杨可桢机械设计chap9-机械零件设计概论完整版

1、19-1 机械零件设计概述机械零件设计概述一、一、 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 1 满足社会需求（最基本前提和出发点）满足社会需求（最基本前提和出发点）2 可靠性的要求可靠性的要求 （ 衡量产品质量指标）衡量产品质量指标）3 经济性要求经济性要求 4 安全性要求安全性要求2二、机械设计的类型二、机械设计的类型 开发性设计：开发性设计： 机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。 适应性设计：适应性设计： 对现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相

2、应调整，使产品更能满足使用要求。 变形设计：变形设计： 机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。39-1 机械零件设计概述机械零件设计概述三、三、 机械设计的一般过程机械设计的一般过程 产品的开发性设计过程大致包括规划设计、方案产品的开发性设计过程大致包括规划设计、方案设计、技术设计、施工设计及改造设计等五个阶段。设计、技术设计、施工设计及改造设计等五个阶段。四、零件的失效形式和计算准则四、零件的失效形式和计算准则 为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性，采取

3、相应措施，其中件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则，常用的包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则，常用的计算准则有：强度、刚度，接触强度、耐磨性等。计算准则有：强度、刚度，接触强度、耐磨性等。49-2 机械零件的强度机械零件的强度一、强度准则一、强度准则 强度是机械零件抵抗断裂、表面疲劳破坏或过大塑性变强度是机械零件抵抗断裂、表面疲劳破坏或过大塑性变形等失效的能力。强度要求是保证机械零件能正常工作的基形等失效的能力。强度要求是保证机械零件能正常工作的基本要求，其典型的计算公式为：本要求，其典型的计算公式为： ， = = limlim

4、/S /S ， = = limlim /S /S 式中：式中：. 零件的工作正应力、切应力零件的工作正应力、切应力 ， 材料的许用正应力、许用切应力材料的许用正应力、许用切应力 lim lim ，limlim 材料的极限正应力、极限切应力材料的极限正应力、极限切应力 SS安全系数安全系数 许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和 安全系数等，下面只研究正应力。安全系数等，下面只研究正应力。5二、二、 应力种类应力种类 1 静应力：不随时间变化的应力。如拧紧螺母的应力。静应力：不随时间变化的应力。如拧紧螺母的应力。2 变应力：随时间变化的应力。

5、周期性变化的变应力为循环变应力。变应力：随时间变化的应力。周期性变化的变应力为循环变应力。循环特性：循环特性：maxminr2minmaxm2minmaxa平均应力：平均应力：应力幅：应力幅：r=-1时时 ，对称对称循环变应力循环变应力r=0时时 ， 脉动脉动循环变应力循环变应力r=+1时时 ，静静应力应力9-2 机械零件的强度机械零件的强度6三、三、 静应力下的许用应力静应力下的许用应力 静应力下材料的静应力下材料的失效失效形式：形式：断裂断裂或或塑性变形。塑性变形。 SS2. 脆性材料：取强度极限脆性材料：取强度极限B 为极限应力：为极限应力：SB1. 塑性材料：取屈服极限塑性材料：取屈服

6、极限S 为极限应力：为极限应力：四、四、 变应力下的许用应力变应力下的许用应力 变应力下，零件的失效形式：变应力下，零件的失效形式：疲劳断裂疲劳断裂 现象：现象：微裂纹微裂纹脆性突然断裂脆性突然断裂 疲劳断裂与疲劳断裂与应力循环次数应力循环次数（使用期限或寿命）有关。（使用期限或寿命）有关。9-2 机械零件的强度机械零件的强度71. 疲劳曲线疲劳曲线横坐标：N，纵坐标： N0 循环基数-1 弯曲疲劳极限NN0 0时时，CNNmmN011NNmN011m随应力状态而不同的幂指数，取值如下：钢材：受弯曲疲劳和拉压疲劳时，m=620， N0 =（1 10）106 初步计算时，钢制中等尺寸零件： m=

7、9， N0 =5106 钢制大尺寸零件： m=9， N0 =107 9-2 机械零件的强度机械零件的强度82. 许用应力许用应力 变应力下的极限应力：疲劳极限疲劳极限Sk11Sk00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：五、五、 安全系数安全系数S 除查表法，安全系数选择原则：除查表法，安全系数选择原则：（1）静应力，塑性材料以屈服极限为极限应力，）静应力，塑性材料以屈服极限为极限应力，S= 1.21.5 塑性较差或铸钢件，塑性较差或铸钢件，S= 1.52.5（2）静应力，脆性材料以强度极限为极限应力，如高强度钢或铸铁件）静应力，脆性材料以强度极限为极限应力，如高强度

