機械零件設計的基本要求、機械零件的工作能力、計算準則、材料選擇的一般要求等。機械零件的工作能力和整體強度；機械零件的接觸強度。精密機械設計機械零件設計的基本要求、機械零件的工作能力、計算準則、材料1§1概述1、功能要求2、可靠性要求3、精度要求4、經濟性要求5、外觀要求6、其他特殊要求一.機器設計應滿足以下要求：工作可靠、成本低廉§1概述1、功能要求一.機器設計應滿足以下要求：工作2在不發生失效的條件下,零件所能安全工作的限度工作能力承載能力→對載荷而言★機械零件設計的計算準則：

計算量≤許用量

例如：強度判定條件：工作應力≤許用應力

剛度判定條件：變形量≤許用變形量在不發生失效的條件下,零件所能安全工作的限度工作能力承載能力3工作原理、結構、類型、應用場合受力分析、失效形式設計準則、設計計算二.機械零件設計過程(一般步驟)1、擬訂零件的設計簡圖2、確定載荷的大小及位置3、選擇材料4、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數5、繪制零件工作圖注意:1、通過設計計算出的零件尺寸一般并不是最終采用的數值，設計者還要根據制造零件的工藝要求和標準、規格加以圓整；

2、在一般機器設計中，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；

3、設計工作是一個反復進行的過程，經過多次修改方案，改變設計參數,才能得到比較合理的結果。工作原理、結構、受力分析、設計準則、二.機械零件設計過程(一4產品是否具有創新性，很大程度上取決于原理方案設計調查研究

結構方案設計原理方案設計總體設計施工設計試制、批量生產、銷售

可行性報告設計任務書原理方案圖結構設計草圖總裝配圖部裝圖、零件圖技術文檔三.機械設計的一般過程設計任務產品是否具有創新性，很大程度上取決于原理方案設計調查研究5強度條件(或剛度)設計計算尺寸校核計算強度條件(或剛度)四.機械零件傳統設計方法1.理論設計2.類比設計3.經驗設計：4.模型實驗設計：強度條件(或剛度)設計計算尺寸校核計算強度條件(或剛度)6計算準則:載荷的類型：名義載荷：計算載荷：在理想的平穩工作條件下作用在零件上的載荷。§2機械零件的強度計算載荷=K×名義載荷載荷系數強度——抵抗斷裂和殘余變形的能力計算準則:載荷的類型：名義載荷：計算載荷：在理想的平穩工作7靜應力：變應力：一.應力的種類對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力穩定變應力不穩定變應力靜應力：一.應力的種類對稱循環變應力穩定變應力8靜應力：靜應力

靜應力：靜應力9對稱循環變應力

非對稱循環變應力

脈動循環變應力

變應力對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力穩定變應力不穩定變應力對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力10塑性材料σS脆性材料σB

脆性材料取強度極限sB(tB)

塑性材料取屈服極限sS(tS)二.靜應力下的極限應力

(與材料性能有關)塑性材料σS脆性材料σB二.靜應力下的極限應力11三.變應力下的許用應力★變應力下零件的失效形式：

疲勞斷裂

疲勞斷裂特征：1、疲勞斷裂的最大應力＜材料的屈服極限；2、疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形；3、斷口上明顯地有兩個區域：光滑區、粗糙區；4、疲勞斷裂是損傷的積累的結果。三.變應力下的許用應力★變應力下零件的失效形式：疲勞斷裂12失效形式:疲勞斷裂(塑、脆性材料)

變應力下的強度疲勞斷裂與靜力斷裂不同,它與應力循環次數有關.[σ]=σr/S

；[τ]=τr/Ss－N疲勞曲線

機械零件的疲勞大多發生在σ－N曲線的CD段，D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區.

s－N疲勞曲線

失效形式:疲勞斷裂(塑、脆性材料)變應力下的強度疲勞13★疲勞曲線1、應力越小，能經受的循環次數越多。應力循環基數2、疲勞曲線的左半部（N≤N0），可用下列方程表示：對應于循環次數N的彎曲疲勞極限：★許用應力對稱循環：脈動循環：應力集中系數尺寸系數表面狀態系數★疲勞曲線1、應力越小，能經受的循環次數越多。應力循環基數214四.許用應力和安全系數四.許用應力和安全系數151．失效形式：疲勞點蝕

