第九章机械零件设计概论

1、Northwest A&F University机械设计基础（下）机械设计基础（下）电子教案电子教案机械与电子工程学院机械与电子工程学院 潘天丽潘天丽北校区北校区9311(O) 西林西林26322(H)65/wangluokecheng/2007/jxsjjc/jxzy/dzkj.asphttp:/ A&F University 一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件

2、组一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组 成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有 在特定的机器中才用到，称之为专用零件。在特定的机器中才用到，称之为专用零件。 通用零件包括：通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动； 轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承； 螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。弹簧、机架、箱体等。 专用零件例

3、如：叶片、犁铧、枪栓等。专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。 通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业 课中学习。课中学习。1.1.本课程的内容、性质与任务本课程的内容、性质与任务Northwest A&F University第三节第三节 本课程的主要本课程的主要内容内容是：学习机械系统设计的基础知识；是：学习机械系统设计的基础知识；学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。具体内容包括具体内容包括:1、总论部分、总论部分机器及零件设计的基本原则、设计计算理论、机器

4、及零件设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、结构要求以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；材料选择、结构要求以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；2、连接部分、连接部分螺纹、键、销、铆、焊接、胶接、过盈连接等；螺纹、键、销、铆、焊接、胶接、过盈连接等；3、传动部分、传动部分螺旋、带、链、齿轮、蜗杆等传动；螺旋、带、链、齿轮、蜗杆等传动；4、轴系部分、轴系部分滚动、滑动轴承，联轴器、离合器以及轴等；滚动、滑动轴承，联轴器、离合器以及轴等；5、其他部分、其他部分弹簧、机座和箱体，减速器和变速器等。弹簧、机座和箱体，减速器和变速器等。Northwest A&F University工程材料

5、：非金属材料，金属材料及热处理。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。机械原理：解决机械的方案设计。 本课程所涉及的先修课程有：本课程所涉及的先修课程有： 机械机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序设计结果的表现形式为：机械工

6、程图、说明书和计算机程序。 本课程的本课程的性质性质是：以通用零件的设计为核心的设计性课程。是：以通用零件的设计为核心的设计性课程。而且是论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。而且是论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。Northwest A&F University本课程的主要本课程的主要任务任务是培养学生：是培养学生：1、有正确的设计思想并勇于创新探索；、有正确的设计思想并勇于创新探索；2、掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，进、掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，进而具有综合运用所学的知识，改进和开发基础件及设计简单机械而具有综合运用所学的

7、知识，改进和开发基础件及设计简单机械的能力。的能力。3、具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能、具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；力；4、掌握典型机械零件的试验方法，获得实验技能的基本训练；、掌握典型机械零件的试验方法，获得实验技能的基本训练；5、了解国家当前的有关技术政策，并了解机械设计的新发展。、了解国家当前的有关技术政策，并了解机械设计的新发展。Northwest A&F University本课程的几个特点本课程的几个特点 涉及面广涉及面广 关系多关系多因与诸多先修课关系密切。因与诸多先修课关系密切。 要求多要求多强度、刚度、寿命、工艺、重量

8、、安全、经济性。强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。 门类多门类多各类零件，各有特点，设计方法各异。各类零件，各有特点，设计方法各异。 公式多公式多计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。 图表多图表多结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。 实践性强实践性强不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。 无重点无重点又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。又都是重点，设计工作必须

9、详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。 设计问题无统一答案设计问题无统一答案更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。第三节第三节 2Northwest A&F University注意处理好几个关系注意处理好几个关系 零件的设计与选用零件的设计与选用零件设计的两个主要途径。零件设计的两个主要途径。 设计计算与结构设计设计计算与结构设计 设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。 性能要求与经济性性能要求与经济性 永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对

