第三章 机械零件设计概论(2014修改)

1、 第三章第三章 机械零件机械零件设计概论设计概论 3-1 3-1 设计设计机械零件的基本要求机械零件的基本要求 1）工作可靠（不失效）；）工作可靠（不失效）； 3）便于制造、装配）便于制造、装配 2）经济性要好；）经济性要好； 4）质量小，符合标准）质量小，符合标准 1.日本防卫省航空幕僚监部21日透露，航空自卫队三泽基地所属F-2支援战斗机在进行飞行训练时，突然发生了操纵杆的握把从根部折断的事故。为此，日本全国共计75架航空自卫队的F-2战斗机均被停飞接受检查。2.3.TJPU3-2 3-2 机械零件的载荷和应力机械零件的载荷和应力一、载荷的分类一、载荷的分类静载荷：静载荷： 变载荷：变载荷

2、：1）循环变载荷（载荷循环变化）循环变载荷（载荷循环变化） 2）随机（变）载荷）随机（变）载荷载荷的频率和载荷的频率和幅值均随机变化幅值均随机变化TJPUTJPU名义载荷名义载荷-根据原动机或工作机的额定功率计算出的根据原动机或工作机的额定功率计算出的作用在机械零件上的载荷。作用在机械零件上的载荷。载荷系数载荷系数-考虑载荷不均匀、载荷在零件上分布的不考虑载荷不均匀、载荷在零件上分布的不均匀性及其他影响零件受载的因素。均匀性及其他影响零件受载的因素。载荷还分为：载荷还分为：1）名义载荷；）名义载荷；2）计算载荷。）计算载荷。 计算载荷计算载荷=载荷系数载荷系数名义载荷名义载荷TJPU1 1 静

3、应力和变应力静应力和变应力 变应力变应力 稳定循环变应力稳定循环变应力T、 、 均不变均不变 非稳定循环变应力非稳定循环变应力 静应力静应力 二二. 应力种类应力种类am稳定循环变应力的稳定循环变应力的的的5个基本参数个基本参数和种类和种类：2)(minmaxminmaxmax mamam平平均均应应力力最最小小应应力力最最大大应应力力0t min max mmaxminminmax2 ra循循环环特特性性应应力力幅幅TJPU0t a= max min 10minmax ram 00minmaxram 对称循环变应力对称循环变应力脉动脉动循环变应力循环变应力 不对称循环不对称循环 （-1r+1

4、 r0-1r+1 r0）TJPU2 名义应力和计算应力名义应力和计算应力机械零件的尺寸取决于危险截面处的最大应力。机械零件的尺寸取决于危险截面处的最大应力。静应力只能由静载荷产生，变应力可由变载荷产静应力只能由静载荷产生，变应力可由变载荷产生，也可能由静载荷产生生，也可能由静载荷产生。例例: 轴轴 轴承轴承 TJPU规律性非稳定循环变应力随机变应力3-33-3 机械零件的常见失效和计算准则机械零件的常见失效和计算准则一一 机械零件的常见失效（机械零件的常见失效（failure) 静强度不够造成断裂静强度不够造成断裂疲劳断裂疲劳断裂2. 塑性变形塑性变形3. 断裂断裂1.过大的弹性变形过大的弹性

5、变形 例如：例如： 天车，车床主轴。天车，车床主轴。 由于弹性变形较小由于弹性变形较小,且可逆且可逆,一般危害不大一般危害不大,扳手扳手.脆性断裂危害极大脆性断裂危害极大TJPU4.表面失效表面失效5. 破坏正常工作条件引起的失效破坏正常工作条件引起的失效 例：滑动轴承：油膜破坏例：滑动轴承：油膜破坏 带传动：打滑带传动：打滑 6. 共振（高速轴）共振（高速轴）同一零件可能有不同的失效形式，如轴的失效形式可同一零件可能有不同的失效形式，如轴的失效形式可能为：断裂，共振，弹性变形过大等能为：断裂，共振，弹性变形过大等磨损磨损腐蚀腐蚀TJPU二二 机械零件的计算准则机械零件的计算准则 为保证机械零

6、件不发生失效，完成其规定的功能，为保证机械零件不发生失效，完成其规定的功能，机械零件要有足够的工作能力。为使机械零件具有足机械零件要有足够的工作能力。为使机械零件具有足够的工作能力，避免失效，要采取够的工作能力，避免失效，要采取各种有效措施各种有效措施，包，包括理论计算，计算所依据的条件称为括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则计算准则。1、强度准则、强度准则静应力下静应力下:一般工作期内应力变化次数一般工作期内应力变化次数103（104）可按静应力可按静应力强度计算。强度计算。TJPU单向应力状态：单向应力状态：limlimsscclimlimsssscc或或复合应力状态：复合应力状态：按