后果：

a.損壞零件的光滑表面

b.減小了接觸面積，降低承載能力

c.引起振動和噪聲五.接觸疲勞強度1．失效形式：疲勞點蝕后果：五.接觸疲勞強度16

由彈性力學知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應力發生在接觸區中線上，其值為:２．接觸應力的計算由彈性力學知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸173.接觸疲勞強度的判定條件3.接觸疲勞強度的判定條件18接觸應力的特點僅在局部很小的區域內產生很大的應力。

４．影響接觸疲勞強度的因素

接觸應力的特點僅在局部很小的區域內產生很大的應力。４．19磨損：（零件表面破壞）耐磨性：②零件磨損的三個階段跑合磨損階段穩定磨損階段劇烈磨損階段①影響磨損的因素

六.機械零件的耐磨性磨損：（零件表面破壞）耐磨性：②零件磨損的三個階段跑合磨損階20針對失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等

③計算準則

在預定使用期限內，零件的磨損量不超過允許值。

針對失效形式：零件表面破壞③計算準則在預定使用期限內，零21§3機械零件的常用材料及鋼的熱處理一.常用材料常用零件材料的力學性能等級和牌號1鑄鐵：含Ｃ＞2.06％→易成型、價廉、吸振、可靠性差灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵2鋼：含Ｃ量＜2％→常用碳素鋼：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素鋼、優質碳素鋼合金鋼：綜合機械性能好，但較貴,合金鋼的優良性能取決于化學成份及熱處理鑄鋼：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3有色金屬合金：有特殊性能，價昂→少用鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金4非金屬材料：工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料…§3機械零件的常用材料及鋼的熱處理一.常用材料常用零件材22(一)、鑄鐵：

含碳量＞2％的鐵碳合金，并含有較多

P、S、Mn等雜質。

(二)、鋼：含碳量＜2％的鐵碳合金。1.碳素鋼

低碳鋼(≤0.25%)σs、σB較低，塑性高，良好的焊接性中碳鋼(0.25%～0.60%)綜合力學性能較好高碳鋼(＞0.60%)高強度和彈性普通碳素鋼Q235、Q275

優質碳素鋼20、45(一)、鑄鐵：含碳量＞2％的鐵碳合金，并含有較多(二)233.鑄鋼

主要用于制造承受重載、形狀復雜的大型零件。

牌號：ZG230－450(σs＝230MPa,σB=450MPa)綜合機械性能好，優良性能取決于化學成份及熱處理,但較貴牌號：60Si2Mn40Cr20CrMnTi2.合金鋼合金鋼低合金鋼（合金含量＜5％）中合金鋼（合金含量5％－10％）高合金鋼（合金含量＞10％）4.有色金屬合金

良好的減摩性、耐腐蝕性、耐熱性和導電性,價昂。鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金

ZCuH625.非金屬材料

耐腐蝕、絕緣性、絕熱性、優異的成形性能，質輕價廉. 工程塑料、橡膠、陶瓷、復合材料…3.鑄鋼主要用于制造承受重載、形狀復雜的大型零件。綜合機械24二.金屬材料的力學性能應力極限：1、彈性極限σp3、強度極限σB低碳鋼的應力—應變曲線力學性能指標強度塑性硬度沖擊韌性2、屈服極限σs(一)、強度二.金屬材料的力學性能應力極限：1、彈性極限σp3、強度極25(二)塑性：金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力伸長率δ；斷面收縮率

對于低碳鋼，約25%左右，約為60%。這二個指標越高，材料的塑性越好。1(二)塑性：金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力26常用的硬度指標：布氏硬度（HBS）硬度機壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS<450洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）120o金剛石錐體，載荷分別為150kgf,、100kgf、60kgf維氏硬度（HV）136o金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf

(三)、硬度：

硬度↑，→強度↑、耐磨性↑，但塑性↓硬度單位之比較：

HRC(洛氏)×10≈HBS常用的硬度指標：(三)、硬度：硬度單位之比較：27(四)、沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力

彈性能↑，材料的韌性越好。金屬材料在加工和使用過程中，其力學性能受多種因素影響：

1.含碳量的影響

2.合金元素的影響

3.溫度的影響

4.熱處理工藝的影響(四)、沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的金屬材28

目的:

1.改變金屬內部結構提高材料力學性能

2.消除內應力(加工,熱處理)

方法:退火、正火、淬火、回火、表面熱處理(一)、普通熱處理1.退火

2.正火

3.淬火（蘸火）

4.回火

三.鋼的熱處理目的:1.改變金屬內部結構提高材料力學性能29正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫

淬火時間溫度低溫回火（150～250C）中溫回火（350～500C）高溫回火（500～650C）

(調質——淬火+高溫回火)正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時間溫度低溫回火（30滲碳氮化氰化表面淬火:化學熱處理:(二)、表面熱處理

