机械零件的失效形式和机械零件的失效形式和设计准准则 机械机械设计材料的材料的选用原用原则及常用材料及常用材料 第第2章章 机械零件的机械零件的设计机械零件设计的基本要求和一般步骤机械零件设计的基本要求和一般步骤 工程背景工程背景n 机械零件是构成机器的基本要素。在机器机械零件是构成机器的基本要素。在机器设计的任的任务和方案确定之后，零件的和方案确定之后，零件的设计必然成必然成为其核心内容，其核心内容，它是机器它是机器设计最最终成成败的基的基础。机械。机械设计是具有是具有创新新性的工作，性的工作，设计师经过研究、分析和研究、分析和设计，需要提供，需要提供产品生品生产、制造所需的全部、制造所需的全部产品品图纸、技、技术文件和文件和软件等作件等作为生生产制造的依据。制造的依据。第第2章章 机械零件的机械零件的设计 作作为设计者要了解：者要了解：p机械零件机械零件设计的基本要求是什么？的基本要求是什么？p机械机械设计的一般程序是什么？的一般程序是什么？p通用机械零件通用机械零件设计的一般的一般规律是什么？律是什么？p机械零件的机械零件的设计为什么要根据失效形式来确定什么要根据失效形式来确定设计准准则？p机械机械设计常用的常用的设计准准则有哪些？有哪些？p如何正确如何正确选择机械零件常用的材料？机械零件常用的材料？p机械零件材料的机械零件材料的选择原原则是什么？是什么？ 设计者思维设计者思维第第2章章 机械零件的机械零件的设计 简单实例简单实例图2-1 螺纹连接第第2章章 机械零件的机械零件的设计 简单实例简单实例 在对螺纹连接进行设计时，设计过程和程序都基本相同，但由于失效形式不同，设计准则不同，螺栓或螺母材料的选择也会有差异。第第2章章 机械零件的机械零件的设计机械零件机械零件设计的基本要求和一般步的基本要求和一般步骤 基本要求基本要求可靠性可靠性经济性经济性是指零件在规定的使用时间内和是指零件在规定的使用时间内和预定的环境条件下，能安全可靠预定的环境条件下，能安全可靠地工作，完成机器设计所赋予的地工作，完成机器设计所赋予的功能。功能。是指零件的设计和制造成本低廉是指零件的设计和制造成本低廉第第2章章 机械零件的机械零件的设计经济性经济性从以下几个方面考从以下几个方面考虑： （1）现代和传统设计方法并用，缩短设计周期，尽可能选用标准件，提高设计效率。（2）合理设计结构并恰当选择公差精度等级，保证零件有良好的结构工艺性。（3）正确选择材料和热处理工艺，发挥材料的最大性能，从而减小零件质量，提高质量/性能比。第第2章章 机械零件的机械零件的设计机械零件的设计方机械零件的设计方法法常规设计常规设计现代设计现代设计长期的设计和生产实践中总结出的方长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为它又可分为理论设计理论设计、经验设计经验设计和和模模型实验设计型实验设计三种。三种。更为完善、科学、计算精度高、设计与更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法，如机械计算速度更快的机械设计方法，如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等。助设计等。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（1）理论设计：）理论设计：根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。（2）经验设计：）经验设计：根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的方法所进行的设计称为经验设计。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（3）模型实验设计：）模型实验设计：对于一些尺寸巨大而机构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这样的设计称为模型实验设计。第第2章章 机械零件的机械零件的设计 总结各种各种设计方法，机械零件的方法，机械零件的设计一般要一般要经过以下几个步以下几个步骤，如下，如下图所示。所示。选择零件零件类型、型、结构构 计算零件上的算零件上的载荷荷 确定确定计算准算准则 选择零件的材料零件的材料 确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸 结构构设计 校核校核计算算 绘制零件工作制零件工作图 编写写计算算说明明书 第第2章章 机械零件的机械零件的设计机械零件的失效形式和机械零件的失效形式和设计准准则 机械零件由于某种原因机械零件由于某种原因丧失正常工作能力的失正常工作能力的现象象称称为失效失效。 常常见见失失效效形形式式整体断裂整体断裂过大变形过大变形表面失效表面失效破坏正常工作破坏正常工作条件条件第第2章章 机械零件的机械零件的设计 机械零件的失效形式与许多因素有关，具体取决机械零件的失效形式与许多因素有关，具体取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及其所产生的于该零件的工作条件、材质、受载状态及其所产生的应力性质等多种因素。应力性质等多种因素。 即使是同一种零件，由于材质及工作情况不同，即使是同一种零件，由于材质及工作情况不同，也可能出现各种不同的失效形式。如轴工作时，由于也可能出现各种不同的失效形式。如轴工作时，由于受载情况不同，可能出现断裂、过大塑性变形、磨损受载情况不同，可能出现断裂、过大塑性变形、磨损等失效形式。等失效形式。