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1、12第九章机械零件设计概论9-1机械零件设计概述机械零件设计概述9-2机械零件的强度机械零件的强度9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度9-4机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性9-5机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择教学基本要求与重点教学基本要求与重点3一、失效分析一、失效分析.1.失效的定义：各种机械零件在运行中由于某种原因不能正常工作。失效的定义：各种机械零件在运行中由于某种原因不能正常工作。2、机械零件设计的中心问题：、机械零件设计的中心问题：如何保证零件在预期的寿命内不失效。零件不发生失效时的安全工作限度如何保证零件在预期的寿命内不失效。零件不发生失效时的安全工作限度

2、称为工作能力。称为工作能力。3、失效形式、失效形式1）.断裂：占总失效的断裂：占总失效的5 零件在（拉、压、弯、扭）的载荷作用下，零件在（拉、压、弯、扭）的载荷作用下，B（材料的强度极限）就（材料的强度极限）就可能发生断裂。可能发生断裂。 疲劳断裂疲劳断裂 过载过载9-1机械零件设计概述机械零件设计概述43、失效形式：、失效形式：1）断裂：占总失效的）断裂：占总失效的52）过大的残余变形）过大的残余变形 在载荷的作用下在载荷的作用下S则产生残余变形。则产生残余变形。 3）零件的表面破坏：占）零件的表面破坏：占74 表面磨损表面磨损4）接触疲劳）接触疲劳 在接触变应力长期作用下在接触变应力长期作

3、用下,产生点蚀产生点蚀5）腐蚀）腐蚀 在有害介质中，如在有害介质中，如 柴油机缸套柴油机缸套 生锈生锈 6）正常工作条件破坏引起的失效）正常工作条件破坏引起的失效 动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏 带传动：过载打滑带传动：过载打滑 高速回转零件：共振高速回转零件：共振5二、设计机械零件时应满足的基本要求二、设计机械零件时应满足的基本要求 总要求：避免失效、提高效益。总要求：避免失效、提高效益。在预定的使用期限内（预定寿命）不失效在预定的使用期限内（预定寿命）不失效 例如：例如： 齿轮转动寿命齿轮转动寿命15年、每年年、每年300天、两班制天、两班制720h 为使

4、机械零件具有预定寿命，从零件的工作能力出发要求零件具有一定的强为使机械零件具有预定寿命，从零件的工作能力出发要求零件具有一定的强度、刚度和寿命。度、刚度和寿命。强度：材料抵抗负载的机械性能。强度：材料抵抗负载的机械性能。 使零件具有适当的强度是设计时必须满足的使零件具有适当的强度是设计时必须满足的最基本要求。最基本要求。刚度：承受单位载荷时的变形。刚度：承受单位载荷时的变形。 对精密零件或弹性变形过大会影响机器工作性对精密零件或弹性变形过大会影响机器工作性能。能。寿命：在特定条件下，零件工作持续时间称为零件寿命。由于质量、磨损、腐蚀寿命：在特定条件下，零件工作持续时间称为零件寿命。由于质量、磨

5、损、腐蚀等原因，零件达不到预期寿命。等原因，零件达不到预期寿命。 6 三、机械零件的计算准则，即设计计算应满足的条件或设计计算依据。三、机械零件的计算准则，即设计计算应满足的条件或设计计算依据。 1.强度准则强度准则 lim/s= 2. 刚度准则：刚度准则： 弹性变形弹性变形允许极限值。例允许极限值。例yy。 3.寿命准则：寿命准则： LnLn 滚动轴承滚动轴承 4.可靠性准则：可靠性准则： 机械性设计可靠度机械性设计可靠度 R(t)=N/N。 N。总数。总数 N滚动轴承失效数滚动轴承失效数106 转转 R(t)=0.90 7四、机械零件的设计方法四、机械零件的设计方法1.传统的设计方法传统的

6、设计方法 1）理论设计）理论设计 依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。 .设计计算，可以简化成简单力学模型。设计计算，可以简化成简单力学模型。 根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。 拟订安全条件（拟订安全条件（或或y） 计算零件危险剖面的尺寸。计算零件危险剖面的尺寸。 根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计 AF/ 如：齿轮传动、螺栓联接如：齿轮传动、螺栓联接 .校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件校核计算：结构复杂应力分布复杂的

