《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（下）》電子教案機(jī)械與電子工程學(xué)院潘天/p>

北校區(qū)9—311(O)

西林26—322(H)65/wangluokecheng/2007/jxsjjc/jxzy/dzkj.asp/03/1/jxsjjc/一個機(jī)械系統(tǒng)一般包含機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動動力系統(tǒng)、檢測與控制系統(tǒng)。一臺機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)總是由一些機(jī)構(gòu)組成的，每個機(jī)構(gòu)又是由若干零件組成的。有些零件是在各種機(jī)器中常用的，稱之為通用零件；有些零件只有在特定的機(jī)器中才用到，稱之為專用零件。通用零件包括：

齒輪、鏈傳動、帶傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動；軸、聯(lián)軸器、離合器；滾動軸承、滑動軸承；螺栓、鍵、花鍵、銷；鉚、焊、膠結(jié)構(gòu)件；彈簧、機(jī)架、箱體等。專用零件例如：葉片、犁鏵、槍栓等。通用零件是本課程的主要學(xué)習(xí)對象，而專用零件的設(shè)計方法應(yīng)在有關(guān)專業(yè)

課中學(xué)習(xí)。1.本課程的內(nèi)容、性質(zhì)與任務(wù)第三節(jié)１

本課程的主要內(nèi)容是：學(xué)習(xí)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)知識；學(xué)習(xí)一般尺寸和參數(shù)的通用零件設(shè)計方法。具體內(nèi)容包括:1、總論部分——機(jī)器及零件設(shè)計的基本原則、設(shè)計計算理論、材料選擇、結(jié)構(gòu)要求以及摩擦、磨損、潤滑等方面的基本知識；2、連接部分——螺紋、鍵、銷、鉚、焊接、膠接、過盈連接等；3、傳動部分——螺旋、帶、鏈、齒輪、蝸桿等傳動；4、軸系部分——滾動、滑動軸承，聯(lián)軸器、離合器以及軸等；5、其他部分——彈簧、機(jī)座和箱體，減速器和變速器等。工程材料：非金屬材料，金屬材料及熱處理。工程制圖：設(shè)計的圖形表達(dá)。機(jī)械制造基礎(chǔ)：冷加工工藝，熱加工工藝。公差配合與技術(shù)測量：解決精度設(shè)計問題。理論力學(xué)：解決力分析與動力計算。材料力學(xué)：解決強(qiáng)度分析問題。機(jī)械原理：解決機(jī)械的方案設(shè)計。

本課程所涉及的先修課程有：

機(jī)械設(shè)計結(jié)果的表現(xiàn)形式為：機(jī)械工程圖、說明書和計算機(jī)程序。

本課程的性質(zhì)是：以通用零件的設(shè)計為核心的設(shè)計性課程。而且是論述它們的基本設(shè)計理論與方法的技術(shù)基礎(chǔ)課程。本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生：1、有正確的設(shè)計思想并勇于創(chuàng)新探索；2、掌握通用零件的設(shè)計原理、方法和機(jī)械設(shè)計的一般規(guī)律，進(jìn)而具有綜合運(yùn)用所學(xué)的知識，改進(jìn)和開發(fā)基礎(chǔ)件及設(shè)計簡單機(jī)械的能力。3、具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力；4、掌握典型機(jī)械零件的試驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練；5、了解國家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)政策，并了解機(jī)械設(shè)計的新發(fā)展。本課程的幾個特點(diǎn)涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟(jì)性。門類多─各類零件，各有特點(diǎn)，設(shè)計方法各異。公式多─計算多，有解析式、半解析式、經(jīng)驗(yàn)的、半經(jīng)驗(yàn)的及定義式。圖表多─結(jié)構(gòu)圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)表。實(shí)踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實(shí)際，要注重實(shí)踐性環(huán)節(jié)。無重點(diǎn)─又都是重點(diǎn)，設(shè)計工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計得更好，要注意發(fā)展求異思維。第三節(jié)2注意處理好幾個關(guān)系零件的設(shè)計與選用

