1、基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械 零件的工作能力、计算准则、材料选择的一般要求等。 重 点：机械零件的工作能力和整体强度；机械零件的接触强度。,第八章 精密机械设计概论,8-1 概 述,1、功能要求 2、可靠性要求 3、精度要求 4、经济性要求 5、外观要求 6、其他特殊要求,一. 机器设计应满足以下要求：,工作可靠、成本低廉,在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度,工作能力,承载能力,对载荷而言,机械零件设计的计算准则：,计算量许用量,例如： 强度判定条件： 工作应力许用应力刚度判定条件： 变形量许用变形量,工作原理、结构、 类型、应用场合,受力分析、 失效形式,设计准则、
2、设计计算,二.机械零件设计过程(一般步骤),1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图,注意: 1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的,而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ；3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数,才能得到比较合理的结果。,产品是否具有创新性，很大程度上取决于原理方案设计,原理方案图,结构设计草图,总装配图,三.机械设
3、计的一般过程,设计任务,强度条件(或刚度),尺寸,强度条件(或刚度),四. 机械零件传统设计方法,1. 理论设计,2.类比设计 3.经验设计： 4.模型实验设计：,计算准则 :,载荷的类型：,名义载荷：,计算载荷：,在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。,8-2 机械零件的强度,计算载荷=K名义载荷,载荷系数,强度抵抗断裂和残余变形的能力,静应力：变应力：,一.应力的种类,对称循环变应力 非对称循环变应力 脉动循环变应力,稳定变应力不稳定变应力,静应力：,静应力,对称循环变应力,非对称循环变应力,脉动循环变应力,变应力,对称循环变应力 非对称循环变应力 脉动循环变应力,稳定变应力不稳定变应
4、力,塑性材料S,脆性材料B,脆性材料取强度极限sB(tB)塑性材料取屈服极限sS(tS),二.静应力下的极限应力(与材料性能有关),三.变应力下的许用应力,变应力下零件的失效形式：,疲劳断裂,疲劳断裂特征： 1、疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限； 2、疲劳断口均表现为无明显塑性变形； 3、断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区； 4、疲劳断裂是损伤的积累的结果。,失效形式:疲劳断裂(塑、脆性材料),变应力下的强度,疲劳断裂与静力断裂不同,它与应力循环次数有关.,=r /S ；=r/S,sN疲劳曲线,机械零件的疲劳大多 发生在N曲线的CD段， D点以后的疲劳曲线呈一 水平线，代表着无限寿命区.,
5、sN疲劳曲线,疲劳曲线,1、应力越小，能经受的循环次数越多。,应力循环基数,2、疲劳曲线的左半部（NN0），可 用下列方程表示：,对应于循环次数N的弯曲疲劳极限：,许用应力,对称循环：,脉动循环 ：,应力集中系数,尺寸系数,表面状态系数,四.许用应力和安全系数,1失效形式：疲劳点蚀,后果：a. 损坏零件的光滑表面b. 减小了接触面积，降低承载能力c. 引起振动和噪声,五.接触疲劳强度,由弹性力学知，当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为:,接触应力的计算,3. 接触疲劳强度的判定条件,接触应力的特点 仅在局部很小的区域内产生很大的
6、应力。,影响接触疲劳强度的因素,磨损：（零件表面破坏）,耐磨性：,零件磨损的三个阶段,跑合磨损阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段,影响磨损的因素,六.机械零件的耐磨性,针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等,计算准则 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值。,8-3 机械零件的常用材料及钢的热处理,一. 常用材料,常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含量2常用 碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵,合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：含（0.
7、150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料： 工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料,(一)、 铸铁： 含碳量2的铁碳合金，并含有较多P、S、Mn等杂质。,(二)、 钢：含碳量2的铁碳合金。,1.碳素钢,低碳钢 (0.25 %) s、B较低，塑性高，良好的焊接性 中碳钢 (0.25%0.60%) 综合力学性能较好高碳钢 (0.60%) 高强度和弹性,普通碳素钢 Q235 、Q275 优质碳素钢 20 、 45,3.铸钢 主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。牌号：ZG230450 ( s230MPa ,B=450MPa )
8、,综合机械性能好，优良性能取决于化学成份及热处理,但较贵牌号： 60Si2Mn 40Cr 20CrMnTi,2.合金钢,合金钢,低合金钢 （合金含量5） 中合金钢 （合金含量510） 高合金钢 （合金含量10）,4.有色金属合金 良好的减摩性、耐腐蚀性、耐热性和导电性, 价昂。铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金ZCu H62,5.非金属材料 耐腐蚀、绝缘性、绝热性、优异的成形性能，质轻价廉 . 工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料,二.金属材料的力学性能,应力极限：,1、弹性极限p,3、强度极限B,低碳钢的应力应变曲线,力学性能指标,强度 塑性 硬度 冲击韧性,2、屈服极限s,(一)、强度,(二
9、) 塑性：金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力,伸长率； 断面收缩率,对于低碳钢，约25%左右，约为60%。这二个指标越高，材料 的塑性越好。,常用的硬度指标： 布氏硬度（HBS） 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450 洛氏硬度 （HRC、HRB、HRA） 120金刚石锥体，载荷分别为150kgf,、100kgf 、60kgf 维氏硬度 （HV） 136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf,(三)、硬度：硬度， 强度、耐磨性，但塑性,硬度单位之比较：HRC(洛氏)10 HBS,(四)、冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力弹性能，材料的韧性越好。,
10、金属材料在加工和使用过程中，其力学性能受多种因素影响：1.含碳量的影响2.合金元素的影响3.温度的影响4.热处理工艺的影响,目的:,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),方法:,退火、正火、淬火、回火、表面热处理,(一)、普通热处理,1.退火 2.正火 3.淬火（蘸火） 4 .回火,三. 钢的热处理,正火(空冷),退火(炉冷),回火,加热,保温,淬火,低温回火（150250C） 中温回火（350500C） 高温回火（500650C）,(调质淬火+高温回火),(二)、表面热处理 表面增硬，芯部韧性较好,四. 材料选择原则,使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度. 工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法. 经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率、批量、环境污染、能源消耗等.,8-4 机械零件的结构工艺性,工艺性好易加工、装配，费用低，满足使用要求.主要体现在下面几个方面： 一. 毛坯选择合理 二. 结构设计合理 三. 便于切削加工 四. 便于装拆和维修 五. 制造精度及表面粗糙度选择合理,