表面增硬，芯部韌性較好滲碳表面淬火:化學熱處理:(二)、表面熱處理表面31四.材料選擇原則使用要求：使用環境、載荷性質、結構、重要程度...工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經濟要求：材料價格結合加工費用、材料利用率、

批量、環境污染、能源消耗等...四.材料選擇原則使用要求：使用環境、載荷性質、結構、重要程32§4機械零件的結構工藝性工藝性好→易加工、裝配，費用低，滿足使用要求.主要體現在下面幾個方面：一.毛坯選擇合理二.結構設計合理三.便于切削加工四.便于裝拆和維修五.制造精度及表面粗糙度選擇合理§4機械零件的結構工藝性工藝性好→易加工、裝配，費用低，滿33機械零件設計的基本要求、機械零件的工作能力、計算準則、材料選擇的一般要求等。機械零件的工作能力和整體強度；機械零件的接觸強度。精密機械設計機械零件設計的基本要求、機械零件的工作能力、計算準則、材料34§1概述1、功能要求2、可靠性要求3、精度要求4、經濟性要求5、外觀要求6、其他特殊要求一.機器設計應滿足以下要求：工作可靠、成本低廉§1概述1、功能要求一.機器設計應滿足以下要求：工作35在不發生失效的條件下,零件所能安全工作的限度工作能力承載能力→對載荷而言★機械零件設計的計算準則：

計算量≤許用量

例如：強度判定條件：工作應力≤許用應力

剛度判定條件：變形量≤許用變形量在不發生失效的條件下,零件所能安全工作的限度工作能力承載能力36工作原理、結構、類型、應用場合受力分析、失效形式設計準則、設計計算二.機械零件設計過程(一般步驟)1、擬訂零件的設計簡圖2、確定載荷的大小及位置3、選擇材料4、根據失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數5、繪制零件工作圖注意:1、通過設計計算出的零件尺寸一般并不是最終采用的數值，設計者還要根據制造零件的工藝要求和標準、規格加以圓整；

2、在一般機器設計中，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；

3、設計工作是一個反復進行的過程，經過多次修改方案，改變設計參數,才能得到比較合理的結果。工作原理、結構、受力分析、設計準則、二.機械零件設計過程(一37產品是否具有創新性，很大程度上取決于原理方案設計調查研究

結構方案設計原理方案設計總體設計施工設計試制、批量生產、銷售

可行性報告設計任務書原理方案圖結構設計草圖總裝配圖部裝圖、零件圖技術文檔三.機械設計的一般過程設計任務產品是否具有創新性，很大程度上取決于原理方案設計調查研究38強度條件(或剛度)設計計算尺寸校核計算強度條件(或剛度)四.機械零件傳統設計方法1.理論設計2.類比設計3.經驗設計：4.模型實驗設計：強度條件(或剛度)設計計算尺寸校核計算強度條件(或剛度)39計算準則:載荷的類型：名義載荷：計算載荷：在理想的平穩工作條件下作用在零件上的載荷。§2機械零件的強度計算載荷=K×名義載荷載荷系數強度——抵抗斷裂和殘余變形的能力計算準則:載荷的類型：名義載荷：計算載荷：在理想的平穩工作40靜應力：變應力：一.應力的種類對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力穩定變應力不穩定變應力靜應力：一.應力的種類對稱循環變應力穩定變應力41靜應力：靜應力

靜應力：靜應力42對稱循環變應力

非對稱循環變應力

脈動循環變應力

變應力對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力穩定變應力不穩定變應力對稱循環變應力非對稱循環變應力脈動循環變應力43塑性材料σS脆性材料σB

脆性材料取強度極限sB(tB)

塑性材料取屈服極限sS(tS)二.靜應力下的極限應力

(與材料性能有關)塑性材料σS脆性材料σB二.靜應力下的極限應力44三.變應力下的許用應力★變應力下零件的失效形式：

疲勞斷裂

疲勞斷裂特征：1、疲勞斷裂的最大應力＜材料的屈服極限；2、疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形；3、斷口上明顯地有兩個區域：光滑區、粗糙區；4、疲勞斷裂是損傷的積累的結果。三.變應力下的許用應力★變應力下零件的失效形式：疲勞斷裂45失效形式:疲勞斷裂(塑、脆性材料)

變應力下的強度疲勞斷裂與靜力斷裂不同,它與應力循環次數有關.[σ]=σr/S

；[τ]=τr/Ss－N疲勞曲線

機械零件的疲勞大多發生在σ－N曲線的CD段，D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區.

