映其可使用的最低溫度。一般要求凝點比最低使用溫度低凝點比最低使用溫度低510。 國外常采用傾點表示油的凝固溫度。傾點為油品在給國外常采用傾點表示油的凝固溫度。傾點為油品在給定條件下喪失流動性的溫度以上定條件下喪失流動性的溫度以上3的溫度。的溫度。2.6

44、 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 (3) 潤滑油的選用潤滑油的選用 選用潤滑油主要是確定油品的種類和粘度選用潤滑油主要是確定油品的種類和粘度(牌號牌號)。一般根據(jù)機。一般根據(jù)機械設備的工作條件、載荷和速度先確定出合適的粘度范圍，再選械設備的工作條件、載荷和速度先確定出合適的粘度范圍，再選擇適當?shù)臐櫥推贩N。擇適當?shù)臐櫥推贩N。 選擇的原則是：選擇的原則是：在下列情況下宜選用粘度高的潤滑油：高溫、重在下列情況下宜選用粘度高的潤滑油：高溫、重載、低速；機器工作中有沖擊、振動并經(jīng)常變速變載、起動、停載、低速；機器工作中有沖擊、振動并經(jīng)常變速變載、起動、停車、反轉；軸與軸承間間隙較大，加工表面粗糙等

45、。車、反轉；軸與軸承間間隙較大，加工表面粗糙等。在下列情況下可選用粘度低的潤滑油：在下列情況下可選用粘度低的潤滑油：高速輕載；低溫，采用壓力循環(huán)或滴油潤滑高速輕載；低溫，采用壓力循環(huán)或滴油潤滑。2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 (1) 潤滑脂的種類潤滑脂的種類2.潤滑脂潤滑脂潤滑脂分為礦物油潤滑脂和合成油潤滑脂兩大類。礦物油潤滑脂通常按所用的稠化劑潤滑脂分為礦物油潤滑脂和合成油潤滑脂兩大類。礦物油潤滑脂通常按所用的稠化劑來分類和命名，品種繁多，性能各異。來分類和命名，品種繁多，性能各異。 一些常用潤滑脂的性能和用途一些常用潤滑脂的性能和用途 (2) 潤滑脂的性能指標潤滑脂的性能指標1)

46、 針入度針入度 將重量為將重量為15 N的標準圓錐體放入的標準圓錐體放入25的潤滑脂試樣中，經(jīng)的潤滑脂試樣中，經(jīng)5秒鐘后所沉秒鐘后所沉入的深度稱為潤滑脂的針入度，以入的深度稱為潤滑脂的針入度，以1/10 mm為單位。潤滑脂按針入度自大至小分為單位。潤滑脂按針入度自大至小分為共為共10個牌號，牌號數(shù)字越大，針入度越小，脂越稠。針入度是表征潤滑脂稠度個牌號，牌號數(shù)字越大，針入度越小，脂越稠。針入度是表征潤滑脂稠度的指標。的指標。2) 滴點滴點 在規(guī)定的加熱條件下，潤滑脂從標準量杯孔口滴下第一滴油時的溫度稱為滴在規(guī)定的加熱條件下，潤滑脂從標準量杯孔口滴下第一滴油時的溫度稱為滴點。潤滑脂的工作溫度應比

47、其滴點低。點。潤滑脂的工作溫度應比其滴點低。2.6 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 3.添加劑添加劑為了改善潤滑油、脂的使用性能，常加入一定量的其它物質為了改善潤滑油、脂的使用性能，常加入一定量的其它物質添加劑，使其更好地滿添加劑，使其更好地滿足不同使用場合的各種需要。足不同使用場合的各種需要。添加劑種類很多，按所起的作用可分為：極壓添加劑、油性劑、抗氧抗腐劑、粘度指數(shù)添加劑種類很多，按所起的作用可分為：極壓添加劑、油性劑、抗氧抗腐劑、粘度指數(shù)改進劑、降凝劑等等。改進劑、降凝劑等等。(3) 潤滑脂的特點潤滑脂的特點與潤滑油相比，潤滑脂有如下特點：與潤滑油相比，潤滑脂有如下特點：1）粘附能力強

48、，油膜強度高，具有耐高壓和極壓性，故承載能力較大；）粘附能力強，油膜強度高，具有耐高壓和極壓性，故承載能力較大；2）適用于高溫、極壓、低速、沖擊振動、間歇運轉等苛刻工況條件；）適用于高溫、極壓、低速、沖擊振動、間歇運轉等苛刻工況條件；3）使用溫度范圍寬廣；密封性好；）使用溫度范圍寬廣；密封性好；4）使用壽命長，耗量少，潤滑方便和維護較簡單；流動性差，摩擦阻力較大，不宜用）使用壽命長，耗量少，潤滑方便和維護較簡單；流動性差，摩擦阻力較大，不宜用于特別高速高溫場合；于特別高速高溫場合；5）脂中混入污物后不易清除。潤滑脂特別適用于滾動軸承的潤滑。）脂中混入污物后不易清除。潤滑脂特別適用于滾動軸承的潤滑。常用潤滑脂的性能和用途 2.7 現(xiàn)代機械設計方法簡介現(xiàn)代機械設計方法簡介 近二三十年來，科學技術飛速發(fā)展。新技術、新工藝、新材料的不斷涌現(xiàn)，微電子技術、控制技術和計算機技術的發(fā)展及其與機械技術的有機結合，有關基礎理論研究的深化，使得機械設計發(fā)生了巨大的變化。機械設計從依賴于經(jīng)驗和實物類比，走向科學、理性、系統(tǒng)分析和創(chuàng)新；從單機走向系統(tǒng)；從靜態(tài)設計走向動態(tài)設計；從單一目標走向多目標；從尋求較佳方案到走向最優(yōu)化。 現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)展的趨向現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)展的趨向 現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)展的趨向現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)展的趨向大大型型化化微微型型化化高高效效化化精精密密化化集集成