─零件設(shè)計的兩個主要途徑。設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計

─設(shè)計決非只是計算，同學(xué)更應(yīng)重視結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)。性能要求與經(jīng)濟(jì)性

──永遠(yuǎn)是一對矛盾，應(yīng)學(xué)會合理地解決這一對矛盾。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。具體的設(shè)計方法與一般的設(shè)計能力

──前者是學(xué)習(xí)的形式，后者是學(xué)習(xí)的目的。

總之，通過本課程的學(xué)習(xí)，逐步提高自己的理論水平，構(gòu)思能力，特別是提高分析問題和解決問題的能力，為順利過渡到專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)行專業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備的設(shè)計打下寬廣和堅實(shí)的基礎(chǔ)。①楊可楨等主編.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，2006√√①濮良貴，紀(jì)名剛主編的《機(jī)械設(shè)計》（第8版）高等教育出版社，2006√√②邱宣懷主編機(jī)械設(shè)計（第四版），高教出版社2000

③殷玉楓主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計，機(jī)械工業(yè)出版社，2006√√

④潘天麗、胡國田編《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》（甲）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書√√2.推薦教材及參考書目3.學(xué)時數(shù)與學(xué)分：

總學(xué)時48，其中有三個實(shí)驗(yàn)6學(xué)時。學(xué)分3分。另外還有三周課程設(shè)計單獨(dú)計3學(xué)分。4.考核方式：（1）閉卷筆試：主要檢查對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況，占總評成績的70%；（2）考查：主要考查上課出勤情況、課堂回答問題情況、實(shí)驗(yàn)情況、作業(yè)等，占總評成績的30%。5.課外自學(xué)要求(包含作業(yè)要求)：要求自學(xué)教材中課堂講授沒有講到的內(nèi)容及參考書相應(yīng)的內(nèi)容，完成每章后的復(fù)習(xí)題，課外自學(xué)大約需要45～50學(xué)時！第9章機(jī)械零件設(shè)計概論（4）第10章連接（6）第11章齒輪傳動(6)第12章蝸桿傳動（3）第13章帶傳動和鏈傳動(6)實(shí)驗(yàn)一機(jī)械傳動效率的測試（2）第14章軸（4）第15章滑動軸承（3）實(shí)驗(yàn)二、滾動軸承的類型、結(jié)構(gòu)、代號和軸的結(jié)構(gòu)、分析和測繪（2）第16章滾動軸承（6）第17章聯(lián)軸器、離合器和制動器（2）第18章彈簧（1）第19章機(jī)架和箱體、減速器與變速器簡介（1）實(shí)驗(yàn)三、減速器的拆裝（2）

6、各章課時分配第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

前面8章主要講述了常用機(jī)構(gòu)和機(jī)器動力學(xué)的基本知識，即機(jī)械原理部分。從本章開始主要講述常用連接、機(jī)械傳動、軸系零部件和彈簧即通用機(jī)械零件的設(shè)計問題。具體內(nèi)容包括：

1)怎樣合理確定零件的形狀和尺寸；

2)怎樣適當(dāng)選擇零件的材料；

3)怎樣使零件具有良好的工藝性等。第九章機(jī)械零件設(shè)計概論《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概述第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度

第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)第七節(jié)機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概述一、機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：

在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。

概括地說是：工作可靠、成本低廉。

二、名詞術(shù)語：

1.失效：

機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作（完不成規(guī)定的功能或達(dá)不到設(shè)計要求的性能）時，稱為失效。第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概論第九章機(jī)械零件設(shè)計概論2.失效的形式：因強(qiáng)度不夠發(fā)生斷裂或塑性變形；因剛度不夠而產(chǎn)生過大的彈性變形；因耐磨性不足或潤滑不良而使工作表面過度磨損或損傷；或因長細(xì)比（也稱柔度）過大穩(wěn)定性不足而發(fā)生失穩(wěn)；因失去振動穩(wěn)定性而發(fā)生強(qiáng)烈的振動（或共振）、聯(lián)接的松弛、摩擦傳動的打滑等。歸納起來最主要的為強(qiáng)度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。同一種零件可能的失效形式往往有若干種。第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概論第九章機(jī)械零件設(shè)計概論齒輪輪齒斷裂齒輪鍵槽斷裂第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概論第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

