第2章 机械及机械零件的设计基础
2.1 复习笔记
一、设计机械时应满足的基本要求和一般步骤
1．设计机械时应满足的基本要求
（1）使用功能要求（最基本要求）
所设计的机械应具有预定的使用功能：
①保证执行机构实现所需的运动；
②保证组成机械的零部件工作可靠；
③有适当的使用寿命；
④使用、维修方便。
（2）工艺性要求
①简单、实用，保证各方面的工艺性；
②合理选用材料，尽可能选用标准件。
（3）经济性要求
①提高设计、制造经济性；
②提高使用经济性。
（4）其他要求
劳动保护要求、便于装拆和运输要求、长期保持工作精度要求等。
2．设计机械的一般步骤
（1）计划阶段
①主要任务是在调查研究的基础上，根据生产或生活需要，制定设计对象的功能要求、主要技术指标和限制条件，完成设计任务书；
②计划阶段是设计、调试和验收机械的主要依据。
（2）方案设计阶段
根据要求，按技术先进、使用可靠、经济合理的原则，提出多种方案，并从技术方面和经济方面综合评价，选出最佳方案。
（3）技术设计阶段
①通过运动学、动力学分析计算和零部件的工作能力设计，确定主要零部件基本尺寸；
②根据已确定的结构方案和主要零部件基本尺寸，设计机械装配工作图和零件工作图。
（4）技术文件编制阶段
编制设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等技术文件，作为此后各阶段依据。
（5）技术审定和产品鉴定阶段
审定认可后样机试制，样机运行后进行鉴定，考核样机的性能满足设计任务书的各项规定后进行小批量生产，再进一步考察并改进，定型后按市场需求量决定生产批量。
二、机械零件的载荷和应力
1．载荷
（1）静载荷与变载荷
①静载荷
静载荷是指不随时间变化或变化缓慢的载荷。
②变载荷
变载荷是指随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。
（2）名义载荷与计算载荷
①名义载荷
名义载荷是指机器在平稳工作条件下根据原动机或工作机的额定功率计算出的作用于机械零件上的载荷。
②计算载荷
计算载荷是指载荷系数K与名义载荷F的乘积，即
。
2．应力
（1）静应力与变应力
①静应力
静应力是指大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力（图2-1（a））。
零件在静应力作用下可能产生断裂或塑性变形。
②变应力
变应力是指大小和方向随时间变化的应力（图2-1（b）），可由变载荷或静载荷产生。
零件在变应力作用下可能产生疲劳破坏。
图2-1 应力谱
最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、应力幅σa和循环特征r五个作为表征变应力的基本参数，其中
③稳定循环变应力的变化规律
a．稳定循环变应力是指周期、应力幅和平均应力保持常数的变应力（图2-2）。
b．按r的不同可分为对称循环变应力、脉动循环变应力和非对称循环变应力，见表2-1。
表2-1 稳定循环变应力的变化规律
图2-2 稳定循环变应力谱
当零件受切应力τ作用时，以上定义仍然适用，只需将σ改为τ即可。
（2）工作应力与计算应力
①工作应力
工作应力是指根据计算载荷，按照材料力学的基本公式求出的、作用于机械零件剖面上的应力。
②计算应力
计算应力是指当零件危险剖面上呈复杂应力状态时，按照某一强度理论求出的、与单向拉伸时有同等破坏作用的应力，以符号σca表示。
（3）极限应力
极限应力是指按照强度准则设计机械零件时，根据材料性质及应力种类而采用材料的某个应力极限值，以符号σlim、τlim表示。
①材料在静应力作用下的极限应力
a．对于脆性材料，主要失效形式是脆性破坏，故取材料的强度极限（σB、τB）为极限应力，即σlim＝σB，τlim＝rB。
b．对于塑性材料，主要失效形式是塑性变形，故取材料的屈服极限（σs、τs）为极限应力，即σlim＝σs，τlim＝τs。
②材料在变应力作用下的极限应力
主要失效形式是疲劳破坏，故取材料的疲劳极限（σr、τr）为极限应力，即σlim＝σr，τlim＝τr。
a．疲劳极限的分类
第一，无限寿命疲劳极限
无限寿命疲劳极限是指在任一给定循环特征r的条件下，应力循环达到规定的N0次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，以符号σr、τr表示，工程上最常用的是σ-1和τ-1。
第二，有限寿命疲劳极限
有限寿命疲劳极限是指在任一给定循环特征r的条件下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，用符号σrN、τrN表示。