7、强度理论计算按强度理论计算. ：安全系数、ss ssssss22见材料力学见材料力学TJPU变应力下：变应力下：材料的疲劳特性曲线：材料的疲劳特性曲线：N103时时:按静强度计算按静强度计算104103maxNN0低周疲劳低周疲劳高周疲劳高周疲劳无限寿命区无限寿命区有限寿命区有限寿命区r疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征TJPU（N次后，脆断，无屈服,最大值小） 持久疲劳极持久疲劳极限限 r r：对应：对应于循环基数于循环基数N N0 0时的疲劳时的疲劳极限极限 有限寿命区有限寿命区由应力、材料而定寿命系数的疲劳极限对应曲线方程mKKNNNconsNNNNrmrrNmrmrN00 无限寿命区无限寿命

8、区 N N N N0 0 由由手手册册中中查查出出rrN 043)10(10NN 应力循环次数0NrNrN应力TJPU影响影响机械零件疲劳强度的机械零件疲劳强度的因素：因素：11Ke极限对称循环弯曲持久疲劳零件寸和表面质量影响后的考虑应力集中、绝对尺11Ke对称循环扭切持久疲劳极限：1）应力集中的影响应力集中的影响-有效应力集中系数有效应力集中系数2）零件尺寸的影响）零件尺寸的影响-尺寸系数尺寸系数3）表面质量状态的影响）表面质量状态的影响-表面质量系数表面质量系数见教材)(kk)()(TJPU11SKSC用安全系数表示对称循环下弯曲疲劳强度条件用安全系数表示对称循环下弯曲疲劳强度条件：其他情

9、况下的强度条件式参见教材或手册其他情况下的强度条件式参见教材或手册cccrmmin如：持久弯曲疲劳极限计算应力TJPU接触应力下接触应力下: 高副零件工作时，理论上是点接触或线接触高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度度称为接触强度. 计算依据：弹性力学的赫兹（计算依据：弹性力学的赫兹（Hertz）公式。）公

10、式。TJPU德国人，1881年提出B F F b H 接触应力下的失效：接触应力下的失效：静应力：静应力：表面压碎表面压碎表面塑性变形表面塑性变形变应力：疲劳点蚀变应力：疲劳点蚀H强度条件：强度条件：TJPU同）（两物体接触面大小相抛物线分布接触面变形受力外接触内接触点接触线接触两曲面接触Bb222121211111EEbFHTJPU安全系数安全系数S： 考虑载荷计算的准确性、材料机械性能的可考虑载荷计算的准确性、材料机械性能的可靠性、计算模型的准确性和零件的重要程度等。靠性、计算模型的准确性和零件的重要程度等。s过大零件笨重，过小不安全。过大零件笨重，过小不安全。安全系数的确定：安全系数的确

11、定：（1）依据行业规范；）依据行业规范；（2）经验数据；）经验数据；（3）部分系数法：）部分系数法：s=s1 s2 s3 考虑载荷的准确性考虑载荷的准确性考虑材料的可靠性考虑材料的可靠性考虑零件的重要程考虑零件的重要程度度TJPU y yyy2 2） 扭转刚度扭转刚度 扭转角扭转角 TT TJPU2 2、刚度准则、刚度准则 1 1） 弯曲刚度弯曲刚度 挠度挠度 偏转角偏转角3 3、耐热性准则：、耐热性准则： 轴承等工作温度不要超过许用值轴承等工作温度不要超过许用值. .4 4、振动稳定性准则：防止共振、振动稳定性准则：防止共振振幅振幅A A频率频率f f0.85f f 1.15f激振频率激振频

12、率 f fp p0.85f1.15f1.15f TJPU5 5、寿命准则：、寿命准则： 腐蚀、磨损和疲劳。腐蚀、磨损和疲劳。 腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法 疲劳寿命可以计算疲劳寿命可以计算TJPU6 6、可靠性准则、可靠性准则曲线称为浴盆曲线时间失效率总件数正常数可靠度ttfeNNRtdt)(000t IIIIII失效率曲线失效率曲线可靠性-产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 可靠性设计需要基础数据。可靠性设计有专著可靠性设计有专著美国适航审定标准中专门规定了运输类飞机的最低安全标准，10的7次方分之一的事故率， TJPU7、精度准则、精度准

13、则(保证机器运动精度等保证机器运动精度等) 精度设计有专著。精度设计有专著。试分析车床主轴的设试分析车床主轴的设计计算准则。计计算准则。强度、刚度和振动稳强度、刚度和振动稳定性。定性。TJPU一、一、常用的机械零件材料常用的机械零件材料二、机械零件材料选用的原则二、机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求要考虑三个方面的要求1、使用要求（首要考虑）使用要求（首要考虑）： 1）零件的受载和工况；）零件的受载和工况；2）对零件尺寸和质量的限）对零件尺寸和质量的限制；制；3）零件的重要程度。）零件的重要程度。2、工艺要求工艺要求： 1）毛坯制造；）毛坯制造；2）机械加工；）机械加工；3）热处理。）

