MD2機械設計課件

教師：陳延偉第二章機械設計總論1機器設計程序及要求零件設計方法及步驟23機械零件的強度摩擦磨損及潤滑4ContentabstractPart1：機器設計程序及要求

作為設計者要了解：機器的基本組成是什么？機器設計的基本要求是什么？機器設計的一般程序是什么？機器設計常用的設計方法有哪些？

設計者思維機器的組成Part1：機器設計程序及要求1轎車組成：機器的組成Part1：機器設計程序及要求1原動機部分傳動部分執(zhí)行部分潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)傳動裝置――在原動機與執(zhí)行機構之間傳遞運動、轉換運動方式的裝置。機械傳動裝置是本課程研究的主要內容之一。任何機器都是由許多零件組合而成的。

幾個基本概念Part1：機器設計程序及要求21）機械――機器和機構的總稱。

2）機械零件――是機器的制造單元。分為：通用零件：各種機器中常用的。(是本課程的主要學習對象）

例如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、軸、聯(lián)軸器軸承、螺栓、鍵、鉚、焊結構件、彈簧等。專用零件：只在某些特定的機器中才用到的。(在有關專業(yè)課中學習)

例如：葉片、曲軸等。3）部件――為完成同一使命在結構上組合在一起并協(xié)同工作的零件。例如：滾動軸承、減速器等。機械零件－－常用泛指零件和部件機械設計的類型Part1：機器設計程序及要求3實現(xiàn)自主創(chuàng)新，擁有自主自主知識產權主要依靠開發(fā)性設計。創(chuàng)新性最強、過程最完整。對現(xiàn)有的機械進行局部的修改或增補。不改變機械的基本結構、只改變機械功能的范圍、機械的尺度和參數(shù)。一、機械設計的過程設計的類型適應性設計開發(fā)性設計參數(shù)化設計工作原理主體結構功能三者中至少應該有一項是首創(chuàng)的設計機器的一般程序Part1：機器設計程序及要求4計劃階段提出要求洗衣機自動進水洗滌甩干（脫水）方案設計提出盡可能多的解決方法篩選、決策、評價（可靠性、經濟上），選出最佳方案。單缸雙缸滾筒模糊控制自適應控制雙?？刂萍夹g設計目的：確定機械中各個零部件的結構尺寸（量化）繪圖、對方案具體實施，出圖。技術文件編制：編制設計計算說明書。設計機器的基本要求Part1：機器設計程序及要求51、使用功能要求實現(xiàn)預定功能，工作可靠。2、經濟性要求生產成本低、使用消耗小、維護費用低。措施：1）設計中采用“三化”零部件；標準化、系列化、通用化2）應用成熟的新技術、新材料及合理的工藝。3）選用高效率設備，減少動力、燃料消耗。3、勞動保護和環(huán)境保護要求4、壽命與可靠性的要求噪音、廢氣、廢液。5、其它專用要求Part2：零件設計方法及步驟

作為設計者要了解：機械設計的一般程序是什么？機械零件設計的基本要求是什么？機械零件的設計為什么要根據失效形式來確定設計準則？機械設計常用的設計準則有哪些？如何正確選擇機械零件常用的材料？機械零件材料的選擇原則是什么？

設計者思維設計機械零件時應滿足的基本要求Part2：零件設計方法及步驟1

避免在預定壽命期內失效的要求

結構工藝性要求

經濟性要求

質量小的要求

可靠性要求機器是由各種各樣的零部件組成的，要使所設計的機器滿足基本要求，就必須使組成機器的零件滿足以下要求：應保證零件有足夠的強度、剛度、壽命。設計的結構應便于加工和裝配。

零件應有合理的生產加工和使用維護的成本。

質量小則可節(jié)約材料，質量小則靈活、輕便。應降低零件發(fā)生故障的可能性（概率）。機械零件的主要失效形式Part2：零件設計方法及步驟2（一）整體斷裂齒輪輪齒斷裂軸承內圈斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應力超過零件的強度極限而導致的斷裂，或在變應力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。機械零件的主要失效形式Part2：零件設計方法及步驟2（二）過大的殘余變形當作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，零件將產生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形機械零件的主要失效形式Part2：零件設計方法及步驟2（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損機械零件的主要失效形式Part2：零件設計方法及步驟2（四）破壞正常工作條件引起的失效有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：液體摩擦的滑動軸承，只有存在完整的潤滑油膜時才能正常工作。帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作。高速轉動的零件，只有在轉速與轉動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當?shù)拈g隔才能正常工作。零件在工作時會發(fā)生哪一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質等很多因素有關。有統(tǒng)計結果表明，一般機械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。機械零件的設計準則Part2：零件設計方法及步驟3