图2-3 疲劳曲线
b．有限寿命区的疲劳曲线方程
式中，C——常数；
KN——寿命系数，
m——取决于应力状态和材料的指数；
N的取值范围为103<N<N0，在N≥N0时，按N＝N0；N<103时，按静应力处理。
c．影响疲劳极限的因素
第一，应力集中；
第二，绝对尺寸；
第三，表面状态。
应力集中、绝对尺寸和表面状态只对应力幅有影响。
（4）许用应力和安全系数
①许用应力
a．定义
许用应力是指设计零件时，计算应力允许达到的最大值，以符号[σ]和[τ]表示。
b．计算
许用应力等于极限应力σlim（τlim）和许用安全系数[Sσ]（[Sτ]）的比值，即
②安全系数
a．定义
安全系数是指零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。
b．选择原则
在保证安全可靠的原则下，尽可能选择较小的安全系数。
c．影响因素
第一，计算载荷的准确性；
第二，材料性能数据的可靠性；
第三，零件的重要程度；
第四，计算方法的精确程度。
③确定安全系数的方法
a．表格法；
b．经验数据法；
c．部分系数法。
（5）接触应力
①定义
接触应力是指当两物体在压力下接触时，若两接触面（或其中一个）为曲面，便在接触处的表层产生的很大的局部应力，以符号σH表示。
②线接触应力的计算
如图2-4所示，最大接触应力可按赫兹（Hertz）公式计算
图2-4 接触应力计算简图
式中，Fn——正压力（N）；
L——接触线长度（mm）；
ρ∑——综合曲率半径（mm），
（±）——正号用于外接触，负号用于内接触；
E1、E2——两圆柱体材料的弹性模量（MPa）；
v1、v2——两圆柱体材料的泊松比；
ZE——材料弹性系数（
），
。
三、机械零件材料的选用原则
1．载荷及应力的大小和性质
（1）受载大的零件选用机械强度高的材料；
（2）在静应力作用下工作的零件选用脆性材料；
（3）在冲击、振动及变载荷作用下工作的零件选用塑性材料。
2．零件的工作情况
零件的工作情况主要指零件所处的环境特点、工作温度和摩擦磨损的程度等。
3．零件的尺寸和质量
（1）铸造材料一般不受零件的尺寸和质量的限制；
（2）锻造材料一般用于零件尺寸和质量较小的情况；。
（3）一般情况下选用强度高而密度小的材料以减小零件的尺寸和质量。
4．零件结构的复杂程度及材料的加工可能性
（1）结构复杂的零件选用铸造工艺性好的铸造材料或冲压工艺性与焊接工艺性好的材料；
（2）结构简单的零件选用锻造工艺性好的材料。
5．材料的经济性
首先考虑材料价格，其次考虑选用材料的经济效果。
6．材料的供应情况
在满足使用要求的前提下，首先选用库存材料，或当地材料、国产材料。
四、机械零件的结构工艺性
通常从以下几方面考虑机械零件的结构工艺性，其示例见表2-2。
表2-2 零件结构工艺性示例
1．零件的结构应与生产条件、批量大小及尺寸大小相适应
（1）在大批量生产及有大型生产设备时，采用模锻毛坯；
（2）形状复杂、尺寸大的零件宜采用铸造毛坯；
（3）单件或小批量生产宜采用焊接毛坯或自由锻毛坯；
（4）获得毛坯的方法不同，零件的结构也要有区别。
2．零件造型应简单化
形状复杂导致制造困难，成本高。造型应简单化，同时减少被加工表面的数量和面积。
3．零件的结构应适合进行热处理
在零件设计时应考虑零件的热处理工艺性，避免产生裂纹及严重变形，需注意：
（1）避免尖角、棱角，设计时应尽量改成圆角、倒角；
（2）避免厚薄悬殊；
（3）零件形状力求简单、封闭和对称；
（4）采用组合结构；
（5）提高零件的结构刚性。
4．零件的结构应保证加工的可能性、方便性和精确性
5．零件的结构应保证装拆的可能性和方便性
五、机械设计中的标准化
1．定义
标准化是指在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动。
2．意义
（1）能以最先进的方法在专门化的工厂对常用零件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本；
（2）统一了材料和零部件的性能指标和检验方法，提高了零部件性能的可靠性；
（3）简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量；
（4）便于互换和机器的维修。
3．划分
（1）按运用范围，划分为国家标准（GB）、行业标准（如JB、YB等）和企业标准；
（2）按法律属性，划分为强制性标准和推荐性标准。推荐性标准记为GB／T、JB／T等。