机械设计教学课件机械零件设计基础

第十章机械零件设计根底§10-1概述§10-3机械设计中常用材料的选用原那么§10-2机械设计的根本要求、机械零件的工作能力和计算准那么§10-4机械设计中的强度、许用应力和平安系数机械〔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根底课，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、机械设计的根本要求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、本钱低，产品生产效率高、能耗低维护管理费用少；3．操作方便，运行平安；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机械设计的根本要求、机械零件的工作能力和计算准那么二、机械零件的工作能力及计算准那么零件的工作能力—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，不发生失效的平安工作限度。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——零件接触外表上的压应力p过大胶

合——

零件工作温升△t过高引起外表疲劳损坏——零件外表接触应力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那么—用于计算并确定零件根本尺寸的主要依据。对于具体的零件，应根据它们的主要失效形式，采用相应的计算准那么。常用的计算准那么有：三〕机械零件的计算准那么1．强度准那么——针对零件断裂、塑性变形或外表疲劳损坏失效强度——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根本要求。假设零件的强度不够，不仅因为零件的失效使机械不能正常工作，还可能导致平安事故。强度的计算准那么为：σ≤[σ]MPa或τ≤[τ]针对断裂或塑性变形σH≤[σH]针对外表疲劳损坏强度计算准那么：1）或2）S——平安系数，S＞1—→S↑：安全，浪费材料S↓：经济，不平安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．刚度准那么——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根本要求。刚度的计算准那么为：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。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。齿轮轴的弯曲挠度过大会影响一对齿轮的正确啮合。3．耐磨性准那么——针对过度磨损、胶合破坏耐磨性—指零件在载荷作用下相对运动的两零件接触界的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的根本要求。其验算式为：p≤[p]—防止过度磨损pv≤[pv]—防止胶合破坏4．振动和噪声准那么——针对高速机械的振动失稳〔即共振〕当零件的固有振动频率f等于或趋近于零件的强迫振动频率fp时，将产生共振。这不仅影响机械正常工作，甚至造成破坏性事故，而振动又是产生噪声的主要原因。防止共振的条件为：f≤0．87fp或f≥1．18fp式中，f—零件的固有振动频率，取决于零件的质量和刚度。fp—零件受激振源作用引起的强迫振动频率。3、选择材料；4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数；5、绘制零件工作图。受力分析1、拟订零件的设计简图；2、确定载荷的大小及位置；四〕机械零件的设计步骤传统设计方法：强度条件〔或刚度〕设计计算尺寸尺寸校核计算强度条件〔或刚度〕理论设计〔半经验设计〕类比设计与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠。经验设计根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新。如：箱体、传动件各个结构要素等模型实验设计把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。用于大型、复杂零件的设计。如：飞机、桥梁的风洞实验。现代设计方法：

优化设计对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化方法求解，得出最正确设计结果。计算机辅助设计〔CAD〕包括分析计算和绘图。概率设计〔可靠性〕将概率论与数理统计理论运用于机械设计。

有限元设计

并行设计§10－3机械设计中常用材料的选择原那么选用原那么：一、使用性能的要求用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料选材因素：使用要求是指用所选材料做成的零件，在给定的工况条件下和预定的寿命期限内能正常工作。二、工艺性能的要求工艺要求是指所选材料的冷、热加工性能好，热处理工艺性好。三、经济性的要求在满足使用性能的前提下，尽量选用低价格的材料，减少材料的消耗，是零件材料选择的主要原那么。各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了材料供给和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。一、载荷和应力一〕载荷载荷——构件或零件工作时所承受的外力。静载荷——大小和方向均不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷——大小或方向随时间变化的载荷。根据载荷性质的不同，可分为静载荷与变载荷。§10-4机械设计中的强度、许用应力和平安系数循环变载荷稳定循环载荷不稳定循环载荷随机变载荷名义载荷——在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷，按原动机的功率求得。计算载荷——载荷系数与名义载荷的乘积。式中，P——原动机的额定功率〔kW〕，n——额定转速〔r/min〕。式中，K——考虑各种附加载荷的载荷系数。也可分为工作载荷、名义载荷与计算载荷。工作载荷——机械正常工作时所受的载荷〔一般难以确定〕。根据名义载荷求出的应力称为名义应力。根据计算载荷求出的应力称为计算应力。按照应力随时间的变化情况，应力也可分为静应力和变应力。静应力——不随时间变化或变化很小的应力。二〕应力变应力——随时间变化的应力。otσ

σ=常数稳定循环变应力不稳定循环变应力规律性不稳定变应力随机变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作用在转动心轴上的载荷是静载荷，产生的应力却属于变应力。三〕变应力参数及典型变应力1.变应力参数最大应力：σmax

最小应力：σmin应力循环特征：用来表示应力的变化情况r=σmin/σmax平均应力：应力幅：σminσaσaσmσmaxtσ注意：五个参数具有符号，计算时要带有符号；

σmax、σmin是指绝对值而言。应力类型a〕静应力：r=+1变应力特例σtσ=常数b〕对称循环变应力r=-1σtσaσmaxσminc〕脉动循环变应力r=0σtσaσaσmaxσm2.典型变应力及应力循环特征rd〕非对称循环变应力r在〔-1～+1〕间变化σmaxσmσminσaσatσ二、机械零件的失效形式及强度条件式静应力作用下——过载断裂、塑性变形。二〕零件强度条件式：σ≤[σ]=σlim/S材料的极限应力安全系数脆性材料制造的零件：σlim=σB