10、矛盾。 经验设计与现代设计经验设计与现代设计 二者均重要，前者是后者的基础。二者均重要，前者是后者的基础。 具体的设计方法与一般的设计能力具体的设计方法与一般的设计能力 前者是学习的形式，后者是学习的目的。前者是学习的形式，后者是学习的目的。Northwest A&F University 总之，通过本课程的学习，逐步提高自己的总之，通过本课程的学习，逐步提高自己的理论水平，构思能力，特别是提高分析问题和解理论水平，构思能力，特别是提高分析问题和解决问题的决问题的 能力，为顺利过渡到专业课程的学习能力，为顺利过渡到专业课程的学习及进行专业产品和设备的设计打下宽广和坚实的及进行专业产品和

11、设备的设计打下宽广和坚实的基础。基础。Northwest A&F University杨可桢等主编杨可桢等主编.机械设计基础（第五版）北京：机械设计基础（第五版）北京：高等教育出版社，高等教育出版社，2006 濮良贵，纪名刚主编的濮良贵，纪名刚主编的机械设计机械设计（第（第8 8版）版）高等教育出版社，高等教育出版社，2006 邱宣怀邱宣怀 主编主编 机械设计（第四版），高教出版机械设计（第四版），高教出版社社 2000 殷玉枫主编殷玉枫主编.机械设计课程设计，机械工业机械设计课程设计，机械工业出版社，出版社，2006 潘天丽、胡国田编潘天丽、胡国田编机械设计基础机械设计基础（甲）（甲

12、）实验指导书实验指导书 2. 推荐教材及参考书目推荐教材及参考书目Northwest A&F University3. 学时数与学分：学时数与学分： 总学时总学时48，其中有三个实验，其中有三个实验6学时。学时。学分学分3分。分。 另外还有三周课程设计单独计另外还有三周课程设计单独计3学分。学分。4. 考核方式：考核方式：（1）闭卷笔试：主要检查对所学内容的掌握情况，占总）闭卷笔试：主要检查对所学内容的掌握情况，占总评成绩的评成绩的70%；（2）考查：主要考查上课出勤情况、课堂回答问题情况、）考查：主要考查上课出勤情况、课堂回答问题情况、实验情况、作业等，占总评成绩的实验情况、作业等，

13、占总评成绩的30%。5. 课外自学要求课外自学要求(包含作业要求包含作业要求)： 要求自学教材中课堂讲授没有讲到的内容及参考书要求自学教材中课堂讲授没有讲到的内容及参考书相应的内容，完成每章后的复习题，课外自学大约需要相应的内容，完成每章后的复习题，课外自学大约需要4550学时！学时！Northwest A&F University第第9 9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论（4 4）第第1010章章 连接连接（6）第第1111章章 齿轮传动齿轮传动(6)(6)第第1212章章 蜗杆传动蜗杆传动（3 3）第第1313章章 带传动和链传动带传动和链传动(6)(6)实验一机械传动效率的

14、测试实验一机械传动效率的测试 （2）第第1414章章 轴轴（4 4）第第1515章章 滑动轴承滑动轴承（3 3）实验二、滚动轴承的类型、结构、代号和轴的结构、分析和测绘实验二、滚动轴承的类型、结构、代号和轴的结构、分析和测绘 （2）第第1616章章 滚动轴承滚动轴承（6）第第1717章章 联轴器、离合器和制动器联轴器、离合器和制动器（2 2）第第1818章章 弹簧弹簧（1）第第1919章章 机架和箱体、减速器与变速器简介机架和箱体、减速器与变速器简介（1 1）实验三、减速器的拆装（实验三、减速器的拆装（2） 6、各章课时分配、各章课时分配Northwest A&F University

15、第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 前面前面8章主要讲述了常用机构和机器动力学的基章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括：零件的设计问题。具体内容包括： 1) 怎样合理确定零件的形状和尺寸；怎样合理确定零件的形状和尺寸； 2) 怎样适当选择零件的材料；怎样适当选择零件的材料； 3) 怎样使零件具有良好的工艺性等。怎样使零件具有良好的工艺性等。第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计

16、概论Northwest A&F University机械设计基础机械设计基础第一节第一节 机械零件设计概述机械零件设计概述第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度 第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第四节第四节 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第六节第六节 极限与配合、表面粗糙度和优先数极限与配合、表面粗糙度和优先数第七节第七节 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概述