3.工作能力：在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度（或者說在一定條件下零件抵抗失效的能力）。通常，用載荷大小來衡量這個限度，所以習(xí)慣上稱為承載能力。

4.工作能力計算準(zhǔn)則：為防止機(jī)械零件發(fā)生某種失效而應(yīng)滿足的條件。也可以理解為是機(jī)械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設(shè)計零件時的理論依據(jù)。強(qiáng)度條件：計算應(yīng)力<許用應(yīng)力；計算量≤許用量剛度條件：變形量<許用變形量；第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概論第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

5.設(shè)計計算與校核計算：為了防止機(jī)械零件在工作中產(chǎn)生失效，設(shè)計時，需要以零件的工作能力計算準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行必要的計算，常用的計算方法（過程）有設(shè)計計算和校核計算兩種。設(shè)計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準(zhǔn)則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。校核計算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗(yàn)算零件是否滿足計算準(zhǔn)則。如不滿足，則應(yīng)修改零件的尺寸。第一節(jié)機(jī)械零件設(shè)計概論第九章機(jī)械零件設(shè)計概論三、機(jī)械零件的設(shè)計步驟

1.擬定零件的計算簡圖。

2.確定作用在零件上的載荷。

3.選擇合適的材料。

4.根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。應(yīng)當(dāng)注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格加以圓整。

5.繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論一、載荷

1.載荷：進(jìn)行強(qiáng)度計算所依據(jù)的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統(tǒng)稱為載荷。

2.機(jī)械零件實(shí)際承受的載荷：靜載荷：大小、作用位置和方向不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷：大小、作用位置或方向隨時間變化的載荷。動載荷：由運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

3.機(jī)械設(shè)計計算中的載荷：

名義載荷：在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷（不考慮動載荷的影響）載荷系數(shù)：考慮機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時動力參數(shù)的不穩(wěn)定，工作阻力變化等原因，使零件受到各種附加載荷而引入的影響系數(shù)K

。

計算載荷：載荷系數(shù)K×名義載荷（代表機(jī)器或零件實(shí)際所受載荷）第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論二、應(yīng)力

1.設(shè)計計算的應(yīng)力：

名義應(yīng)力：根據(jù)名義載荷求得的應(yīng)力計算應(yīng)力：根據(jù)計算載荷求得的應(yīng)力

2.機(jī)械零件的實(shí)際應(yīng)力：

靜應(yīng)力——不隨時間變化的應(yīng)力。

變應(yīng)力——隨時間變化的應(yīng)力。非周期性變應(yīng)力：應(yīng)力的變化沒有周期性。循環(huán)變應(yīng)力：應(yīng)力的變化具有周期性。σtσtT第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論3.循環(huán)變應(yīng)力的衡量指標(biāo)：

平均應(yīng)力σm：一個應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的平均值。

應(yīng)力幅σa

：一個應(yīng)力循環(huán)中，應(yīng)力偏離平均應(yīng)力的程度。變應(yīng)力循環(huán)特性r：應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比。Tσtσmaxσminσmσa第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