強度準則剛度準則設計零件時，首先應根據零件的失效形式確定其設計準則以及相應的設計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：耐磨性準則

振動穩(wěn)定性準則可靠性準則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設計準則。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：通常與零件相對滑動速度和接觸面壓強相關。：高速運轉機械的設計應注重此項準則。：當計及隨機因素影響時，仍應確保上述各項準則。（1）計算機輔助設計機械零件的設計方法Part2：零件設計方法及步驟4常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法3.模型實驗設計（1）理論設計（2）經驗設計

（3）模型實驗設計（2）有限元設計（3）可靠性設計（5）優(yōu)化設計（4）摩擦學設計（6）綠色設計機械零件的設計方法Part2：零件設計方法及步驟4常規(guī)設計方法現(xiàn)代設計方法常規(guī)機械設計方法是依據力學和數(shù)學建立的理論公式和經驗公式為先導，以實踐經驗為基礎，運用圖表和手冊等技術資料，進行設計計算、繪圖和編寫設計說明的過程。該方法強調以成熟的技術為基礎，目前常規(guī)機械設計方法仍然是機械工程中的主要設計方法?，F(xiàn)代設計方法強調以計算機為工具，以工程軟件為基礎，運用現(xiàn)代設計理念進行的機械設計?，F(xiàn)代設計方法從不同角度深化了機械設計，提高了產品的設計質量，也降低了產品的成本。Part2：零件設計方法及步驟現(xiàn)代設計方法的趨勢以動態(tài)的取代靜態(tài)的，如機器結構動力學計算。以定量的取代定性的，如有限元計算。以隨機量取代確定量，如可靠性設計。以優(yōu)化設計取代可行性設計，如優(yōu)化設計。并行設計取代串行設計，如并行設計。微觀的取代宏觀的，如微-納米摩擦學設計。系統(tǒng)工程法取代分部處理法，如系統(tǒng)工程。自動化設計取代人工設計的轉化，如計算機輔助設計?，F(xiàn)代設計方法Part2：零件設計方法及步驟（1）計算機輔助設計（2）有限元設計（3）可靠性設計（5）優(yōu)化設計（4）摩擦學設計（6）綠色設計常規(guī)設計方法Part2：零件設計方法及步驟（1）理論設計：（2）經驗設計

（3）模型實驗設計設計計算：先分析零件的可能失效形式，根據該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結構尺寸。

校核計算：先確定零件的結構尺寸，再驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。FF例如設計計算校核計算機械零件設計的一般步驟Part2：零件設計方法及步驟5選擇零件類型、結構

計算零件上的載荷確定計算準則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結構設計校核計算畫出零件工作圖寫出計算說明書機械零件常用的材料Part2：零件設計方法及步驟6：鋁(ZA12)、銅(ZCuSn10P1)……黑色金屬有色金屬鐵鋼金屬材料非金屬材料密度小、耐蝕性好、化學穩(wěn)定性好

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼……(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵……(如：HT300QT500-5)強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石強度高、彈性模量大、質量輕（塑料、橡膠、合成纖維）復合材料陶瓷高分子材料機械零件材料選用原則Part2：零件設計方法及步驟7（1）載荷及應力的大小和性質（2）零件的工作情況（5）零件的結構及加工性（6）材料的經濟性（4）零件的尺寸及重量有強度和重量要求，選強密比高的；有剛度要求，選彈性模量大的（對碳鋼，這種情況下寧肯用較低強度的材料）；有接觸強度和耐磨要求，選表面可強化處理的。毛坯要與生產規(guī)模相適應，大批量宜用鑄造、模鍛，小批量宜用焊接、自由鍛。相應的：鑄件要求液態(tài)流動性好、縮孔和偏析傾向小；焊件要求可焊性好、不易開裂；鍛件要求延展性好、熱脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整；熱處理件要求可淬性、淬透性好，變形傾向小。相對價格要低、材料利用率要高、加工費用要少，最終要與生產規(guī)模相適應。使用要求工藝要求經濟要求

強制性國家標準：代號為GB××××(標準序號)－××××(批準年代)強制性國標必須嚴格遵照執(zhí)行，否則就是違法。機械零件設計中的標準化Part2：零件設計方法及步驟8標準化：就是要通過對零件的尺寸、結構要素、材料性能、設計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標準。

