机械零件设计基础培训教材

第十章机械零件设计基础§10-1概述§10-3机械设计中常用材料的选用原则§10-2机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则§10-4机械设计中的强度、许用应力和安全系数机械（Machinery)——是机器和机构的统称。机器(Machine)—主要是指机械装置。如内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运输机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。机械设计(MachineDesign)——即为各种机械装置的设计，机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程，设计是创造性的劳动，设计的本质在于创新。§10-1概述机械设计课程的特点性质：是一门重要的设计性的技术基础课，是初步掌握机械设计能力的必然环节。研究内容：通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设计计算。齿轮传动带传动蜗杆传动螺纹联接轴键联接轴承联轴器链传动通用的零部件系指传动零件轴类零件联接零件目的：1、初步具备一般通用机械零部件设计计算的能力。2、综合运用本课程和其他先修课程的知识，设计机械传动装置和一般机械。5．其他要求：环保、噪音、外观等一、机械设计的基本要求1．实现预定的功能，工作可靠；2．经济性好：设计和制造周期短、成本低，产品生产效率高、能耗低维护管理费用少；3．操作方便，运行安全；4．标准化、系列化程度高：以便简化设计工作，提高产品质量；§10-2机械设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则二、机械零件的工作能力及计算准则零件的工作能力

—

是指在一定的运动、载荷和环境情况下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。二）机械零件的主要失效形式过大弹性变形——零件的刚度不够引起塑性变形——工作应力超过材料的屈服极限σS引起2．变形疲劳断裂——工作应力超过零件的疲劳极限σr引起过载断裂——工作应力超过材料的强度极限σB引起1．断裂压溃、过度磨损——零件接触表面上的压应力p过大胶

合——

零件工作温升△t过高引起表面疲劳损坏——零件表面接触应力σH过大引起3．表面失效机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。一）机械零件的工作能力计算准则—用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准则。常用的计算准则有：三）机械零件的计算准则1．强度准则——针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效强度——指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致安全事故。强度的计算准则为：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]针对断裂或塑性变形σH≤[σH]针对表面疲劳损坏强度计算准则：1）或2）S——安全系数，S＞1—→S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不安全σ—零件的工作正应力；—零件的工作切应力；[σ]—材料的许用正应力；—材料的许用切应力；—材料的极限正应力；—材料的极限切应力；2．刚度准则——针对过大弹性变形