s－N疲勞曲線

失效形式:疲勞斷裂(塑、脆性材料)變應力下的強度疲勞46★疲勞曲線1、應力越小，能經受的循環次數越多。應力循環基數2、疲勞曲線的左半部（N≤N0），可用下列方程表示：對應于循環次數N的彎曲疲勞極限：★許用應力對稱循環：脈動循環：應力集中系數尺寸系數表面狀態系數★疲勞曲線1、應力越小，能經受的循環次數越多。應力循環基數247四.許用應力和安全系數四.許用應力和安全系數481．失效形式：疲勞點蝕

后果：

a.損壞零件的光滑表面

b.減小了接觸面積，降低承載能力

c.引起振動和噪聲五.接觸疲勞強度1．失效形式：疲勞點蝕后果：五.接觸疲勞強度49

由彈性力學知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應力發生在接觸區中線上，其值為:２．接觸應力的計算由彈性力學知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸503.接觸疲勞強度的判定條件3.接觸疲勞強度的判定條件51接觸應力的特點僅在局部很小的區域內產生很大的應力。

４．影響接觸疲勞強度的因素

接觸應力的特點僅在局部很小的區域內產生很大的應力。４．52磨損：（零件表面破壞）耐磨性：②零件磨損的三個階段跑合磨損階段穩定磨損階段劇烈磨損階段①影響磨損的因素

六.機械零件的耐磨性磨損：（零件表面破壞）耐磨性：②零件磨損的三個階段跑合磨損階53針對失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等

③計算準則

在預定使用期限內，零件的磨損量不超過允許值。

針對失效形式：零件表面破壞③計算準則在預定使用期限內，零54§3機械零件的常用材料及鋼的熱處理一.常用材料常用零件材料的力學性能等級和牌號1鑄鐵：含Ｃ＞2.06％→易成型、價廉、吸振、可靠性差灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵2鋼：含Ｃ量＜2％→常用碳素鋼：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素鋼、優質碳素鋼合金鋼：綜合機械性能好，但較貴,合金鋼的優良性能取決于化學成份及熱處理鑄鋼：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3有色金屬合金：有特殊性能，價昂→少用鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金4非金屬材料：工程塑料、橡膠、燒結材料、復合材料…§3機械零件的常用材料及鋼的熱處理一.常用材料常用零件材55(一)、鑄鐵：

含碳量＞2％的鐵碳合金，并含有較多

P、S、Mn等雜質。

(二)、鋼：含碳量＜2％的鐵碳合金。1.碳素鋼

低碳鋼(≤0.25%)σs、σB較低，塑性高，良好的焊接性中碳鋼(0.25%～0.60%)綜合力學性能較好高碳鋼(＞0.60%)高強度和彈性普通碳素鋼Q235、Q275

優質碳素鋼20、45(一)、鑄鐵：含碳量＞2％的鐵碳合金，并含有較多(二)563.鑄鋼

主要用于制造承受重載、形狀復雜的大型零件。

牌號：ZG230－450(σs＝230MPa,σB=450MPa)綜合機械性能好，優良性能取決于化學成份及熱處理,但較貴牌號：60Si2Mn40Cr20CrMnTi2.合金鋼合金鋼低合金鋼（合金含量＜5％）中合金鋼（合金含量5％－10％）高合金鋼（合金含量＞10％）4.有色金屬合金

良好的減摩性、耐腐蝕性、耐熱性和導電性,價昂。鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金

ZCuH625.非金屬材料

耐腐蝕、絕緣性、絕熱性、優異的成形性能，質輕價廉. 工程塑料、橡膠、陶瓷、復合材料…3.鑄鋼主要用于制造承受重載、形狀復雜的大型零件。綜合機械57二.金屬材料的力學性能應力極限：1、彈性極限σp3、強度極限σB低碳鋼的應力—應變曲線力學性能指標強度塑性硬度沖擊韌性2、屈服極限σs(一)、強度二.金屬材料的力學性能應力極限：1、彈性極限σp3、強度極58(二)塑性：金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力伸長率δ；斷面收縮率

對于低碳鋼，約25%左右，約為60%。這二個指標越高，材料的塑性越好。1(二)塑性：金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力59常用的硬度指標：布氏硬度（HBS）硬度機壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS<450洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）120o金剛石錐體，載荷分別為150kgf,、100kgf、60kgf維氏硬度（HV）136o金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf

(三)、硬度：