第第2章章 机械零件的机械零件的设计设计准则设计准则根据零件的可能失效形式，设根据零件的可能失效形式，设计时为防止零件失效，保证其计时为防止零件失效，保证其工作能力所依据的基本原则工作能力所依据的基本原则强度准则强度准则刚度准则刚度准则最基本的计算准则y为零件在载荷作用下产生的广义弹性变形量为工作应力，为许用应力第第2章章 机械零件的机械零件的设计（3）振）振动稳定性准定性准则： 在设计时保证机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开，以避免产生共振。该准则可以表示为 式中，f为零件的固有频率，fp为激振源的频率。 第第2章章 机械零件的机械零件的设计（4）寿命准）寿命准则： 影响零件寿命的主要因素是磨损、腐蚀和疲劳破坏。关于疲劳寿命，通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。腐蚀和磨损各自发展过程的规律不同。迄今为止，工程上还没有提出实用有效的能够进行定量计算的方法。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（5）热平衡准平衡准则 ： 在工作中发生摩擦的零件会产生热量，故应对发热较大的零件进行热平衡计算。（6）可靠性准）可靠性准则 ： 产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率称为可靠度。机器的可靠度取决于零部件的可靠度及它们的组合关系。第第2章章 机械零件的机械零件的设计机械机械设计材料的材料的选用原用原则及常用材料及常用材料 机械零件所用材料的机械零件所用材料的选择通常需要考通常需要考虑如下各如下各项要求。要求。（1）强强度要求：度要求：从强度观点来考虑零件所受载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况。 脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在有冲击的情况下，应以塑性材料为主。 金属材料的性能一般可以通过热处理和表面强化处理等工艺加以提高和改善，因此，要充分利用这些先进的工艺手段来发挥材料的潜力。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（2）工作）工作环境要求：境要求：零件的工作环境是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。 在湿热环境下工作的零件如发动机活塞，其材料应该有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等。第第2章章 机械零件的机械零件的设计工作温度对材料选择的影响 考虑互相配合的两个零件材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者使配合松动 考虑材料的机械性能随温度而变化的情况。零件在工作中有可能发生磨损，为了提高其表面硬度，以增加耐磨性，应选择适于进行表面处理的的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（3）工）工艺方便性要求：方便性要求：必须要考虑机械零件从毛坯到成品都能方便地制造出来。 铸造材料、非金属注塑材料和粉末冶金材料的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。 锻造和冲压材料的工艺性是指材料的延展性、热脆性及冷态和热态下塑性变形的能力等。 焊接材料的工艺性是指材料的可焊性及焊缝产生裂纹的倾向性等。第第2章章 机械零件的机械零件的设计 焊接材料的工艺性是指材料的可焊性及焊缝产生裂纹的倾向性等。 表面强化处理工艺是指材料的可淬性、添加成分的渗透性等。 冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削型、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。第第2章章 机械零件的机械零件的设计 对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再焊接而结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再焊接而成；结构简单的重要零件可用锻造法制取毛坯。成；结构简单的重要零件可用锻造法制取毛坯。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（4）经济性要求：性要求：经济性要求是机械设计过程中必须考虑的重要因素，它决定了设计成果转化为现实产品的可能性。 一般应考虑产品制造过程中材料的相对价格、加工费用、利用率、市场供应等方面。还要考虑特殊材料及一般材料经各种强化工艺处理后材料之间的可替换性。第第2章章 机械零件的机械零件的设计（5）零件的尺寸及）零件的尺寸及质量要求：量要求：零件的尺寸及质量的大小与材料的品种和毛坯制取方法有关。 当用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制； 而当用锻造材料制造毛坯时，则必须注意锻压机械及设备的生产能力。 此外，零件尺寸和质量的大小还与材料的强度重量比有关，应尽可能选用强度与重量比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。第第2章章 机械零件的机械零件的设计第第2章章 机械零件的机械零件的设计第第2章章 机械零件的机械零件的设计