机械零件设计和计算准则

1、6-6-1 1 6-1 机械零件的工作能力准则 6-2 许用应力和安全系数 6-3 常用材料及其选择6-6-2 2一、机械零件常见失效形式二、强度准则三、刚度准则四、耐磨性准则五、振动稳定性准则6-6-3 3v失效：失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏破坏 常见主要失效形式有：常见主要失效形式有：v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂v表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落v塑性变形：零件发生永久性变形塑性变形：零件发生永久性变形v过大弹性变形过大弹性变形v表面破坏表面破坏v过大振动和噪声、过热等过

2、大振动和噪声、过热等v例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形断裂、塑性变形、过大弹性变形 强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题Fn一、机械零件常见失效形式一、机械零件常见失效形式6-6-4 4v机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则v强度：强度：材料抵抗断裂或材料抵抗断裂或残余变形残余变形的能力的能力v强度准则：强度准则：工作应力工作应力许用应力许用应力v 或或 v针对失效形式：针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形断裂、疲劳破坏、残余变形v典型零部件：典型零部件：轴、齿轮、轴、齿轮、 带轮等带轮等Slim 正应力：正应力：S

3、lim 切应力：切应力：极限应力极限应力1、强度准则、强度准则6-6-5 5外力使零件变形，外力使零件变形， 其中引起塑性变形的外力作的功其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而存贮在零件内。当以零件内部材料变形而存贮在零件内。当 外力消除外力消除以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓以后，应力不均匀的能量要施放出来，引起了零件缓慢地变形，慢地变形， 即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧即残余应力作功，使原有加工精度逐渐丧失，直到能量全部施放出来为止，失，直到能量全部施放出来为止， 变形结束。变形结束。 残余变形残余变形: :6-6-6 6v刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力材

4、料抵抗弹性变形的能力v刚度准则：刚度准则：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件：倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j j jv针对失效形式：针对失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形v典型零部件：典型零部件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等2、刚度准则、刚度准则6-6-7 7v耐磨性：耐磨性：零件抗磨损的能力零件抗磨损的能力v磨损是相当复杂的物理化学过程磨损是相当复杂的物理化学过程v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等度、润滑剂的化学性质和物理性

5、质等v具体有：具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损磨损、冲蚀磨损、微动磨损v针对失效形式：针对失效形式：零件表面破坏零件表面破坏v典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等3、耐磨性准则、耐磨性准则6-6-8 8v共振：共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等v振动稳定性：振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值机器工

6、作时振幅不能超过许可值v针对失效形式：针对失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常v典型零部件：典型零部件：轴等轴等4、振动稳定性准则、振动稳定性准则6-6-9 9一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数6-6-1010v载荷：载荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩v工作载荷：工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷机器正常工作时所受的实际载荷 v名义载荷：名义载荷：理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷v计算载荷：计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷v计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义载荷载荷系数载荷系数一、载荷一

7、、载荷6-6-1111v静应力：静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力不随时间改变或变化缓慢的应力v变应力：变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力随时间作周期性或非周期性变化的应力v变应力：变应力：稳定变应力（稳定变应力（随时间作周期性随时间作周期性）、不稳定变应）、不稳定变应力（力（非周期性循环变应力非周期性循环变应力）v稳定变应力：稳定变应力：对称循环变应力、对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变脉动循环变应力、非对称循环变应力应力t tminmaxm二、应力二、应力6-6-1212v以正应力以正应力 为例为例v最大应力最大应力: max= m+ av最小应力最小应力: minv应

8、力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: r2minmaxa2minmaxmmaxminrt minmax m应力参数应力参数6-6-1313v应力表达：应力表达： +1（ +1 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: rt m0amminmax1r静应力静应力6-6-1414v应力表达：应力表达： 0（ 0 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: r mt 0min 2max ma0 r脉动循环变应力脉动循

9、环变应力6-6-1515v应力表达：应力表达： 1（ 1 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: rtminmax 0 m 1 rminmax a对称循环变应力对称循环变应力6-6-16161 静应力下的极限应力静应力下的极限应力v与材料性能有关与材料性能有关v脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限 B( B)v塑性材料取屈服极限塑性材料取屈服极限 S( S) Be e 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e e p S BA AB BCDE三、极限应力三、极限应力6-6-1717v疲劳极限：疲劳极限：材料经过材料经过N

10、次应力循次应力循环不发生破坏的应力最大值环不发生破坏的应力最大值 r( r)v各种材料的各种材料的 r可从有关手册中查取可从有关手册中查取0NNNrNr有限寿命区无限寿命区2 2 变应力下的极限应力变应力下的极限应力变应力条件下零件的失效形式变应力条件下零件的失效形式: 疲劳断裂疲劳断裂.裂纹断裂的断口形状裂纹断裂的断口形状见书见书p71.6-6-1818v许用应力：许用应力：设计零件时设计零件时所依据的条件应力所依据的条件应力v安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重v安全系数安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全SlimSlim许用应力许用应力极限应力极限应力安全系数安全系数四、

11、许用应力和安全系数四、许用应力和安全系数6-6-19191 查许用应力表查许用应力表v根据实践经验制成表格选取根据实践经验制成表格选取2 部分系数法部分系数法(已知极限应力已知极限应力)vS=S1S2S3vS1：计算载荷和应力准确性系数（计算载荷和应力准确性系数（11.5)vS2：材料的均匀系数（铸铁材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢钢:1.21.5）vS3：零件重要性系数（零件重要性系数（11.5)许用应力确定许用应力确定6-6-2020一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标6-6-2121常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：铸铁：含含2.0

12、6易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：钢：含量含量1.4常用常用v碳素钢碳素钢：普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、优质碳素钢v合金钢：合金钢：综合机械性能好，但较贵综合机械性能好，但较贵v合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理v铸钢：铸钢：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性能，价昂有特殊性能，价昂少用少用v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 非金属材料：非金属材料：v工程塑料、橡胶、烧结材料、

13、复合材料工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料一、常用材料一、常用材料材料牌号见书材料牌号见书p63页页.6-6-22221 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面热处理二、热处理方法二、热处理方法6-6-23231 退火退火v降低硬度、提高韧性、细化晶降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力粒、消除内应力(锻造、焊接锻造、焊接)3 淬火（蘸火）淬火（蘸火）v提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度2 正火正火v用于处理低中碳钢，代替低中碳用于处理低中碳钢

14、，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，钢的退火。提高硬度，增加韧性， 易于切削，减少应力易于切削，减少应力4 回火回火 v消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性v低温回火：低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性高强度、高硬度及良好的耐磨性(100-250)v中温回火：中温回火：高弹性、硬度中等高弹性、硬度中等(300-450)v高温回火：高温回火：强度、塑性、韧性都较好强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温回火高温回火)(450-650)热处理比较热处理比较6-6-2424v表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热） 化学热处理（渗碳、氮化、氰化、氧化）化学热处理（渗碳、氮化、氰化、氧化）表面热处理表面热处理6-6-2525强度：强度：v弹性极限：弹性极限： Pv抗拉强度：抗拉强度： Bv屈服强度：屈服强度： S( 0.2)硬度硬度：vHBS:布氏硬度布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般硬度机