17、机械零件设计概述 一、机械设计应满足的要求：一、机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在预定使用期限内安全可靠，操作方便、成本低；在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。维修简单和造型美观等。 概括地说是：工作可靠、成本低廉。概括地说是：工作可靠、成本低廉。 二、名词术语：二、名词术语： 1.失效：失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作（完机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称为失效。为失效。第九章第九章 机械零件设

18、计概论机械零件设计概论Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概论机械零件设计概论第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论2. 失效的形式：失效的形式：因因强度强度不够发生不够发生断裂或塑性变形断裂或塑性变形；因因刚度刚度不够而产生过大的不够而产生过大的弹性变形弹性变形；因因耐磨性耐磨性不足或不足或润滑润滑不良而使工作表面过度不良而使工作表面过度磨损或损伤磨损或损伤；或因或因长细比（也称柔度）过大长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生稳定性不足而发生失稳失稳；因失去因失去振动稳定性振动稳定性而发生强烈的而发生强烈的振动（或共振）、联接的振动（或共

19、振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑松弛、摩擦传动的打滑等。等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。的影响等几个方面的问题。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概论机械零件设计概论第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂齿轮键槽断裂齿轮键槽断裂Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概论机械零件设计概论第九章第九章 机械

20、零件设计概论机械零件设计概论 3.工作能力：工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度（或者说在一定条件下零件抵抗失效的能力）。通常，用载荷（或者说在一定条件下零件抵抗失效的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力承载能力。 4.工作能力计算准则：工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件不发生失效的条件。也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件安全条件”，是设计零件时的理论依据。是设计零件时的理论依据。

21、强度条件：计算应力许用应力； 计算量计算量许用量许用量刚度条件：变形量许用变形量；Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概论机械零件设计概论第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 5.设计计算与校核计算：设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生失为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有必要的计算，常用的计算方法（过程）有设计计算设计计算和和校核校核计算计算两种。两种。 设计计算：设计计算：先分析零件的可能失效形

22、式，根据该失效形式先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 校核计算：校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计概论机械零件设计概论第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论三、机械零件的设计步骤三、机械零件的设计步骤 1.拟定零件的计算简图。拟定零件的计算简图。 2.确定作用在零件上的载荷。确定作用

23、在零件上的载荷。 3.选择合适的材料。选择合适的材料。 4.根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。定零件的形状和主要尺寸。 应当注意，应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。以圆整。 5.绘制工作图并标注必要的技术条件。绘制工作图并标注必要的技术条件。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九

24、章 机械零件设计概论机械零件设计概论 一、载荷一、载荷 1.载荷：载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯矩弯矩M、扭矩、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷以及冲击能量等，统称为载荷。 2.机械零件实际承受的载荷：机械零件实际承受的载荷：静载荷：静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化大小、作用位置和方向不随时间变化或变化 缓慢的载荷。缓慢的载荷。变载荷：变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。动载荷：动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。North

25、west A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 3. 3.机械设计计算中的载荷：机械设计计算中的载荷： 名义载荷：名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响）的载荷（不考虑动载荷的影响） 载荷系数：载荷系数：考虑机器运转时动力参数的不稳定，工考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数入的影响系数K K 。 计算载荷：计算载荷：载荷系数载荷系数K K名义载荷

26、名义载荷 （代表机器或零件实际所受载荷）（代表机器或零件实际所受载荷）Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论二、应力二、应力 1.设计计算的应力：设计计算的应力： 名义应力：名义应力：根据名义载荷求得的应力根据名义载荷求得的应力 计算应力：计算应力：根据计算载荷求得的应力根据计算载荷求得的应力 2.机械零件的实际应力：机械零件的实际应力： 静应力静应力不随时间变化的应力。不随时间变化的应力。 变应力变应力随时间变化的应力。随时间变化的应力。 非周期性变应力：非周期性变应力：应力的变化没有周