4.循環(huán)變應(yīng)力的類型：對稱循環(huán)變應(yīng)力：r＝-1。脈動循環(huán)變應(yīng)力：r＝0。靜應(yīng)力：r＝1，可看作是變應(yīng)力的特例。非對稱循環(huán)變應(yīng)力：r≠0、±1對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力時間應(yīng)力時間應(yīng)力時間tt第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論三、機(jī)械零件的強(qiáng)度條件：1.機(jī)械零件在整體或表面上的應(yīng)力不得超過允許的限度。前者稱為整體強(qiáng)度，后者稱為表面接觸強(qiáng)度。2.機(jī)械零件整體強(qiáng)度條件為零件危險截面的計算應(yīng)力不大于零件材料的許用應(yīng)力：四、靜應(yīng)力條件下的許用應(yīng)力塑性材料制成的零件，主要損壞形式為塑性變形，按不發(fā)生塑性變形條件進(jìn)行強(qiáng)度計算，其極限應(yīng)力為零件材料的屈服極限，許用應(yīng)力：

第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

S為安全系數(shù)。零件發(fā)生塑性變形后，會影響零件的正常工作，但不會引起重大事故，所以安全系數(shù)取值可小些；對于塑性較差或鑄鋼，按相關(guān)安全系數(shù)表格選取。S安全系數(shù)。零件的斷裂可能引起重大的損失甚至人生事故，故安全系數(shù)取值較大，或按相關(guān)的安全系數(shù)表格選取。脆性材料制成的零件，主要損壞形式為斷裂，按不發(fā)生斷裂條件進(jìn)行強(qiáng)度計算，極限應(yīng)力為零件材料的強(qiáng)度極限，許用應(yīng)力：五、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力

1.失效形式：變應(yīng)力下，無論是塑性材料還是脆性材料，主要損壞形式都是疲勞斷裂。

第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論2.疲勞失效的機(jī)理疲勞失效是疲勞損傷積累的結(jié)果，經(jīng)歷了三個階段：裂紋形成裂紋擴(kuò)展瞬時斷裂疲勞源壟溝紋疲勞紋粗糙區(qū)光滑區(qū)疲勞斷口的獨(dú)特性：兩個區(qū)疲勞區(qū)（光滑區(qū)）脆斷區(qū)（粗糙區(qū)）3.疲勞斷裂具有以下特征：

1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低；2)疲勞斷口均為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3)疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

4.疲勞曲線：表示應(yīng)力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，如圖所示。從圖中可以看出，應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論r-----應(yīng)力循環(huán)特性（應(yīng)力比）；N-----疲勞斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。疲勞極限r(nóng)N——對任一給定的應(yīng)力循環(huán)特征r，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)

N0次后，材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。N0稱為循環(huán)基數(shù)。對于特定的材料，具有標(biāo)準(zhǔn)值。疲勞曲線的左半部（N＜N0），可近似地用下列方程式表示：第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論利用上式可以求得在一定循環(huán)特性的變應(yīng)力作用下，任意循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限式中：——壽命系數(shù)；當(dāng)N≥N0

時，取N＝N0

，KN=1。m為隨應(yīng)力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論通常用σ-l表示材料在對稱循環(huán)變應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。

5.影響機(jī)械疲勞強(qiáng)度的因素：在變應(yīng)力條件下，影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素很多，有應(yīng)力集中系數(shù)、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等。主要為前三種。對稱循環(huán)變應(yīng)力作用下，任意循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限為第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論應(yīng)力集中的影響由于結(jié)構(gòu)要求，實(shí)際零件都有截面形狀的突然變化或材料不連續(xù)處（孔、圓角、鍵槽、缺口等），零件受載時，它們就會引起應(yīng)力集中。常用有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ表示（指材料、尺寸和受載情況都相似的一個無應(yīng)力集中試樣與一個有應(yīng)力集中試樣的疲勞極限的比值，即kσ=σ-1/(σ-1)k絕對尺寸的影響

當(dāng)其他條件相同時，零件尺寸越大，則其疲勞強(qiáng)度越低。主要是由于尺寸大時，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對較薄，疲勞裂紋容易形成。常用絕對尺寸系數(shù)εσ表示εσ=（σ-1）d/(σ-1)d0表面狀態(tài)的影響