7、零件 先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局和有关尺寸。和有关尺寸。 根据工作能力准则校核危险剖面尺寸根据工作能力准则校核危险剖面尺寸 2）经验设计，类比设计）经验设计，类比设计 根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关系式，或根据本人经根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关系式，或根据本人经验进行零件的结构设计。验进行零件的结构设计。 对关键部分进行校核对关键部分进行校核 如：箱体、机架、齿轮结构、带轮机构如：箱体、机架、齿轮结构、带轮机构 3）模型实验设计）模型实验设计 做成小模型、小样机，经过各种检验

8、和反复修改，使用于尺寸巨大，结构复做成小模型、小样机，经过各种检验和反复修改，使用于尺寸巨大，结构复杂的重型整体零件或特别重要的设计。杂的重型整体零件或特别重要的设计。2.现代设计方法：现代设计方法： CAD计算机辅助设计、优化设计、有限元法等。计算机辅助设计、优化设计、有限元法等。 8五、机械零件设计的一般步骤五、机械零件设计的一般步骤1.选取零件的类型和结构；选取零件的类型和结构； 要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围有透彻了解。要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围有透彻了解。2.受力分析受力分析 根据机器运动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷根据机器运

9、动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷3.选取材料选取材料 根据工作条件，对零件的特殊要求根据工作条件，对零件的特殊要求4.失效分析，确定计算准则失效分析，确定计算准则 通过计算确定立功脑筋基本尺寸或主要参数通过计算确定立功脑筋基本尺寸或主要参数5.进行零件的结构设计进行零件的结构设计绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。9一、载荷和应力：一、载荷和应力：1.载荷载荷a.静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。b.动载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。动载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的

10、载荷。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。Fc=K*FTc=K*T2.应力应力静应力：不随时间而变的应力。静应力：不随时间而变的应力。变应力：不断随时间变化的应力。变应力：不断随时间变化的应力。大多数零件都是处于变应力状态下工作。大多数零件都是处于变应力状态下工作。9-2机械零件的强度机械零件的强度10二、静应力作用下的强度计算二、静应力作用下的强度计算 calim/S 其中：其中：ca-计算应力计算应力 lim-极限应力极限应力 S-安全系数安全系数 1.工作应力：按材料力学的计算公式求出的作用在零件剖面上的产生应力。工作应力：按材料力

11、学的计算公式求出的作用在零件剖面上的产生应力。 例例如：拉伸应力如：拉伸应力，弯曲应力，弯曲应力b，扭剪应力，扭剪应力。 2.计算应力：零件危险剖面上如呈现复杂应力状态时，按某一强度理论求出的与计算应力：零件危险剖面上如呈现复杂应力状态时，按某一强度理论求出的与单向拉伸具有同等破坏作用的应力。单向拉伸具有同等破坏作用的应力。 lim-极限应力。对于塑性材料用屈服极限极限应力。对于塑性材料用屈服极限s，脆性材料用强度极限，脆性材料用强度极限b 。 S-安全系数。极限应力与许用应力的比值安全系数。极限应力与许用应力的比值S=lim/。 3.如果危险剖面上呈现单向应力状态时，工作应力就是计算应力。如

12、果危险剖面上呈现单向应力状态时，工作应力就是计算应力。11三、变应力时机械零件的强度计算：三、变应力时机械零件的强度计算：1.变应力的种类：变应力的种类：循环特性：循环特性：r=min/max对称循环变应力对称循环变应力r=-1 m=0 a=max=-1 脉动变应力脉动变应力r=0 ， m=a min=0 max=a+m非对称循环变应力非对称循环变应力-1r0,0r1122.变应力下的破坏形式：变应力下的破坏形式：疲劳破坏疲劳破坏A、疲劳断裂的特征：、疲劳断裂的特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低，甚至比屈服极限低。）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低，甚至比屈服极限低