27、期性。应力的变化没有周期性。 循环变应力：应力的变化具有周期性。循环变应力：应力的变化具有周期性。ttTNorthwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论3. 循环变应力的衡量指标：循环变应力的衡量指标： 平均应力平均应力m：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。 应力幅应力幅a ：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。 变应力循环特性变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力之比。应力循环中最小应力与最大应力

28、之比。Ttmaxminmamax2minmmax2minam a xm i nrNorthwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 4. 循环变应力的类型：循环变应力的类型： 对称循环变应力：对称循环变应力：r-1。 脉动循环变应力脉动循环变应力：r0。 静应力：静应力：r1，可看作是变应力的特例。，可看作是变应力的特例。 非对称循环变应力：非对称循环变应力：r0、1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非对称循环变应力非对称循环变应力应力应力时间时间应力应力时间时间应力应力时间时间

29、Northwest A&F Universityt naFaFaFFnat AFa第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论三、机械零件的强度条件：三、机械零件的强度条件：1.机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为称为整体强度整体强度，后者称为，后者称为表面接触强度表面接触强度。2.机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大

30、于零机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材料的许用应力：件材料的许用应力：四、静应力条件下的许用应力四、静应力条件下的许用应力 塑性材料制成的零件，塑性材料制成的零件，主要损坏形式为主要损坏形式为塑性变形塑性变形，按不发，按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极限，许用应力：屈服极限，许用应力： SSSlimNorthwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 S为安全系数为安全系数。零件发生塑性变形后，会影响零件

31、的正常。零件发生塑性变形后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。uS S安全系数安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。故安全系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。脆性材料制成的零件，脆性材料制成的零件，主要损坏形式为主要损坏形式为断裂断裂，按不发生断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用条件

32、进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力应力 ：SSBlimNorthwest A&F University五、变应力下的许用应力五、变应力下的许用应力 1.1.失效形式：失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是要损坏形式都是疲劳断裂疲劳断裂。 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论2.2.疲劳失效的机理疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：结果，经历了三个阶段：裂纹形成裂纹形成裂纹扩展裂纹扩展瞬时断裂瞬时断裂疲劳源

33、疲劳源垄沟纹垄沟纹疲劳纹疲劳纹粗糙区粗糙区光滑区光滑区Northwest A&F University疲劳断口的独特性：两个区疲劳断口的独特性：两个区疲劳区（光滑区）疲劳区（光滑区）脆断区（粗糙区）脆断区（粗糙区）3. 3. 疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂具有以下特征： 1)1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；至比屈服极限低；2) 2) 疲劳断口均为无明显塑性变形的脆性突然断裂；疲劳断口均为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3) 3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度

34、的结果。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University 4. 4. 疲劳曲线：疲劳曲线：表示应力表示应力与应力循环次数与应力循环次数N N之间的关系曲线称之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力越小，试件能为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。经受的循环次数就越多。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论r r-应力循环特性（应力比）；应力循环特性（应力比）；N N-疲劳断裂时应力循环次数。疲劳

35、断裂时应力循环次数。Northwest A&F University 疲劳极限疲劳极限 rN 对任一给定的应力循环特征对任一给定的应力循环特征r，当应，当应力循环力循环 N0次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。 N0称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。 疲劳曲线疲劳曲线的左半部（的左半部（NN0），可近似地用下列方程），可近似地用下列方程式表示：式表示：CNNmrmrN 0 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F Uni

36、versityv利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环次数任意循环次数N N时的疲劳极限时的疲劳极限rNmrrNKNN 0式中式中：寿命系数寿命系数；mNNNK0当当N N0 时，取时，取 NN0 ，KN=1。m为随应力状态而不同的幂指数。为随应力状态而不同的幂指数。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F Universityu通常用通常用-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。110mmNNNC 5.