標準化的益處：

與設計有關的標準:國際標準國家標準行業(yè)標準企業(yè)標準等如：ISO

GB

JB、HB

QB

國家標準分為：強制標準和推薦標準標準化有利于保證產品質量，減輕設計工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產，以降低生產成本。推薦性國家標準：代號為GB／T××××－××××，這類標準占整個國標中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國家標準，以期取得事半功倍的效果。Part3：機械零件的強度強度（Strength）抵抗斷裂、點蝕及塑性變形等破壞性失效的能力強度約束：載荷(Load)：作用在零件上的外力、彎矩、扭矩以及沖擊能量等1)根據性質分類：靜載荷(StaticLoad)動載荷(VaryingLoad)一、載荷和應力(LoadandStress)如：重力、勻速轉動時所受離心力等如：行駛在路面的汽車內零件所受的載荷、刀具所受的切削力等Part3：機械零件的強度2)根據計算方法分類：工作載荷(workingload)：名義載荷(nominalload)：機器正常工作所受的實際載荷機器在理想和穩(wěn)定條件下的載荷計算載荷(computationalload)：考慮機器工作中所受的各種附加載荷而得到的載荷K(loadfactor)：載荷系數(shù)12近似代替實際載荷，設計時均用此載荷計算載荷=K

×名義載荷可根據原動機的額定功率或工作阻力按理論力學的方法求出Part3：機械零件的強度應力靜應力(staticstress)變應力(varyingstress)變應力穩(wěn)定循環(huán)不穩(wěn)循環(huán)隨機(random)T、σa、σm不隨時間而變T、σa、σm之一隨時間而變隨機變化，均不確定tttσσσ主要討論穩(wěn)定循環(huán)變應力！0003)應力(stress)Part3：機械零件的強度穩(wěn)定循環(huán)變應力的幾個主要參數(shù)：最大應力(maximumstress)最小應力(minimumstress)平均應力(meanstress)應力幅(stressamplitude)應力循環(huán)特征(stressratio)smax和smin同側時，r為正值;異側時，r為負值ts0最大、最小應力對應波峰、波谷，且五個參數(shù)中只有兩個是獨立的！Part3：機械零件的強度幾種典型的穩(wěn)定循環(huán)變應力：對稱循環(huán)（repeatedandreversedstress）脈動循環(huán)（repeated,one-directionstress）靜應力(staticstress)非對稱循環(huán)變應力（fluctuatingstress）材料不變時，一般來講，r越?。ㄔ浇咏?1），循環(huán)次數(shù)N越多，零件越容易損壞。ts0ts0ts0ts0Part3：機械零件的強度nts請確定下圖軸上任一點N所受彎曲應力的應力循環(huán)特征值r。變應力既可由變載產生，也可由靜載產生！答：當軸靜止時，彎曲應力為靜應力，r=+1。當軸轉動時，彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，r=-1。N例題1:Part3：機械零件的強度二、靜應力作用下的強度問題——零件發(fā)生破壞、失去承載能力時的應力脆性材料：塑性材料：例如：sb=200MPa45鋼：sb=650MPass=360MPa靜應力作用下的極限應力：灰鑄鐵：靜應力作用下的失效：斷裂或塑性變形強度準則：Part3：機械零件的強度變應力作用下的主要失效：疲勞斷裂強度約束：變應力作用下極限應力slim或tlim到底為多少？如何確定？初始裂紋疲勞區(qū)(光滑)粗糙區(qū)軸實驗發(fā)現(xiàn)：變應力作用下零件發(fā)生疲勞斷裂時的應力遠低于強度極限sb即：

slim

<sb三、穩(wěn)定循環(huán)變應力作用下的強度問題與應力循環(huán)次數(shù)N（使用壽命）有關的斷裂Part3：機械零件的強度變應力作用下零件的極限應力不唯一，主要與下列因素有關：◆

材料的性能◆

應力的循環(huán)次數(shù)N（作用時間）◆

應力的循環(huán)特征r◆

零件的表面狀態(tài)◆

零件的大小三個概念：材料的極限應力材料的疲勞極限零件的疲勞極限用標準試件進行強度試驗，斷裂時的應力值，即為材料的極限應力

如果是疲勞強度試驗，則發(fā)生疲勞斷裂時的最大應力值即為材料的極限應力。此時的極限應力不唯一，與多種因素有關如果是靜強度試驗，則材料的極限應力是固定值(屈服極限或強度極限)為示區(qū)別，變應力作用下的極限應力也叫疲勞極限應力Part3：機械零件的強度四、機械零件的接觸強度問題機械設備中各零件之間力的傳遞，一般是通過兩個零件的接觸來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸如齒輪、凸輪、滾動軸承等Part3：機械零件的強度兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形變成微小的面接觸，通常此面積甚小而表層產生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內約20μm處產生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產生高壓，使裂紋加快擴展，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)象稱為疲勞點蝕接觸失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕

后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。Part3：機械零件的強度由彈性力學可知最大接觸應力為：+外接觸；-內接觸E1、E2為兩圓柱體的彈性模量m1、m2為兩圓柱體的泊桑比ρΣ為綜合曲率半徑Fn

為法向力L

為接觸寬度Part3：機械零件的強度接觸應力的特點：表面的局部的沿中線位置最大接觸應力的大小與哪些因素有關？◆外載荷◆接觸寬度◆綜合曲率半徑◆材料（彈性模量）Part3：機械零件的強度—

赫芝公式（Hertz）

Hertz公式也可推廣到其它的曲面接觸

ρ1ρ2內接觸外接觸接觸強度約束：Part4：摩擦、磨損及潤滑理論一、摩擦、磨損及潤滑三者關系

當在正壓力作用下相互接觸的兩個物體受切向外力的影響而發(fā)生相對滑動，或有相對滑動趨勢時，在接觸表面上就會產生抵抗滑動的阻力，這一自然現(xiàn)象叫做摩擦。其結果必然有能量損耗和摩擦表面物質的喪失或轉移，即磨損。據估計，世界上在工業(yè)方面約有30%的能量消耗于摩擦過程中。所以人們?yōu)榱丝刂屏慵谀Σ林袚p壞，在摩擦面間加入潤滑劑來降低摩擦，減小磨損的產生，所以說三者互為因果關系。磨損是摩擦的結果；潤滑是降低摩擦、減少磨損的重要措施。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論一、摩擦的分類靜摩擦動摩擦1.按運動的狀態(tài)不同分為：滑動摩擦滾動摩擦2.按運動的形式不同分為：干摩擦邊界摩擦流體摩擦混合摩擦3.滑動摩擦按潤滑狀態(tài)不同分為：Part4：摩擦、磨損及潤滑理論三、滑動摩擦的四種摩擦狀態(tài)1）干摩擦：是指表面間無任何潤滑劑或保護膜，表面金屬直接接觸時的摩擦。2）邊界摩擦：是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質取決于邊界膜和表面吸附性能的摩擦。

其摩擦阻力最大，磨損最嚴重。

反應膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應膜，這種能力稱為極壓性。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論潤滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子柵，稱為物理吸附膜。

潤滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。

潤滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化學吸附膜。吸附膜反應膜邊界膜分為：物理吸附膜化學吸附膜在潤滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發(fā)生化學反應生成的邊界膜，稱為反應膜。

邊界摩擦靠邊界膜起潤滑作用，邊界膜的類型如下：

能生成反應膜的潤滑油稱為極壓油。注：溫度對邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論３）流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦。其摩擦系數(shù)最小，且不會產生磨損，是理想的摩擦狀態(tài)。

邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為邊界摩擦。4）混合摩擦：是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。

混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦時要小得多。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論四、典型宏觀磨損過程磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損一個機械零件的磨損過程大體可分為三個階段：1）磨合階段

磨合（跑合）：是指新零件在運轉初期的磨損。新摩擦表面的微觀形貌新的摩擦副表面比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強大，因此運轉初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強減小，磨損的速度逐漸減慢。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論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器的壽命。3）劇烈磨損階段

零件經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，導致磨損加劇，最終導致零件報廢。注：應該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損Part4：摩擦、磨損及潤滑理論五、磨損的類型

按磨損的機理不同，機械零件的磨損大體分為四種基本類型：1）粘著磨損也稱膠合2）疲勞磨損即疲勞點蝕3）磨粒磨損也稱磨料磨損，4）腐蝕磨損

摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運動中，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘著磨損。

是外界的硬顆?；虼植诘挠脖砻嬖谙鄬\動中，對摩擦表面的擦傷所引起的磨損。

是高副（點、線接觸）機械零件的常件磨損形式。

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。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論六、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）進行表面處理（4）注意控制摩擦副的工作條件等潤滑：是指在兩個摩擦表面之間加入潤滑劑，以減小摩擦和磨損。此外，潤滑還可起到散熱降溫、防銹、防塵、緩沖吸振等作用。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論七、潤滑的分類1）流體動力潤滑：靠兩摩擦表面的相對運動建立壓力油膜（稱為動壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實現(xiàn)流體潤滑。2）流體靜力潤滑：兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開，強迫形成壓力油膜，實現(xiàn)流體潤滑。3）彈性流體動力潤滑：是指理論上為點、線接觸的摩擦副，在考慮表面的彈性變形等因素的基礎上建立的流體動力潤滑。4）邊界潤滑和混合潤滑（即邊界摩擦和混合摩擦）。Part4：摩擦、磨損及潤滑理論八、潤滑劑：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。1潤滑劑的分類1）液體潤滑劑：主要有動植物油、礦物油、水、液態(tài)金屬等。2）