13、。2）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。3）疲劳断裂是损伤的积累。）疲劳断裂是损伤的积累。形成过程：表面初始裂纹形成过程：表面初始裂纹裂纹扩展裂纹扩展断裂。断裂。其断口有明显的光滑区和粗糙区。其断口有明显的光滑区和粗糙区。零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而且应力的循环特性零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而且应力的循环特性r、应力循环次数应力循环次数N、应力集中、零件的表面状态和零件的大小都对极限应力有很大的、应力集中、零件的表面状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。影响。132.变应力下的破坏形

14、式：变应力下的破坏形式： B、疲劳曲线：在任一给定的循环特定条件下，表示应力循环次数、疲劳曲线：在任一给定的循环特定条件下，表示应力循环次数N与疲劳极限与疲劳极限r关系的曲线成为关系的曲线成为-N曲线曲线 rN0NrN当当N超过超过No ，曲线趋向水平，可，曲线趋向水平，可以认为在以认为在“无限次无限次”循环时，试件不循环时，试件不会断裂。会断裂。No称为循环基数，对应于称为循环基数，对应于No时的时的极限应力极限应力r ，称为材料的疲劳极限。，称为材料的疲劳极限。循环次数循环次数NNo时称为有限寿命时称为有限寿命CNNmrmrN0143.变应力作用下的许用应力：变应力作用下的许用应力：变应力

15、下，取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑由零件的的变应力下，取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑由零件的的几何尺寸变化所产生的应力集中、绝对尺寸和表面状态等影响。几何尺寸变化所产生的应力集中、绝对尺寸和表面状态等影响。当当r-1时，时，Sk11当当r=0时时Sk00k：应力集中系数：应力集中系数：尺寸系数：尺寸系数：表面状态系数：表面状态系数以上为以上为“无限寿命无限寿命”零件的许用应力零件的许用应力强度计算：强度计算：rr15一、接触应力一、接触应力两个零件在受载前是点、线接触，受载后，在接触区附近产生的应力和两个零件在受载前是点、线接触，受载后，在接触区附近产生的应力和变形，称

16、为接触应力和接触变形。变形，称为接触应力和接触变形。接触应力多为变应力，在这种情况下产生的失效是疲劳点蚀接触应力多为变应力，在这种情况下产生的失效是疲劳点蚀9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度169-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度二、接触强度计算二、接触强度计算影响疲劳点蚀的主要因素是接触应影响疲劳点蚀的主要因素是接触应力的大小。力的大小。HHmax22212121max1111EELFnHFn载荷载荷L接触长度接触长度 圆柱体的曲率半径圆柱体的曲率半径 泊松比泊松比E材料的弹性模量材料的弹性模量17磨损磨损:摩擦过程带来了表面材料的丧失和转移的现象。摩擦过程带来了表面材料的

17、丧失和转移的现象。磨损的危害：磨损的危害： 1影响机器的质量例如，齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中影响机器的质量例如，齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。 2降低了机器的效率例如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。降低了机器的效率例如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。 3减少了机器的可靠性例如断齿，钢轨磨损。减少了机器的可靠性例如断齿，钢轨磨损。9-4机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性189-4机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性磨损的分类磨损的分类 1粘着磨损：粘着磨损：当

18、摩擦表面的微凸体在相互作用的各处发生当摩擦表面的微凸体在相互作用的各处发生“冷焊冷焊”后，在相对滑动时，材后，在相对滑动时，材料从一个表面转移到另一个表面，便形成粘着磨损。料从一个表面转移到另一个表面，便形成粘着磨损。 影响粘着磨损的因素：影响粘着磨损的因素： (l)同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着；同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着； (2)脆性材料比塑性材料抗粘着能力高；脆性材料比塑性材料抗粘着能力高； (3)在一定范围内，零件的表面粗糙度值越小，抗粘着能力也越强。在一定范围内，零件的表面粗糙度值越小，抗粘着能力也越强。 2磨料磨损磨料磨损 摩擦面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰尖，在摩擦过