8、钢或铸铁件S= 34（3）变应力，以疲劳极限为极限应力，）变应力，以疲劳极限为极限应力， S= 1.31.7 材料不均匀，计算不精确时，材料不均匀，计算不精确时， S= 1.7 2.5（4） S=S1 S2 S3 S1准确性；准确性；S2性能不均匀性；性能不均匀性；S3重要性重要性9一、一、 定义：定义：接触应力：接触应力：两个琴件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变两个琴件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变 形此面积表层产生的局部应力，这种应力称为接舢应力形此面积表层产生的局部应力，这种应力称为接舢应力，此时零件强度为，此时零件强度为接触强度接触强度。 如齿轮、滚动轴承等如齿轮、滚

9、动轴承等表现形式：表现形式：20m处产生初始疲劳裂纹处产生初始疲劳裂纹 扩展扩展剥落剥落小坑小坑疲劳疲劳 点蚀点蚀9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度10二、最大接触强度二、最大接触强度H 以两柱接触为例，中线处最大接触应力为：以两柱接触为例，中线处最大接触应力为：9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度接触疲劳强度的判定件：接触疲劳强度的判定件： HH ，HHSHlimlimH以较软材料为准。以较软材料为准。经验公式：经验公式： 2.76HBS一一70 MPa119-4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性一、定义一、定义 磨损：磨损：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。运动副中，

10、摩擦表面物质不断损失的现象。耐磨性：耐磨性：零伴抗磨损的能力。据统汁，约有零伴抗磨损的能力。据统汁，约有80的损坏零件是的损坏零件是因磨损而报废的。因磨损而报废的。二、磨损种类二、磨损种类 磨粒磨损：磨粒磨损：硬质颗粒或硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象。 粘着磨损（胶合）粘着磨损（胶合）：有粗糙度，材料产生塑性流动。接触处发生粘着，滑动时会使接触表面村料由一个表面转移到另一个表面。 疲劳磨损（点蚀）疲劳磨损（点蚀）：高副中，如凸轮、齿轮等，受载时出现表层金属小片状剥落，表面形成小坑。 腐烛磨损腐烛磨损：化学反应或电化学反应的磨损三、磨损准则三、磨损准则 (1) 实用耐磨计算是限制运动副

11、的压强：pp (2) 相对运动速度较高时，还应考虑运动副的发热量fpv，计算条件为：pv pv129-5 机械零件的刚度与耐热性机械零件的刚度与耐热性刚度准则刚度准则 ： 刚度是指零件在载荷的作用下，抵抗弹性变形的能力。刚度准则要求零件在载荷作用下的弹性变形y在许用的极限值y之内，其表达式为： y y 耐热性准则耐热性准则 : 机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起润滑油失效、氧化、胶合、热变形、硬度降低等问题，使零件失效或机械精度降低。因此，为了保证零部件在高温下正常工作，应合理设计其结构及合理选择材料，必要时须采用水冷或气冷等降温措施。 材料力学性能见表材料力学性能见表9-113

12、一、一、公差与配合公差与配合9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数1 公差：零件两个极限尺寸之差。公差：零件两个极限尺寸之差。2 配合：同一基本尺寸的孔与轴结合配合：同一基本尺寸的孔与轴结合 有间隙、过盈、过渡配合三种。有间隙、过盈、过渡配合三种。目的：保证零件互换性目的：保证零件互换性基孔制配合基孔制配合14二、二、 表面粗糙度表面粗糙度 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数零件表面的微观几何形状误差，主要指刀痕。零件表面的微观几何形状误差，主要指刀痕。表面粗糙度的评定参数之一是轮廊算术平均偏差表面粗糙度的评定参数之一是轮

13、廊算术平均偏差Ra ：15三、三、优先系数优先系数9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数 用来使型号、直径转速、承载量和功率等量值得到合用来使型号、直径转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。理的分级。 GB321一一80 规定的优先效系有四种基本系列，规定的优先效系有四种基本系列， R5系列系列，公比为，公比为 R10系列系列，公比为，公比为 =1.25, 如齿轮的模数，如齿轮的模数，P57 R20系列系列, 公比为公比为 =1.12 R40系列系列, 公比为公比为 =1.0651010102010401016一、一、工艺性工艺性9-6 机械零件的工艺性及标

14、准化机械零件的工艺性及标准化 二、标准化二、标准化（1）产品品种规格的系列化）产品品种规格的系列化系列化产品；系列化产品；（2）零部件的通用化）零部件的通用化通用互换；通用互换；（3）产品质量标准化）产品质量标准化竞争力竞争力（1）毛坯选择合理）毛坯选择合理（2）结构简单合理）结构简单合理（3）规定适当的制造精度及表面粗糙度）规定适当的制造精度及表面粗糙度标准的类型：标准的类型： ISO， GB（GB/T），），JB，地方标准，地方标准，企业标准企业标准171. 明确机械设计的基本要求和机械设计的类型，开发型设计明确机械设计的基本要求和机械设计的类型，开发型设计 一般过程的五个阶段及其工作内容。一般过程的五个阶段及其工作内容。3