37、 影响机械疲劳强度的因素：影响机械疲劳强度的因素：在变应力条件下，影响机械零件在变应力条件下，影响机械零件疲劳强度的因素很多，有疲劳强度的因素很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面状应力集中系数、零件尺寸、表面状态、态、环境介质、加载顺序和频率等。环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。主要为前三种。u对称循环变应力作用下，任意循环次数对称循环变应力作用下，任意循环次数N N时的疲劳极限为时的疲劳极限为011mNNN第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件

38、的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论应力集中的影响应力集中的影响 由于结构要求，实际零件都有由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化截面形状的突然变化或或材料不连材料不连续处续处（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用力集中。常用有效应力集中系数有效应力集中系数k表示（指材料、尺寸和表示（指材料、尺寸和受受载情况载情况都都相相似的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的似的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值，即比值，即k= -1/(-1)k绝对尺寸的影响绝对尺寸的影

39、响 当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易形成。常用冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易形成。常用绝对尺寸系数绝对尺寸系数表表示示 =（-1）d/(-1)d0表面状态的影响表面状态的影响 包括表面粗糙度和表面处理的情况。用包括表面粗糙度和表面处理的情况。用表面状态系数表面状态系数来表示来表示=（-1）/(-1)0Northwest A&F University00kS 6

40、. 许用应力：许用应力：当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为u 脉动循环应力时，有限寿命下的许用应力为脉动循环应力时，有限寿命下的许用应力为u 对称循环变应力时，有限寿命下的许用应力为对称循环变应力时，有限寿命下的许用应力为11NNk S 00NNkS 11kS u 当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为u K K 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； 0 0 脉动循环疲劳极限脉动循环疲劳极限第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第

41、九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University六、安全系数六、安全系数 在保证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系在保证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。原则如下：数。原则如下： 静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。S=1.21.5,对塑性较差的材料（对塑性较差的材料（s/B0.6）或铸钢件）或铸钢件S=1.5 2.5； 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，S=3 4； 变应力下，以疲劳极限为极限应力，变应力下，以疲劳

42、极限为极限应力，S=1.3 1.7，若材，若材料不够均匀，料不够均匀，S=1.7 2.5。 S总总= S1S2Sn 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论例例9-1 一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。

43、小车、电动葫芦的自重及起重机总计为自重及起重机总计为W=20KN。试分析。试分析（1）拉杆、横梁及支承）拉杆、横梁及支承B的作用力；的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。解（解（1）如图所示，已知尺）如图所示，已知尺寸寸L、l、H后，即可进行受后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用若略去横梁自重，其上作用有力有力W、F及支承及支承B的约束的约束反力、，这些力处于同一平反力、，这些力处于同一平面内。面内。 Northwest A&F University第二节第二节 机

44、械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论由由 =0得得 kN(拉力拉力)拉力拉力F可分解为可分解为 和和 ： =Fcos30=33.870.866=29.33kN =Fsin30=33.870.5=16.94kN由由 =0 得得 kN由由 =0 得得 kN 顺便指出，后两个方程改写成顺便指出，后两个方程改写成 =0和和 =0，同样，同样可以求解。可以求解。 Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度2 2）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题可按承受）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重

45、次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重量静载荷考虑，以最大起重量( (包括小车、电动葫芦自重包括小车、电动葫芦自重) )作为计算载荷。拉作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用杆、横梁材料均选用Q235Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：横梁上铆钉组承受的载荷及可能出现的主要失效形式，读者可自己分析横梁上铆钉组承受的载荷及可能出现的主要失效形式，读者可自己分析( (即本章习题即本章习题9-79-7及及9-8)9-8)。 项目项目 载荷载荷 可能出现的主要失效形式可能出现的主要失效形式 判定条件判定条件 拉杆拉杆 拉力拉力F F 强度不足，出现塑