19、程中引起的材料脱落现象叫摩擦面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰尖，在摩擦过程中引起的材料脱落现象叫磨料磨损。磨料磨损。影响的因素有以下几个方面：影响的因素有以下几个方面： (l)一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好 (2)一般金属的磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大一般金属的磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大 (3)磨损量随着磨粒硬度的增大而加大磨损量随着磨粒硬度的增大而加大3疲劳磨损疲劳磨损(也叫疲劳点蚀或点蚀也叫疲劳点蚀或点蚀) 在滚动或兼有滑动的高副中，受到反复作用的接触应力时，如果该应力超过材在滚动或兼有滑动的高副中，受到反复作用的接触应力时，如

20、果该应力超过材料相应的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随料相应的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的发展，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现小坑，着裂纹的发展，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现小坑，这就是疲劳磨损也叫点蚀。这就是疲劳磨损也叫点蚀。4腐蚀磨损腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质产生化学反应或电化学反应，在相对运动中造成表面在摩擦过程中，与周围介质产生化学反应或电化学反应，在相对运动中造成表面材料的损失叫腐蚀磨损。材料的损失叫腐蚀磨损。19一、常用材料一、常用材料1.钢：钢

21、：含碳量含碳量2%的铁碳合金的铁碳合金1）碳素结构钢：牌号为）碳素结构钢：牌号为Q215、Q235等等主要用于一般要求的机械零件，如连杆、拉杆、钢主要用于一般要求的机械零件，如连杆、拉杆、钢筋、地脚螺栓、钢板等筋、地脚螺栓、钢板等2）优质碳素钢：牌号表示，用钢中含碳量的万分数表示，例）优质碳素钢：牌号表示，用钢中含碳量的万分数表示，例45C0.25%为低碳钢：强度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、冲压件等为低碳钢：强度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、冲压件等C为为0.30.5%为中碳钢：具有综合的机械性能，用作齿轮、轴等零件为中碳钢：具有综合的机械性能，用作齿轮、轴等零件C为为0.550.7

22、的钢：用作制造弹簧、钢丝绳等的钢：用作制造弹簧、钢丝绳等机械零件常用的材料有：钢、铸铁、有色金属和非机械零件常用的材料有：钢、铸铁、有色金属和非金属材料。金属材料。9-5机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择203）合金结构钢：在钢中加入镍、铬、锰、钼、钒等元素的钢。）合金结构钢：在钢中加入镍、铬、锰、钼、钒等元素的钢。牌号表示牌号表示数字数字化学元素化学元素数字数字含含C量量元素名元素名称称元素的平均含量，以元素的平均含量，以1%为单位为单位例：例：60Si2Mn表示平均含表示平均含C量量0.6%，含，含Si量量2%，含含Mn量量1.5%用于用于:重要的零件或需要某种特殊性能的零件

23、。重要的零件或需要某种特殊性能的零件。9-5机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择一、常用材料一、常用材料1.钢钢219-5机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择一、常用材料一、常用材料1.钢钢4）铸钢：）铸钢：用于形状复杂、尺寸较大的零件。用于形状复杂、尺寸较大的零件。2铸铁：含碳量铸铁：含碳量2%的铁碳合金。的铁碳合金。1）灰铸铁：）灰铸铁：C大部分以片状石墨形状存在其基体中大部分以片状石墨形状存在其基体中特点：强度低，塑性低，铸造性好，减磨性、消震性好，切削性好特点：强度低，塑性低，铸造性好，减磨性、消震性好，切削性好用途：机床身，箱体，带轮等用途：机床身，箱体，带轮等2）球墨铸铁：）球墨铸铁：C以球状石墨存在基体中以球状石墨存在基体中特点：强度提高，塑性提高，比灰铁贵，比钢便宜。特点：强度提高，塑性提高，比灰铁贵，比钢便宜。用途：柴油机曲轴，汽缸套，活塞等用途：柴油机曲轴，汽缸套，活塞等229-5机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择二、选用原则二、选用原则一）使用要求一）使用要求 1.根据零件承受载荷情况和工作条件选取：根据零件承受载荷情况和工作条件选取： a 一般情况下均选用碳素钢一般情况下均选