包括表面粗糙度和表面處理的情況。用表面狀態(tài)系數(shù)β來表示β=（σ-1）β/(σ-1)β06.許用應(yīng)力：當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力時，有限壽命下的許用應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，有限壽命下的許用應(yīng)力為當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應(yīng)力為Kσ應(yīng)力集中系數(shù)；εσ尺寸系數(shù)；β表面狀態(tài)系數(shù)；σ0脈動循環(huán)疲勞極限第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論六、安全系數(shù)在保證安全的前提下，盡可能選用較小的許用安全系數(shù)。原則如下：靜應(yīng)力下，塑性材料以屈服極限應(yīng)力為極限應(yīng)力。S=1.2～1.5,對塑性較差的材料（σs/σB＞0.6）或鑄鋼件S=1.5～

2.5；靜應(yīng)力下，脆性材料以強(qiáng)度極限為極限應(yīng)力，應(yīng)取較大，S=3～

4；變應(yīng)力下，以疲勞極限為極限應(yīng)力，S=1.3～

1.7，若材料不夠均勻，S=1.7～

2.5。S總=S1?S2???Sn第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論例9-1一小型轉(zhuǎn)臂吊車如圖所示，橫梁采用工字鋼，電動葫蘆（圖中未示出）與橫梁上的小車相連。小車移動和橫梁轉(zhuǎn)動用人力操縱。小車、電動葫蘆的自重及起重機(jī)總計為W=20KN。試分析（1）拉桿、橫梁及支承B的作用力；（2）拉桿、橫梁可能出現(xiàn)的主要失效形式及其判定條件。解（1）如圖所示，已知尺寸L、l、H后，即可進(jìn)行受力分析。取橫梁為示力體，若略去橫梁自重，其上作用有力W、F及支承B的約束反力、，這些力處于同一平面內(nèi)。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論由

=0得

kN(拉力)

拉力F可分解為

和

：

=Fcos30°=33.87×0.866=29.33kN

=Fsin30°=33.87×0.5=16.94kN

由

=0得

kN

由

=0得

kN

順便指出，后兩個方程改寫成

=0和

=0，同樣可以求解。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度2）小型起重設(shè)備，一般工作不頻繁，滿載起重次數(shù)不多，故本題可按承受靜載荷考慮，以最大起重量(包括小車、電動葫蘆自重)作為計算載荷。拉桿、橫梁材料均選用Q235鋼。失效形式分析及判定條件，列表如下：橫梁上鉚釘組承受的載荷及可能出現(xiàn)的主要失效形式，讀者可自己分析(即本章習(xí)題9-7及9-8)。項(xiàng)目載荷可能出現(xiàn)的主要失效形式判定條件拉桿拉力F強(qiáng)度不足，出現(xiàn)塑性變形或斷裂。σ≤[σ]，σ、[σ]為拉應(yīng)力、許用拉應(yīng)力。

橫梁

(即壓桿)主要有：

移動載荷W

壓力F當(dāng)移動載荷W位于橫梁中部時：

若彎曲變形(撓度y)過大，即剛度不足，可能引起小車在橫梁上行走困難。

若彎曲應(yīng)力與由引起的壓應(yīng)力的合成應(yīng)力過大，即強(qiáng)度不足，可能出現(xiàn)塑性變形或斷裂。

若壓桿長細(xì)比值較大時，可能出現(xiàn)側(cè)彎，即抗側(cè)彎剛度不足，屬于壓桿穩(wěn)定性問題。本題中，在xoz平面內(nèi)，工字梁抗側(cè)彎剛度最小，在此平面內(nèi)引起側(cè)彎的載荷只有。y≤[y]，

y、[y]為變形量、許用變形量。

y≤[y]，

σ、[σ]為應(yīng)力、許用應(yīng)力。

為的臨界載荷，為最小安全系數(shù)。第二節(jié)機(jī)械零件的強(qiáng)度例9-2一車軸如圖9-5所示。已知=F=110kN，軸的材料為Q275鋼，=550MPa，=240MPa，規(guī)定的安全系數(shù)=1.5。試校核A-A截面的疲勞強(qiáng)度。解（1）車軸轉(zhuǎn)動時，載荷F的大小、方向都不變，故軸受對稱循環(huán)彎曲變應(yīng)力，循環(huán)特性為r=-1。