46、性变形或断裂。强度不足，出现塑性变形或断裂。 ，、为拉应力、为拉应力、许用拉应力。许用拉应力。 横梁横梁( (即压即压杆杆) ) 主要有：主要有：移动载移动载荷荷W W压力压力F F 当移动载荷当移动载荷W W位于横梁中部时：位于横梁中部时：若弯曲变形若弯曲变形( (挠度挠度y y) )过大，即刚度不足，过大，即刚度不足，可能引起小车在横梁上行走困难。可能引起小车在横梁上行走困难。若弯曲应力与由引起的压应力的合成应力若弯曲应力与由引起的压应力的合成应力过大，即强度不足，可能出现塑性变形或断裂。过大，即强度不足，可能出现塑性变形或断裂。若压杆长细比值较大时，可能出现侧弯，若压杆长细比值较大时，可

47、能出现侧弯，即抗侧弯刚度不足，属于压杆稳定性问题。本即抗侧弯刚度不足，属于压杆稳定性问题。本题中，在题中，在xozxoz平面内，工字梁抗侧弯刚度最小，平面内，工字梁抗侧弯刚度最小，在此平面内引起侧弯的载荷只有。在此平面内引起侧弯的载荷只有。 yyyy ，y y、yy为变形量、许用变形量。为变形量、许用变形量。yyyy ， 、为应力、许用应力。为应力、许用应力。 为的临界载荷，为的临界载荷， 为最小安全系数。为最小安全系数。 Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度例例9-2一车轴如图一车轴如图9-5所示。已知所示。已知=F=110 kN

48、，轴的材料为，轴的材料为Q275钢，钢，=550 MPa，=240 MPa，规定的安全系数，规定的安全系数=1.5。试校核。试校核A-A截面的疲劳强度。截面的疲劳强度。解（解（1）车轴转动时，载荷）车轴转动时，载荷F的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲变应力，循环的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲变应力，循环特性为特性为r=-1。 （2 2）A-AA-A截面的弯曲应力截面的弯曲应力弯矩弯矩M=110M=11010 10 82=9.0282=9.0210 Nmm10 Nmm截面系数截面系数W=dW=d /32= /32=108 /32=124108 /32=12410 mm10 mm弯曲应

49、力弯曲应力 = /W=9.02= /W=9.0210/(12410/(12410)=72.7 MPa10)=72.7 MPa（3 3）求各项系数）求各项系数( (由机械设计手册中查取由机械设计手册中查取) )由由 =550 MPa=550 MPa，D/D/d d=133/108=1.23=133/108=1.23，r/r/d d=0.185=0.185查得查得弯曲时的有效应力集中系数弯曲时的有效应力集中系数 =1.34=1.34，尺寸系数，尺寸系数 =0.68.=0.68.表面粗糙度表面粗糙度 及及 =550 MPa=550 MPa，查得表面状态，查得表面状态 系数系数 =0.95=0.95（

50、4 4）疲劳强度校核）疲劳强度校核弯曲时安全系数弯曲时安全系数 安全。安全。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 1. 1.接触强度：接触强度：若两个零件在受载前是点接触或线接触，受若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层产生很大的局部应力，这种应力称为载变形后，其表层产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力接触应力。这时零件强度称为接触强度。这时零件强度称为接触强度。 承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于

51、表面的接触强度。体强度，还取决于表面的接触强度。 2.2.疲劳点蚀：疲劳点蚀：机械零件的接触应力通常是随时间作周期性机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的接触变应力，在载荷重复作用下，金属表层内产变化的接触变应力，在载荷重复作用下，金属表层内产生初始疲劳裂纹、裂纹扩展至最终金属脱落的破坏现象。生初始疲劳裂纹、裂纹扩展至最终金属脱落的破坏现象。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论 机械零件的接触应力通常是随时间作机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，

52、首先周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约在表层内约20m20m处产生初始疲劳裂纹，处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展然后裂纹逐渐扩展( (润滑油被挤迸裂纹中润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展将产生高压，使裂纹加快扩展) )，终于使，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑面形成一些小坑 ，这种现象称为疲劳点，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力载能力 。Northwest A&F U