刚度——指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机器正常工作，提高机床加工产品质量的基本要求。刚度的计算准则为：y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；由刚度计算所得零件剖面尺寸，一般要比强度计算的大，所以，一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。机床主轴轴等弹性性变形过过大将影影响加工工精度。。齿轮轴的的弯曲挠挠度过大大会影响响一对齿齿轮的正正确啮合合。3．耐磨磨性准则则——针对对过度磨磨损、胶胶合破坏坏耐磨性——指指零件在在载荷作作用下相相对运动动的两零零件接触界的抗抗磨损能能力。耐耐磨性是是保证有有相对运运动的零零件正常工作的的基本要要求。其其验算式式为：p≤[p]——防防止过度度磨损pv≤≤[pv]——防防止胶胶合破坏坏4．振动和和噪声准准则——针对高速速机械的的振动失失稳（即即共振））当零件的的固有振振动频率率f等于或趋趋近于零零件的强强迫振动动频率fp时，将产产生共振振。这不不仅影响响机械正正常工作作，甚至至造成破破坏性事事故，而而振动又又是产生生噪声的的主要原原因。防止共振振的条件件为：f≤0．87fp或f≥1．18fp式中，f—零件的固固有振动动频率，，取决于于零件的的质量和和刚度。fp—零件受激激振源作作用引起起的强迫迫振动频频率。3、选择择材料；；4、根据据失效形形式选用用判定条条件，设设计出零零件的主主要参数；5、绘制制零件工工作图。。受力分析1、拟订订零件的的设计简简图；2、确定定载荷的的大小及及位置；；四）机械械零件的的设计步步骤传统设计计方法：：强度条件件（或刚刚度）设计计算尺寸尺寸校核计算强度条件件（或刚刚度）理论设计计（半经经验设计计）类比设计计与已有的的同类产产品进行行比较来来设计新新产品。。这种方方法在工工程实际际中用得得较多，，特点是是节省时时间，较较可靠。。经验设计计根据实践践中归纳纳出的经经验公式式和经验验数据进进行设计计，缺乏乏创新。。如：箱体、传动件各个结构要素等模型实验验设计把初步设设计的零零、部件件或机器器作成小小模型或或小尺寸寸样机进进行实验验。用于于大型、、复杂零零件的设设计。如：飞机机、桥梁梁的风洞洞实验。。现代设计计方法：：优化设计计对工程实实际问题题进行抽抽象，建建立数学学模型，，用优化化方法求求解，得得出最佳佳设计结结果。计算机辅辅助设计计（CAD）包括分析析计算和和绘图。。概率设计计（可靠靠性）将概率论论与数理理统计理理论运用用于机械械设计。。有限元设设计并行设计计§10－3机机械设计计中常用用材料的的选择原原则选用原则则：一、使用用性能的的要求用途、工作条件件、物理、化学、机械工艺艺性能、经济性。零件材料料选材因素素：使用要求求是指用所所选材料料做成的的零件，，在给定定的工况况条件下和和预定的的寿命期期限内能能正常工工作。二、工艺艺性能的的要求工艺要求求是指所选选材料的的冷、热热加工性性能好，，热处理理工艺性好好。三、经济济性的要要求在满足使用性能能的前提下下，尽量量选用低价格的材料，，减少材材料的消消耗，是是零件材材料选择择的主要要原则。。各种材料料的化学学成分和和力学性性能可在在相关国国标、行行标和机机械设计计手册中中查得。。为了材料料供应和和生产管管理上的的方便，，应尽量量缩减材材料的品品种。一、载荷荷和应力力一）载荷荷载荷———构件或零零件工作作时所承承受的外外力。静载荷———大小和方方向均不不随时间间变化或或变化缓缓慢的载载荷。变载荷———大小或方方向随时时间变化化的载荷荷。根据载荷荷性质的的不同，，可分为为静载荷与变载荷。§10-4机械设计计中的强强度、许许用应力力和安全全系数循环变载荷稳定循环环载荷不稳定循循环载荷荷随机变载荷名义载荷荷——在理想的的平稳工工作条件件下作用用在零件件上的载荷，按按原动机机的功率率求得。。计算载荷荷——载荷系数数与名义义载荷的的乘积。。式中，P——原原动机的的额定功功率（kW），，n——额额定转速速（r/min）。式中，K——考考虑各种种附加载载荷的载载荷系数数。也可分为为工作载荷荷、名义载荷荷与计算载荷荷。工作载荷荷——机械正常常工作时时所受的的载荷（（一般难难以确定）。。根据名义载荷荷求出的应应力称为为名义应力力。根据计算载荷荷求出的应应力称为为计算应力力。按照应力力随时间间的变化化情况，，应力也也可分为为静应力和变应力。静应力———不随时间间变化或或变化很很小的应应力。二）应力力变应力———随时间变变化的应应力。otσ

