第2章机械设计基础知识

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1、机械设计基础知识机械设计基础知识第第2 2章章 机械设计基础知识机械设计基础知识 2.1 机械零件应力及设计准则机械零件应力及设计准则 2.2 机械设计中常用材料及其选择机械设计中常用材料及其选择 2.4 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化 2.3 极限与配合、表面粗糙度和优先数系极限与配合、表面粗糙度和优先数系 学习目的学习目的: : 掌握应力的种类；掌握机械零件的设计计算准则；掌握常用材料掌握应力的种类；掌握机械零件的设计计算准则；掌握常用材料及其选择；熟悉极限与配合、表面粗糙度和优先数系；了解机械零件及其选择；熟悉极限与配合、表面粗糙度和优先数系；了解机械零件的工艺性和标准

2、化。的工艺性和标准化。机械设计基础知识机械设计基础知识2.1.1 载荷和应力载荷和应力 应力应力静应力静应力变应力变应力2minmaxm2minmaxamax最大应力；最大应力； min最小应力最小应力 Sm 平均应力；平均应力； a 应力幅值应力幅值 r 应力比（循环特性应力比（循环特性r r） 有关名词有关名词: : 名义载荷和名义应力名义载荷和名义应力 载荷系数载荷系数 计算载荷和计算应力计算载荷和计算应力非对称循环变应力非对称循环变应力 2.1 2.1 机械零件应力及设计准则机械零件应力及设计准则minmax 随机变应力随机变应力循环变应力循环变应力机械设计基础知识机械设计基础知识载荷

3、和应力31r 0r 对称循环对称循环脉动循环脉动循环常见的循环应力常见的循环应力 对称循环变应力对称循环变应力 脉动循环变应力脉动循环变应力静应力静应力静应力（可看作是循环应力的一个特例）静应力（可看作是循环应力的一个特例） 静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。也可由静载荷产生。1r 机械设计基础知识机械设计基础知识2.1.2 许用应力和极限应力许用应力和极限应力 静应力下的许用应力和极限应力静应力下的许用应力和极限应力静应力作用下，零件常表现的破坏形式为塑性变形或断裂静应力作用下，零件常表现的破坏形式为塑性

4、变形或断裂u塑性材料塑性材料 sS bS Be e 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e e p S BA AB BCDE脆性材料脆性材料取屈服极限取屈服极限取强度极限取强度极限机械设计基础知识机械设计基础知识u疲劳极限：疲劳极限：材料经过材料经过N0次应力循次应力循环不发生破坏的应力最大值。环不发生破坏的应力最大值。0NNNrNr 变应力下的许用应力和极限应力变应力下的许用应力和极限应力 在变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与应力循环在变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与应力循环次数密切相关。次数密切相关。 寿命系数寿命系数 m m 指数与应力与材料的种类有关指数与应力与材料的种类有关

5、1：对称循环变应力下的疲劳极限：对称循环变应力下的疲劳极限 0：脉动循环变应力下的疲劳极限：脉动循环变应力下的疲劳极限机械设计基础知识机械设计基础知识11k Se 00k Se 式中：式中： k、 、有效应力集中系数、有效应力集中系数、绝对尺寸系数及绝对尺寸系数及 表面状况系数表面状况系数 以上系数请查材力书籍或相关手册对应表格。以上系数请查材力书籍或相关手册对应表格。许用应力许用应力 应力是对称循环变化：应力是对称循环变化： 应力是脉动循环变化：应力是脉动循环变化： 安全系数安全系数u安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重u安全系数安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全机械设计基

6、础知识机械设计基础知识 接触应力的产生接触应力的产生点或线接触所产生的应力点或线接触所产生的应力接触应力接触应力局部应力局部应力 不同与挤压应力不同与挤压应力 接触应力的性质接触应力的性质接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大两物体上应力大小相等两物体上应力大小相等2.1.3 2.1.3 接触应力接触应力机械设计基础知识机械设计基础知识122212121111nHFLEE 赫兹公式：赫兹公式： 接触应力的计算公式接触应力的计算公式 影响接触应力的因素：影响接触应力的因素：曲率半径曲率半径材料材料接触线长度接触线长度SHLimHH接触许用应力：接触许用应

7、力： 外接触外接触内接触内接触机械设计基础知识机械设计基础知识 机械零件常见失效形式机械零件常见失效形式u断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂u表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落u塑性变形：零件发生永久性变形塑性变形：零件发生永久性变形u过大弹性变形过大弹性变形u表面破坏表面破坏u过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等u例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题Fn强度问题强度问题 2.1.4 机械零件的主要失效形式和设计准则机械零件的主要失效形

8、式和设计准则机械设计基础知识机械设计基础知识 或或 1 1、强度准则：、强度准则： 2 2、刚度准则：、刚度准则： yy y y 3. 3. 耐磨性准则：耐磨性准则： pp p p 或或 pvpv pvpv 4. 4. 振动稳定性准则：振动稳定性准则： f f0.850.85f fp p 和和 f f1.151.15f fp p 5. 5. 可靠性准则：可靠性准则： 机器或零件在规定的使用时间内和预定环境条件机器或零件在规定的使用时间内和预定环境条件下，正常完成其工作能力的概率下，正常完成其工作能力的概率u对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则对零件设计，针对其主要失效形式选择适

9、合的工作能力准则进行设计进行设计u具体有：具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、可靠性准则等则、可靠性准则等机械设计基础知识机械设计基础知识2.2.1 2.2.1 金属材料力学性能指标金属材料力学性能指标强度极限：强度极限： b 屈服极限：屈服极限： S ( 0.2 )HBW:HBW:布氏硬度布氏硬度HRCHRC、HRBHRB、HRA:HRA:洛氏硬度洛氏硬度 p S be e A AB BCDE 强度强度 疲劳极限：疲劳极限：r 刚度刚度 Ee 硬度硬度2.2 2.2 机械设计中常用材料及其选择机械设计中常用材料及其选择 塑性塑性

10、延伸率：延伸率： 1100%lll收缩率：收缩率： 1100%AAA 冲击韧性冲击韧性冲击韧度冲击韧度 k机械设计基础知识机械设计基础知识（含碳量小于含碳量小于2%,2%,大于大于0.7%0.7%的铁、碳合金的铁、碳合金） 钢钢碳素钢碳素钢碳素工具钢：碳素工具钢：普通碳素结构钢普通碳素结构钢: :优质碳素结构钢优质碳素结构钢 低碳钢低碳钢w wC C0.25% 0.25% ，如，如20 20 中碳钢中碳钢0.6%0.6%w wC C0.25% 0.25% ，如，如4545 高碳钢高碳钢0.6%0.6%w wC C ，如，如60 60 牌号牌号=Q+=Q+屈服极限屈服极限+ + 质量等级符号质量

11、等级符号+ +脱氧方法符号脱氧方法符号 牌号牌号= =两位数字两位数字 牌号牌号= T+= T+数字数字 如如Q235AF 2.2.2 2.2.2 常用金属材料常用金属材料 如如T8 机械设计基础知识机械设计基础知识 合金钢合金钢在碳素钢中有目的地加入一定量的其他合金元素在碳素钢中有目的地加入一定量的其他合金元素 增大了钢的淬透性，提高了合金钢的力学性能，增加了耐磨性，增大了钢的淬透性，提高了合金钢的力学性能，增加了耐磨性，但合金钢冶炼工艺复杂，价格较高但合金钢冶炼工艺复杂，价格较高 如铬、钼、锰、镍、钨、钛等如铬、钼、锰、镍、钨、钛等 机械设计基础知识机械设计基础知识 铸铁铸铁（含碳量大于（