53、niversity22212121H1111EEBF3.3.对于线接触的情况，其接触应力可对于线接触的情况，其接触应力可用用赫兹应力公式赫兹应力公式计算。计算。 1FB B 2H HH HFB B 1 2H HH H第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论令令11121及及，EEE121121 对于钢或铸铁，取对于钢或铸铁，取 1 1=2 2 =0.3 =0.3，则上式简化为：，则上式简化为：210.41821nnHF EF Ebb（）Northwest A&F University 第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触

54、强度 4.零件受接触变应力作用时接触强度条件为零件受接触变应力作用时接触强度条件为 HH 而而H = Hlim/SH 式中式中Hlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。u接触应力的特点：接触应力的特点：接触应力具有上接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中下对等、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应线即迅速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力，且应力的增长力是局部性的应力，且应力的增长与载荷与载荷Fn不成直线关系，而要缓慢不成直线关

55、系，而要缓慢得多，故得多，故安全系数安全系数SH可取为等于或可取为等于或稍大于稍大于1。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论例例9-4图图9-9所示的摩擦轮传动，由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成。已知所示的摩擦轮传动，由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成。已知D1=100mm，D2=140mm，b=50mm，小轮主动，主动轴传递功率，小轮主动，主动轴传递功率P=5kW、转速转速n1=500r/min，传动较平稳，载荷系数，传动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数，摩擦系数f=0.15。

56、试求：。试求：(1)所需的法向压紧力所需的法向压紧力 ；(2)两轮接触处的最大接触应力；两轮接触处的最大接触应力；(3)若摩擦轮材料的若摩擦轮材料的硬度为硬度为300HBS，表面接触强度是否足够。，表面接触强度是否足够。解解(1)法向压紧力法向压紧力 传动在接触处的最大摩擦力为传动在接触处的最大摩擦力为 f，拖动从动轮所，拖动从动轮所需的圆周力为需的圆周力为F，考虑到附加载荷的影响和保证摩擦传，考虑到附加载荷的影响和保证摩擦传动的可靠性，计算圆周力为动的可靠性，计算圆周力为KF。为了防止打滑，应使。为了防止打滑，应使 f KF。 小轮转矩 圆周力 ，法向压紧力 Northwest A&

57、F University(2)接触应力接触应力的最大值按式（接触应力接触应力的最大值按式（9-10） 计算，计算， 本题中本题中 Fn=15900N，钢的弹性模量，钢的弹性模量E=2.06105MPa，b=50mm， 综合曲率半径综合曲率半径 = ，故，故 MPa(3)验算表面接触强度如前述，对于钢可取接触疲劳极限验算表面接触强度如前述，对于钢可取接触疲劳极限 =2.76HBS-70=2.76300-70=758 MPa取安全系数取安全系数=1.1，则则 =758/1.1 =689 MPa， 2%2%-含碳量含碳量 2% 2%铁碳合金铁碳合金u 特点：特点：具有良好的液态流动性，可铸造成形状复

58、杂的零件。具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁）较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁） 成本低廉。成本低廉。u应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁合金铸铁合金铸铁Northwest A&F University2.2.钢钢结构钢结构钢工具钢工具钢特殊钢特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)碳素结构钢（碳素结构钢（含碳量含碳量 0.7% ）合金结构钢合金结构钢铸钢铸钢按用途按用途按化学成分按化学成分 0.25% 低碳钢

59、低碳钢0.3% 0. 5% 中碳钢中碳钢0.5% 高碳钢高碳钢按含碳量按含碳量u 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F Universityu 零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。u 选用原则：优选碳素钢，其次是选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类硅、锰、硼、

60、钒类 合金钢。合金钢。u 应用：应用范围极其广泛。应用：应用范围极其广泛。表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆热轧圆钢钢 碳素结构钢碳素结构钢Q235 Q235 （ 3342 3342） 1 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950 2950） 1.51.8 1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（ 2950 2950） 1.72.5 1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（ 2950 2950） 3 3 合金工具钢（合金工具钢（ 2950 2950） 320 320 4Cr9Si24Cr9Si2耐热钢（耐热钢（ 2950 2950） 5 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810810第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论Northwest A&F University3.铜合金铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍铜锌合金，并含有