σ=常数稳定循环变应应力不稳定循环变应应力规律性不不稳定变变应力随机变应应力随机变应力规律性不稳定变应力静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生。aσ0t作用在转转动心轴轴上的载载荷是静载荷，产生的的应力却却属于变应力。三）变应应力参数数及典型型变应力力1.变应应力参数最大应力：：σmax最小应力：：σmin应力循环特特征：用来表示应应力的变化化情况r=σmin/σmax平均应力：：应力幅：σminσaσaσmσmaxtσ注意：五个参数具具有符号，，计算时要要带有符号号；σmax、σmin是指绝对值值而言。应力类型a）静应力力：r=+1变变应力特例例σtσ=常数b）对称循循环变应力力r=-1σtσaσmaxσminc）脉动循循环变应力力r=0σtσaσaσmaxσm2.典型型变应力及及应力循环环特征rd）非对称称循环变应应力r在（-1～～+1）间间变化σmaxσmσminσaσatσ二、机械零零件的失效效形式及强强度条件式式静应力作用用下——过过载断裂、、塑性变形形。二）零件强度条条件式：σσ≤[σ]=σlim/S材料的极限应力安全系数脆性材料制制造的零件件：σlim=σB塑性材料制制造的零件件：σlim=σS1．静应力力作用下零件极限应应力2．变应力力作用下零零件极限应力——σlim=σrN疲劳极限一）零件的的失效形式式变应力作用用下——疲疲劳破坏约约占零件损损坏事故中中的80%。。强度极限屈服极限3.安全系系数——S的取取值对零件件的结构尺尺寸、工作作可靠性均均有影响。1）静应力力下，塑性性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的的S可通过查表表求得。无无表可查查时，按以以下原则取取：→零件尺寸大大，结构笨笨重。S↓→可能不安全全。２）静应力力下，脆性材料，如高强度钢钢或铸铁：：S=3～～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀匀，或计算算不准时取取：S=1.7～2.5三、静应力力时机械零零件的强度度计算一）单向应应力下的塑塑性材料零零件强度条件：：或二）复合应应力时的塑塑性材料零零件按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算由第三强度理论：（最大剪应力理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）复合应力计计算安全系系数为：三）脆性材材料与低塑塑性材料脆性材料极极限应力：：（（强度极极限）塑性材料极极限应力：：（（屈服服极限）1、单向应应力状态强度条件：：或或或失效形式：：断裂按第一强度度条件：（最大主应应力理论））注意：低塑塑性材料（（低温回火火的高强度度钢）——强度计计算应计入入应力集中中的影响脆性材料（（铸铁）——强度计计算不考虑虑应力集中中一般工作期期内应力变变化次数<104按静应力强强度计算。。2、复合应应力下工作作的零件1、疲劳破破坏特征：：1）断裂过过程：①产产生初始裂裂纹（应应力较大处处）②裂纹尖端端在应力作作用下，反反复扩展，，直至产生疲疲劳裂纹。。2）断裂面面：①光滑滑区（疲劳劳发展区））②粗糙区（（脆性断裂裂区）3）无明显显塑性变形形的脆性突突然断裂4）破坏时时的应力（（疲劳极限限）远小于于材料的强强度极限一）变应力力作用下机机械零件的的失效特征征2、疲劳破破坏的机理理：损伤的的累积3、影响因因素：不仅仅与材料性性能有关，，变应力的的循环特征征、应力循循环次数、、应力幅都都对疲劳极极限有很大大影响。四、机械零件的的疲劳强度计计算描述应力循循环次数N和疲劳极极限σrN间关系的曲曲线，其横横坐标为应应力循环次次数N，纵纵坐标为疲疲劳极限σσrN疲劳曲线无限寿命区σrN有限寿命区N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD机械零件的的疲劳大多多发生在σ－N曲线线D点以前，，可用下式式描述：二）机械零件材料的疲劳极限1、σ—N疲劳曲线1）有限寿寿命区当N<104—低周循环，，疲劳极限限接近于屈屈服极限，，按静强度度计算。2）D点以以后的疲劳劳曲线呈一一水平线，，代表着无限寿命区区，其方程为为：当N>104——高周循环疲疲劳当104≤N≤ND时随循环次数↑疲劳极极限↓无限寿命区σrN有限寿命区N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD由于ND很大，所以以在作疲劳劳试验时，，常规定一一个循环次次数N0(称为循环环基数)，，用N0及其相对应应的疲劳极极限σr来近似代表表ND和σr∞，于是有：：有限寿命区区间内循环环次数N与与疲劳极限限σrN的关系为：：式中，σr、N0及m的值由由材料试验验确定。N—应力循循环次数，，N=60nthɑ每转受载次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线线求疲劳极极限σrN的方法：kN—寿命系系数有限寿命区区（N＜N0)疲劳极限:无限寿命区区（N≥N0）疲劳极限：：σrN=σr，kN=1几点说明：：①N0硬度≤350HBS钢，N0=106~107≥350HBS钢，N0=25x107有色金属(无水平部部分)，规规定当N0>25x107时，近似为为无限寿命命区②m—指指数，与应应力与材料料的种类有有关。钢：m=9———拉、弯应应力、剪应应力，m=6———接触应力力；青铜：m=9——弯弯曲应力，，m=8———接触应力力。