（2）A-A截面的彎曲應(yīng)力彎矩M=110×10×82=9.02×10Nmm

截面系數(shù)W=πd/32=π×108/32=124×10mm

彎曲應(yīng)力=/W=9.02×10/(124×10)=72.7MPa（3）求各項(xiàng)系數(shù)(由機(jī)械設(shè)計手冊中查取)由=550MPa，D/d=133/108=1.23，r/d=0.185查得

彎曲時的有效應(yīng)力集中系數(shù)=1.34，尺寸系數(shù)

=0.68.表面粗糙度及=550MPa，查得表面狀態(tài)系數(shù)=0.95（4）疲勞強(qiáng)度校核彎曲時安全系數(shù)安全。第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

1.接觸強(qiáng)度：若兩個零件在受載前是點(diǎn)接觸或線接觸，受載變形后，其表層產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。承受接觸應(yīng)力的零件的承載能力不僅取決于整體強(qiáng)度，還取決于表面的接觸強(qiáng)度。

2.疲勞點(diǎn)蝕：機(jī)械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的接觸變應(yīng)力，在載荷重復(fù)作用下，金屬表層內(nèi)產(chǎn)生初始疲勞裂紋、裂紋擴(kuò)展至最終金屬脫落的破壞現(xiàn)象。第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

機(jī)械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴(kuò)展)，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕。發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力。3.對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計算。1FB2σHσHFB12σHσH第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論令及對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，則上式簡化為：

第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

4.零件受接觸變應(yīng)力作用時接觸強(qiáng)度條件為

σH≤[σH]而[σH]=σHlim/SH

式中σHlim為由實(shí)驗(yàn)測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準(zhǔn)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)：接觸應(yīng)力具有上下對等、左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點(diǎn)。由于接觸應(yīng)力是局部性的應(yīng)力，且應(yīng)力的增長與載荷Fn不成直線關(guān)系，而要緩慢得多，故安全系數(shù)SH可取為等于或稍大于1。第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論例9-4圖9-9所示的摩擦輪傳動，由兩個相互壓緊的鋼制摩擦輪組成。已知D1=100mm，D2=140mm，b=50mm，小輪主動，主動軸傳遞功率P=5kW、轉(zhuǎn)速n1=500r/min，傳動較平穩(wěn)，載荷系數(shù)K=1.25，摩擦系數(shù)f=0.15。試求：(1)所需的法向壓緊力；(2)兩輪接觸處的最大接觸應(yīng)力；(3)若摩擦輪材料的硬度為300HBS，表面接觸強(qiáng)度是否足夠。解(1)法向壓緊力傳動在接觸處的最大摩擦力為f，拖動從動輪所需的圓周力為F，考慮到附加載荷的影響和保證摩擦傳動的可靠性，計算圓周力為KF。為了防止打滑，應(yīng)使

f≥KF。小輪轉(zhuǎn)矩

圓周力，

法向壓緊力(2)接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力的最大值按式（9-10）計算，

本題中Fn=15900N，鋼的彈性模量E=2.06×105MPa，b=50mm，綜合曲率半徑=，故

MPa(3)驗(yàn)算表面接觸強(qiáng)度如前述，對于鋼可取接觸疲勞極限

=2.76HBS-70=2.76×300-70=758MPa取安全系數(shù)=1.1，則[]=758/1.1=689MPa，<[]，合宜。第三節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論一、術(shù)語和概念：

1.磨損：運(yùn)動副的摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。

2.磨損的影響：磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態(tài),影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，促使機(jī)器提前報廢。

