第三章机械零件设计概论(2012修改)

第三章机械零件设计概论§3-1设计机械零件的基本要求

1）工作可靠（不失效）；3）便于制造、装配2）经济性要好；4）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.TJPU§3-2机械零件的载荷和应力一、载荷的分类静载荷：变载荷：1）循环变载荷（载荷循环变化）

2）随机（变）载荷——载荷的频率和幅值均随机变化TJPUTJPU名义载荷----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。载荷系数----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。载荷还分为：1）名义载荷；2）计算载荷。

计算载荷=载荷系数×名义载荷TJPU1静应力和变应力变应力

稳定循环变应力——T、、均不变非稳定循环变应力——

静应力二.应力种类稳定循环变应力的的5个基本参数和种类：0t

min

maxmTJPU0t

a=maxmin

对称循环变应力脉动循环变应力不对称循环（-1<r<+1r≠0）TJPU2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。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。例:

轴

轴承

TJPU非稳定循环变应力随机变应力§3-3

机械零件的常见失效和计算准则一机械零件的常见失效（failure)静强度不够造成断裂疲劳断裂2.塑性变形3.断裂1.过大的弹性变形例如：天车，车床主轴。由于弹性变形较小,且可逆,一般危害不大,扳手.脆性断裂危害极大TJPU4.表面失效5.破坏正常工作条件引起的失效例：滑动轴承：油膜破坏带传动：打滑

6.共振（高速轴）同一零件可能有不同的失效形式，如轴的失效形式可能为：断裂，共振，弹性变形过大等磨损胶合腐蚀TJPU二机械零件的计算准则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够的工作能力，避免失效，要采取各种有效措施，包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则。1、强度准则静应力下:一般工作期内应力变化次数<103（104）可按静应力强度计算。TJPU单向应力状态：或复合应力状态：按强度理论计算.见材料力学TJPU变应力下：材料的疲劳特性曲线：σmaxN≤103时按静强度计算NN0104103低周疲劳高周疲劳无限寿命区有限寿命区σr疲劳破坏的特征TJPU

持久疲劳极限r：对应于循环基数N0时的疲劳极限

有限寿命区

无限寿命区N≥N0

疲劳特性TJPU影响机械零件疲劳强度的因素：零件对称循环扭切疲劳极限为：1）应力集中的影响----有效应力集中系数2）零件尺寸的影响----尺寸系数3）表面质量状态的影响----表面质量系数见教材附录TJPU应力集中TJPU用安全系数表示对称循环下弯曲疲劳强度条件：其他情况下的强度条件式参见教材或手册持久疲劳极限计算应力TJPU接触应力下:

高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，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度称为接触强度.

计算依据：弹性力学的赫兹（Hertz）公式。TJPUB

F

F

b

接触应力下的失效：静应力：表面压碎表面塑性变形变应力：疲劳点蚀强度条件：TJPUTJPU安全系数S：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。s过大零件笨重，过小不安全。安全系数的确定：（1）依据行业规范；（2）经验数据；（3）部分系数法：s=s1s2s3

考虑载荷的准确性考虑材料的可靠性考虑零件的重要程度TJPUy2）扭转刚度扭转角TT'TJPU2、刚度准则

1）弯曲刚度挠度偏转角3、耐热性准则：轴承等工作温度不要超过许用值.4、振动稳定性准则：防止共振振幅A频率f0.85ff1.15f激振频率fp<0.85f

（固有频率）或fp>1.15f

TJPU5、寿命准则：腐蚀、磨损和疲劳。腐蚀、磨损目前尚无可靠的计算方法疲劳寿命可以计算TJPU6、可靠性准则0tIIIIII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(保证机器运动精度等)

精度设计有专著。试分析车床主轴的设计准则。强度、刚度和振动稳定性。TJPU一、常用的机械零件材料二、机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求1、使用要求（首要考虑）：

1）零件的受载和工况；2）对零件尺寸和质量的限制；3）零件的重要程度。2、工艺要求：

1）毛坯制造；2）机械加工；3）热处理。3、经济性要求：

1）材料价格；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；4）局部品质原则;5）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）；6）供应情况。§3-4机械零件常用的材料及其选择原则耐酸、耐高温无切削等TJPU§3-5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；2.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方法。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）TJPU§3-6

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）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。

有人说：机械零件设计应包括理论分析、模型设计、设计计算和结构设计和制图；由结构设计引起的错误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。（查阅有关资料）TJPU2.机械零件设计中的标准化

标准化：在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对现实问题或潜在问题（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。国际标准ISO等国家标准GB（强制）

GB/T(推荐）行业标准如JB/T10475-2004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）

地方标准企业标准三化：零件标准化、部件通用化、机器系列化

TJPU§3-7

机械设计工具书的使用TJPU《机械设计手册》(徐灏主编)

全5册化工出版社出版《机械零件设计手册》第三版上下册《机械设计与制造简明手册》

《机械设计师实用手册》TJPU传统设计方法（一）理论设计（二）经验设计类比法或应用经验公式等（三）模型实验（初定尺寸，制作模型或小尺寸样机，评估，修改完善。）

设计计算校核计算§3-8机械零件设计方法的新发展计算机辅助设计（CAD）

ComputerAidedDesignTJPU有限元法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值方法。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。软件：ANSYS等。现代设计方法TJPU2.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。软件：matlab等。TJPU可靠性设计（机械概率设计）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、材料性能与强度即零部件的尺寸，均视为属于某种概率分布的统计量，应用概率和统计理论及强度理论，求出在给定设计条件下零部件不产生破坏的概率公式。应用这些公式，可以求出给定可靠度条件下零件的尺寸。可靠性分配：它将系统规定的容许失效概率合理地分配给该系统的零件。还有并行设计、绿色设计、动态分析设计、网上设计等、稳健设计等。TJPU机械零件设计的一般步骤

使用要求选择