③应力循循环特征越越大，材料料的疲劳极极限与持久久极限越大大，对零件强度度越有利。。对称循环环（应力循循环特征=-1）最最不利。2、极限应应力图同一种材料料在不同的的应力循环环特征下的的疲劳极限限图（σm—σa图）。对任何材料料（标准试试件）而言言，每种应应力循环特特征下都对对应着该材材料的最大大应力σ’max=σr，再由应力力循环特征征可求出σ’min=rσ’max和σ’m、σ’a。以σm为横坐标、、σa为纵坐标，，即可得材材料在不同同应力循环环特征下的的极限σm和σa的关系图。。1）材料的的极限应力力图曲线上的点点对应着不不同应力循循环特征下下的材料疲疲劳极限。。对称极限点点强度极限点点脉动疲劳极极限点屈服极限点点简化极限应应力线图：：——简化极限应应力图ABDG作法：考虑虑材料的最最大应力不不超过疲劳劳极限，得得AB及延长线考虑塑性材材料的最大大应力不超超过屈服极极限，得DG。AD：疲劳劳极限直线线DG：屈服服极限直线线ψσ——等效系数（（折算系数）对碳钢：ψσ=0.1~0.2对合金钢：：ψσ=0.2~0.3材料的简化化极限应力力图，可根根据材料的的三个试验验数据σ-1、σ0和σS而作出。折线以内为为疲劳和塑塑性安全区区，折线以以外为疲劳劳和塑性失失效区，工工作应力点点离折线越越远，安全全程度越高高。AD上各点点：DG上各点点：如果σmax<σmax’，不会疲劳破破坏如果σmax<σs，不会屈服破破坏折线ADG上任一点点，表示在在不同r时的疲劳极极限。求不同应力力循环特征征r时时的疲劳极极限：由材料的极极限应力简简图对于n点(工作作应力为σm和σa）应力循环特特征：对应的疲劳劳极限：影响零件疲疲劳强度的的因素，除除材料性能能、r、N外，还有：：应力集中：：零件剖面几几何形状突突变处(如如孔、圆角角、键槽、、螺纹等））局部应力远远大于名义义应力，使使疲劳极限限降低用应力集中中系数Kσ(Kτ)来考虑，Kσ(Kτ)越小越好好绝对尺寸：：零件剖面绝对尺尺寸大、出出现缺陷概概率大、疲疲劳极限降降低用绝对尺寸寸系数εσ(ετ)来考虑，εσ(ετ)越大越好好表面状态：零件表面光滑或或强化处理理、能提高高疲劳极限限用表面状态系数β来考虑用综合影响系数或考虑以上因素影响综合影响系系数越小越越好。钢的的强度越高高，(Kσ)D或(Kτ)D值越大。所所以对于用用高强度钢钢制造的零零件为了得得到提高强强度的效果果必须特别别注意减少少应力集中中和提高表表面质量。。2）零件的的极限应力力图注意：由试验得知知，有效应应力集中系系数、绝对对尺寸系数数和表面状态系系数，只对变应力力的应力幅幅部分产生生影响。因而，计算时可用用综合影响响系数对变变应力的应力幅部分进行修修正。综合影响系系数表示了了材料极限限应力幅与与零件极限限应力幅的的比值：零件的对称称循环疲劳劳极限：用(Kσ)D或(Kτ)D修正纵坐标（应应力幅部分分）：零件对称循循环疲劳点点零件脉动循循环疲劳点点零件屈服极极限点直线A’D’方程:直线D’G方程:A’D’——许用疲劳极极限直线，，D’G——屈服极限直直线D’G是静强度极极限，其不不受(Kσ)D的影响，所以该段不不必修正，，仍用135º的直线表示示。三）单向稳稳定变应力力时机械零零件的疲劳劳强度计算算进行零件疲疲劳强度计计算时，首首先根据零零件危险截截面上的σmax及σmin确定平均应应力σm与应力幅σa，然后，在在极限应力力线图的坐坐标中标示示出相应工工作应力点点M（或N）。应力比为常常数：r=C例如绝大多多数转轴中中的应力状状态平均应力为为常数σσm=C例如振动着着的受载弹弹簧中的应应力状态最小应力为为常数σσmin=C例如紧螺栓栓连接中受受轴向变载载荷时的应应力状态相应的疲劳劳极限应力力应是极限限应力曲线线上的某一一个点（σme’，σae’）所代表的的应力。用哪一点来来表示极限限应力才算算合适,要要根据零件件应力可能能发生的变变化规律来来确定。通常机械零零件可能发发生的典型型的应力变变化规律有有以下三种种：∴过原点与与工作应力力点M或N作连线交A’D’G于M´和N´点，由于直直线上任一一点的应力力循环特征征均相同，，M´和N´点即为所求求的极限应应力点。讨论：当ｒｒ＝C时，，单向变应应力状态下下的强度计计算。对于塑性材材料，当应力在疲疲劳破坏区区对应于M点点的零件的的极限应力力a）当工作应力力点位于OA’D’’内极限应力为为疲劳极限限，按疲劳劳强度计算算。对应于N点点的极限应应力点N’’位于直线线D’G上上。其强度度计算式为为b）当工作作应力点位于OD’G内极限应力为为屈服极限限，按静强强度计算。。注意：1）若零件件所受应力力变化规律律不能肯定定，一般采采用r=C的情况计算算。2）上述计计算均为按按无限寿命命进行零件件设计，若若按有限寿寿命要求设设计零件时时，即应力力循环次数数104<N<No时，这时上上述公式中中的极限应应力应为有有限寿命的的疲劳极限限，即应以σ-1N代σ-1，以σ0N代σ0。3）当当未知知工作作应力力点所所在区区域时时，应应同时时考虑虑可能能出现现的两种种情况况。4）对对切应应力上上述公公式同同样适适用，，只需需将σ改为τ即可。。四）双双向稳稳定变变应力力时机机械零零件的的疲劳劳强度度计算算当零件件上同同时作作用有有同相相位的的稳定定对称称循环环变应应力σa和τa时，由由实验验得出出的极极限应应力关关系式式为：：σa’,ττa’——同同时作作用正正应力力和切切应力力的应应力幅幅极限限值（σ，，τ同时作作用））σ-1e,ττ-1e——为为零件件对称称循环环正应应力和和切应应力时时疲劳劳极限限（σ，ττ单独作作用））由于是是对称称循环环变应应力，，故应应力幅幅即为为最大大应力力。弧弧线AM'B上任何