3.磨損率：單位時間（或單位行程、轉(zhuǎn)等）材料的損失量。

4.耐磨性：零件抗磨損的能力。與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。

5.正常磨損：除非運(yùn)動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避兔的。但是只要磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能保持一定壽命。所以，在預(yù)定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，就認(rèn)為是正常磨損。

據(jù)統(tǒng)計，約有80％的損壞零件是因磨損而報廢的。磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損二、典型宏觀磨損過程：一個機(jī)械零件的磨損過程大體可分為磨合、穩(wěn)定磨損、劇烈磨損三個階段。1.磨合（跑合）階段：是指新零件在運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損。新的摩擦副表面比較粗糙，真實(shí)微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論2.穩(wěn)定磨損階段：這個階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長短直接影響機(jī)器的壽命。

3.劇烈磨損階段：零件經(jīng)長時間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動加大，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報廢。注：應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論三、磨損的類型

按磨損的機(jī)理不同，機(jī)械零件的磨損大體分為四種基本類型：

1.磨粒磨損，也稱磨料磨損是外界的硬顆粒或粗糙的硬表面在相對運(yùn)動中，對摩擦表面的擦傷所引起的磨損。

2.粘著磨損，也稱膠合摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運(yùn)動中，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘著磨損。

3.疲勞磨損，即疲勞點(diǎn)蝕

是高副（點(diǎn)、線接觸）機(jī)械零件的常見磨損形式。第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

4.腐蝕磨損：摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現(xiàn)象，這種情況下產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等其他形式。減小磨損的主要方法

（1）潤滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。（2）合理選擇摩擦副材料（3）進(jìn)行表面處理（4）注意控制摩擦副的工作條件等第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論五、耐磨性計算

1.實(shí)用耐磨計算是限制運(yùn)動副的壓強(qiáng)p，即

p≤[p]

式中[p]是由實(shí)驗(yàn)或同類機(jī)器使用經(jīng)驗(yàn)確定的許用壓強(qiáng)。

2.相對運(yùn)動速度較高時，還應(yīng)考慮運(yùn)動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv值與許用[pv]值進(jìn)行比較，即

pv

≤[pv]第四節(jié)機(jī)械零件的耐磨性第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論一、常用材料1.鑄鐵鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%鐵碳合金特點(diǎn)：①具有良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。

②較好的減震性、耐磨性、切削性（灰鑄鐵）

③成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵2.鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)碳素結(jié)構(gòu)鋼（含碳量＜

0.7%

）合金結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼按用途按化學(xué)成分＜

0.25%低碳鋼0.3%~0.5%中碳鋼＞0.5%高碳鋼按含碳量特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表9-2常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）

1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）

1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）

1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）

3合金工具鋼（φ29~50）

3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）

5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。二、非金屬材料橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論詳細(xì)說明二、機(jī)械零件材料的選用需要考慮的因素載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的工作情況零件的尺寸及重量零件的結(jié)構(gòu)及加工性材料的經(jīng)濟(jì)性材料的供應(yīng)狀況在做設(shè)計的時候，根據(jù)實(shí)際情況，在保證經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的情況下，查閱《機(jī)械工程材料》等手冊，選取合適的材料。第五節(jié)機(jī)械制造常用材料及其選擇第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論一、極限與配合

1.互換性：機(jī)器是由獨(dú)立制造的零件裝配而成的。為了降低生產(chǎn)成本，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，希望制造的零件具有這樣的性質(zhì)：裝配時不加選擇及附加的加工，就能達(dá)到預(yù)期的裝配技術(shù)要求。該性質(zhì)稱為互換性。互換性的好處：具有互換性的機(jī)器，當(dāng)它們的零、部件損壞時，就能夠迅速地用新的替換，縮短修理時間，節(jié)約修理費(fèi)用，保證機(jī)器工作的連續(xù)性和持久性，提高機(jī)器的使用率。

