机械零件设计概论

第11章机械零件设计概论（1）§11－1机械零件设计概论§11－2机械零件的强度§11－3机械零件的接触强度§11－4机械零件的耐磨性§11－5机械制造常用材料及其选择§11－6机械零件的工艺性及标准化§11－1机械零件设计概论一：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、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。二：机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。零件的失效形式:

断裂或塑性变形;过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。一、机械零件的主要失效形式（一）整体断裂

整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂（二）过大的残余变形

当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形（三）零件的表面破坏

零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。轴瓦磨损齿面接触疲劳

刚度准则

设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：

强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。计算应力<许用应力；：确保零件不发生过大的弹性变形。变形量<许用变形量；

寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。

振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。

可靠性准则：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。二、机械零件的设计准则设计计算准则：保证零件不失效所依据的基本准则称为设计计算准则。主要有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则和可靠性准则等。机械零件设计的步骤：

1)拟定零件的计算简图;2)确定作用在零件上的载荷;3)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，确定零件的形状;5)绘制工作图并标注必要的技术条件§6－2机械零件的强度

一：载荷的分类

作用在机械零件上的载荷：

静载荷(staticload)——大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢

变载荷(variableordynamicload)——大小、作用位置或方向随时间变化，如曲柄压力机的曲轴和汽车悬架弹簧等所受的载荷机械设计计算中的载荷：

名义载荷(nominalload)——理想平稳工作条件下作用在零件上的载荷

计算载荷(calculatedload)——载荷系数与名义载荷的乘积。在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷作用，通常引入载荷系数。（载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。）二：应力的分类

静应力(staticstress)——不随时间变化或变化缓慢(图a)

变应力(variablestress)——随时间变化

变应力非对称循环变应力(non-symmetriccirculatingvariablestress)(图b)脉动循环变应力(fluctuatingcirculatingstress)(图d)

对称循环变应力(symmetriccirculatingvariablestress)(图c)反映变应力参数：平均应力(meanoraveragestress)：应力幅(stressamplitude)：变应力的循环特性(stressratio)：r=-1

----对称循环变应力（图c)r=0

----脉动循环变应力（图d)r=+1

----静应力（图a)二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形强度判定条件：σ——零件的最大正应力(maximumnormalstress)，可由拉伸(tension)、压缩(compression)、弯(bending)等产生；

τ——零件的最大切应力(maximumshearstress)，可由扭转(torsion)、剪切(shear)等产生；

[σ]、[τ]——许用正应力(allowablenormalstress)许用切应力(allowableshearstress)，也可用σP、τP表示；

σlim

、τlim——材料的极限正应力、极限切应力。由实验方法测定。

[Sσ]、[Sτ]——对应于正应力、切应力的许用安全系数

若材料为塑性材料，应力达到屈服应力(yieldstress)时，材料就发生塑性变形(plasticdeformation)，因此，取σlim=σS(屈服极限应力)，τlim=τS。若材料为脆性材料(brittlematerials)，则取σlim=σB(拉伸静强度极限应力)，τlim=τB

。

三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂(fatiguefracture)：表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个阶段：第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可以有一个或数个；第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。实际上，材料内部的夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、腐蚀等都有可能产生初始裂纹。因此一般说零件的疲劳过程是从第二阶段开始的，应力集中(stressconcentration)促使表面裂纹产生和发展。

1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;2)

疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)

疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。疲劳极限

疲劳极限(fatiguelimit)σrN——对任一给定的应力循环特征r，当应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力

疲劳曲线或σ−N曲线——以N或lgN为横坐标，σrN

或lgσrN为纵坐标，反映σrN(或lgσrN)与N(或lgN)之间关系的曲线

1、疲劳曲线NOσσrN0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当N>N0时,试件将不会断裂。N0----应力循环基数，它随材料不同而有不同的数值。通常，对HBS≤350的钢，N0≈107对HBS>350的钢，N0≈25×107σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。σ0:表示材料在脉动循环应力下的弯曲疲劳极限。

有限寿命区

无限寿命区

σr——相应于应力循环基数N0的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如kN——寿命系数；当N≥N0时，取kN=1。

当N<N0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：C——试验常数；m——随材料和应力状态而定的特性数，例如对受弯钢制零件，m=9；2、许用应力在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：σ0

为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命N>N0

”

，有限寿命时，用σ-1N代入得：四、安全系数

安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：

S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5§11－3机械零件的接触强度1:接触强度:若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力(contactstress)。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、滚动轴承等机械件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。2:失效形式常表现为：疲劳点蚀

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，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力。后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。3:表面接触疲劳强度的计算准则:

由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式

“+”用于外接触，“-”用于内接触。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFnσH-------最大接触应力或赫兹应力;b-------接触长度;Fn

-------作用在圆柱体上的载荷;-----综合曲率半径;-----综合弹性模量;E1、

E2

分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：bFn§11－4机械零件的耐磨性

运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。

磨损↑→间隙↑、精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、噪音↑据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。

磨损的主要类型：1）磨粒磨损2）粘着磨损(胶合磨损)在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。3）疲劳磨损(疲劳点蚀)4）腐蚀磨损实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:p≤

[p]

[p]由实验或同类机器使用经验确定相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将pv

值与许用的[pv]

值进行比较。即:pv≤

[pv]§11－5机械制造常用材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。一、金属材料1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%铁碳合金特点：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（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。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。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。价格便宜且供应充分我国资源丰富

3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。2.塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。

3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。

用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。常用无机非金属材料有哪些？§11－6机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使用要求----具备所要求的工作能力；制造要求----制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。(学生弱点）工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前