14、热处理。3、经济性要求经济性要求： 1）材料价格；）材料价格；2）加工批量和加工费用；）加工批量和加工费用；3）材料的）材料的利用率；利用率；4）局部品质原则）局部品质原则; ; 5）替代（尽量用廉价材料来）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）；代替价格相对昂贵的稀有材料）；6 6）供应情况。）供应情况。3-4 机械零件常用的材料及其选择原则机械零件常用的材料及其选择原则耐酸、耐高温无切削等TJPU3-5 提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施1.减小应力集中；减小应力集中；2.提高机械零件表面加工质量；提高机械零件表面加工质量；3.采用能提高疲劳强度的热处理和强化

15、方法。采用能提高疲劳强度的热处理和强化方法。 如：渗碳、渗氮以及表面冷加工，如表面滚压、如：渗碳、渗氮以及表面冷加工，如表面滚压、喷丸等。（提高表面强度和残余压应力）喷丸等。（提高表面强度和残余压应力）TJPU3-6 机械零件的结构工艺性和标准化（便于加工和机械零件的结构工艺性和标准化（便于加工和装配，有利于保证零件质量）装配，有利于保证零件质量）1.1.机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性 便于加工和装配，有利于保证零件质量。便于加工和装配，有利于保证零件质量。 有人说：机械零件设计应包括理论分析、模型设计、有人说：机械零件设计应包括理论分析、模型设计、设计计算和设计计算和结构设计和制图

16、结构设计和制图；由结构设计引起的错误；由结构设计引起的错误占机械设计错误中较大比例。占机械设计错误中较大比例。 涉及到：铸造、锻造、冲压、切削、热处理和装配等。涉及到：铸造、锻造、冲压、切削、热处理和装配等。（具体要求查阅有关资料）（具体要求查阅有关资料）TJPU2.2.机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 标准化：标准化：GB 39351对标准化的定义是“在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复性事物和概念通过制定、发布和实施标准，达到统一，以获得最佳秩序和社会效益”。标准化的重要意义是改进产品、过程和服务的适用性，防止贸易壁垒，促进技术合作。国际标准国际标准 ISOISO等等

17、国家标准国家标准 GBGB（强制）（强制） GB/T(GB/T(推荐）推荐） GB 150-1998行业标准行业标准 如如JB/T 10475-2004JB/T 10475-2004垂直升降类机械式停车设备垂直升降类机械式停车设备（本标准规定了垂直升降类机械式停车设备的型式、基本参数、技术要求、试验方法和检验规则等内容）地方标准地方标准企业标准企业标准TJPU钢制压力容器3-7 机械设计工具书的使用机械设计工具书的使用TJPU机械设计手册机械设计手册(徐灏主编徐灏主编) 全5册 化工出版社出版机械零件设计手册机械零件设计手册 第三版上下册第三版上下册机械设计与制造简明手册机械设计与制造简明手册

18、 机械设计师实用手册机械设计师实用手册TJPU传统设计方法传统设计方法 （一）理论设计（一）理论设计 （二）经验设计（二）经验设计 类比法或应用经验公式等类比法或应用经验公式等 （三）模型实验（初定尺寸，制作模型或小（三）模型实验（初定尺寸，制作模型或小尺寸样机，评估，修改完善。）尺寸样机，评估，修改完善。） 设计计算设计计算 校核计算校核计算3-8 3-8 机械零件设计方法的新发展机械零件设计方法的新发展 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD） Computer Aided DesignComputer Aided DesignTJPU1.有限元法有限元法随着高速计算机的应用日益普及

19、和数值分析在工程随着高速计算机的应用日益普及和数值分析在工程中的作用日益增长而发展起来的一种实用有效的数中的作用日益增长而发展起来的一种实用有效的数值方法。值方法。基本思路：将连续介质离散成小块（单元），仅在基本思路：将连续介质离散成小块（单元），仅在有限个指定点（节点）连接。有限个指定点（节点）连接。软件：软件：ANSYS等。等。现代设计方法现代设计方法 TJPU2. 最优化设计最优化设计一般工程设计问题都存在着许多可能的方案，在设一般工程设计问题都存在着许多可能的方案，在设计时应选择较好的方案，即优化。计时应选择较好的方案，即优化。最优化设计是在高速计算机的应用日益普及基础上最优化设计是在高速计算机的应用日益普及基础上发展起来的一种新方法。包括解析方法和数值方法。发展起来的一种新方法。包括解析方法和数值方法。主要工作：建立数学模型；采用适当方法优化。主要工作：建立数学模型；采用适当方法优化。软件：软件：matlab等。等。TJPU3.可靠性设计（机械概率设计）可靠性设计（机械概率设计）是可靠性工程的主要内容之一。是可靠性工程的主要内容之一。在机械可靠性设计中，将载荷、材料性能与强度、在机械可靠性设