互換性的實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計與制造必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。加工精度——指零件經(jīng)加工后的尺寸、形狀及各加工面的相互位置等技術(shù)參數(shù)的實(shí)際值同設(shè)計給定的數(shù)值相符合的程度。加工質(zhì)量加工精度表面質(zhì)量尺寸精度20個形狀精度8個位置精度6個用各自的公差來表示。用表面粗糙度來衡量。公差與配合的基本知識

1）術(shù)語與定義

Ⅰ基本尺寸：設(shè)計給定的尺寸。如D，dⅡ?qū)嶋H尺寸：測量所得的尺寸。Ⅲ極限尺寸：允許變化的界限值。如：Dmax、dmin第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論Th=Dmax-Dmin=ES–EI（絕對值）Ts=dmax-dmin=es-ei

（絕對值）公差與偏差是有區(qū)別的：偏差是代數(shù)值，有負(fù)有正；而公差則是絕對值。

Ⅳ上偏差：最大極限值。如：ES=Dmax-D、es=dmax-d

Ⅴ下偏差：最小極限值。如：EI=Dmin-D、

ei=dmin-d

Ⅵ尺寸公差：允許尺寸的變動量第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論2）標(biāo)準(zhǔn)公差——公差帶大小的標(biāo)準(zhǔn)化。國標(biāo)規(guī)定，尺寸精度是用標(biāo)準(zhǔn)公差等級來確定的。用IT表示，分20個等級：IT01、IT0、IT1、…IT18。數(shù)字越大，等級越低。選用公差，既要滿足設(shè)計又要滿足工藝性和經(jīng)濟(jì)性。盡量選用低等級，以降低成本，提高生產(chǎn)率。不同的基本尺寸，同一公差等級，其公差值不同。如：基本尺寸公差等級公差值10IT56μm100IT515μm500IT527μm

公差帶——由代表上、下偏差的兩條直線所限定的一個區(qū)域。其大小由標(biāo)準(zhǔn)公差確定，其位置由基本偏差確定。

3）基本偏差——公差帶位置的標(biāo)準(zhǔn)化。指公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差（國標(biāo)規(guī)定靠近零線的那個偏差）。基本偏差系列——孔和軸各有28個基本偏差。分別為A、B、C、CD、D、E、EF、F、FG、G、H（孔的下偏差）、J、Js、K、M、N、P、R、S、T、U、V、X、Y、Z、ZA、ZB、ZC（孔的上偏差）。第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論4）公差帶的確定與標(biāo)注第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論5）配合

指基本尺寸相同、互相結(jié)合的孔和軸公差帶之間的關(guān)系。按軸與孔公差帶的相對位置不同，可形成三種類型配合：

（1）間隙配合

Xmax=Dmax–dmin=ES–ei

、

Xmin=Dmin–dmax=EI–es（2）過盈配合Ymax=Dmin–dmax=EI–es

、

Ymin=Dmax–dmin=ES–ei

（3）過渡配合（處于兩者之間）第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系3極限與配合標(biāo)準(zhǔn)的選用

1)基孔制與基軸制基孔制的孔是基準(zhǔn)孔，其下偏差為零。代號為H；如基軸制的軸是基準(zhǔn)軸，起上偏差為零。代號為h；如第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第六節(jié)極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第九章機(jī)械零件設(shè)計概論形狀與位置公差

1）形狀公差——零件實(shí)際要素的形狀所允許的變動全量。有：直線度—、平面度、圓度○、圓柱度、線輪廓度⌒、面輪廓度。

2）優(yōu)先選用的配合原則上可任意組合，但不夠經(jīng)濟(jì)。國標(biāo)推薦了優(yōu)先選用的公差帶（《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》第3版P106表9-3）2）位置公差——是指零件實(shí)際要素的方向或位置對基準(zhǔn)所允許的變動全量。有：平行度∥

、垂直度⊥

、傾斜度∠、同軸度◎、對稱度、位置度、圓跳動↗

、全跳動.

二、表面粗糙度表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加