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．静应力作用下零件极限应力2．变应力作用下零件极限应力——σlim=σrN疲劳极限一〕零件的失效形式变应力作用下——疲劳破坏约占零件损坏事故中的80%。强度极限屈服极限3.平安系数——S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响。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，按以下原那么取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不平安。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=1.7～2.5三、静应力时机械零件的强度计算一〕单向应力下的塑性材料零件强度条件：或二〕复合应力时的塑性材料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）复合应力计算平安系数为：三〕脆性材料与低塑性材料脆性材料极限应力：〔强度极限〕塑性材料极限应力：〔屈服极限〕1、单向应力状态强度条件：或

或失效形式：断裂按第一强度条件：〔最大主应力理论〕注意：低塑性材料〔低温回火的高强度钢〕——强度计算应计入应力集中的影响脆性材料〔铸铁〕——强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数<104按静应力强度计算。2、复合应力下工作的零件1、疲劳破坏特征：1〕断裂过程：①产生初始裂纹〔应力较大处〕②裂纹尖端在应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。2〕断裂面：①光滑区〔疲劳开展区〕②粗糙区〔脆性断裂区〕3〕无明显塑性变形的脆性突然断裂4〕破坏时的应力〔疲劳极限〕远小于材料的强度极限一〕变应力作用下机械零件的失效特征2、疲劳破坏的机理：损伤的累积3、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特征、应力循环次数、应力幅都对疲劳极限有很大影响。四、机械零件的疲劳强度计算描述应力循环次数N和疲劳极限σrN间关系的曲线，其横坐标为应力循环次数N，纵坐标为疲劳极限σrN疲劳曲线无限寿命区σrN有限寿命区N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD机械零件的疲劳大多发生在σ－N曲线D点以前，可用下式描述：二〕机械零件材料的疲劳极限1、σ—

N疲劳曲线1〕有限寿命区当N<104—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算。2〕D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区，其方程为：

当N>104——高周循环疲劳当104≤N≤ND时随循环次数↑疲劳极限↓无限寿命区σrN有限寿命区N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞，于是有：有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限σrN的关系为：式中，σr、N0及m的值由材料试验确定。N—应力循环次数，N=60

n

th

ɑ每转受载次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线求疲劳极限σrN的方法：kN—寿命系数有限寿命区〔N＜N0)疲劳极限:无限寿命区〔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(无水平局部)，规定当N0>25x107时，近似为无限寿命区②m—指数，与应力与材料的种类有关。钢：m=9——拉、弯应力、剪应力，m=6——接触应力；青铜：m=9——弯曲应力，m=8——接触应力。③应力循环特征越大，材料的疲劳极限与持久极限越大，对零件强度越有利。对称循环〔应力循环特征=-1〕最不利。2、极限应力图同一种材料在不同的应力循环特征下的疲劳极限图〔σm—σa图〕。对任何材料〔标准试件〕而言，每种应力循环特征下都对应着该材料的最大应力σ’max=σr，再由应力循环特征可求出σ’min=rσ’max和σ’m、σ’a。以σm为横坐标、σa为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特征下的极限σm和σa的关系图。1〕材料的极限应力图曲线上的点对应着不同应力循环特征下的材料疲劳极限。对称极限点强度极限点脉动疲劳极限点屈服极限点简化极限应力线图：——简化极限应力图ABDG作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得AB及延长线考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得DG。AD：疲劳极限直线DG：屈服极限直线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材料的简化极限应力图，可根据材料的三个试验数据σ-1、σ0和σS而作出。折线以内为疲劳和塑性平安区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，平安程度越高。AD上各点：DG上各点：如果σmax<σmax’，不会疲劳破坏如果σmax<σs，不会屈服破坏折线ADG上任一点，表示在不同r时的疲劳极限。求不同应力循环特征r时的疲劳极限：由材料的极限应力简图对于n点(工作应力为σm和σa〕应力循环特征：对应的疲劳极限：影响零件疲劳强度的因素，除材料性能、r、N外，还有：应力集中：零件剖面几何形状突变处(如孔、圆角、键槽、螺纹等〕局部应力远大于名义应力，使疲劳极限降低用应力集中系数Kσ(Kτ)来考虑，Kσ(Kτ)越小越好绝对尺寸：零件剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数εσ(ετ)来考虑，εσ(ετ)越大越好外表状态：零件外表光滑或强化处理、能提高疲劳极限用外表状态系数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数越小越好。钢的强度越高，(Kσ)D或(Kτ)D值越大。所以对于用高强度钢制造的零件为了得到提高强度的效果必须特别注意减少应力集中和提高外表质量。2〕零件的极限应力图注意：由试验得知，有效应力集中系数、绝对尺寸系数和外表状态系数，只对变应力的应力幅局部产生影响。因而，计算时可用综合影响系数对变应力的应力幅局部进行修正。综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值：零件的对称循环疲劳极限：用(Kσ)D或(Kτ)D修正纵坐标〔应力幅局部〕：零件对称循环疲劳点零件脉动循环疲劳点零件屈服极限点直线A’D’方程:直线D’G方程:A’D’——许用疲劳极限直线，D’G——屈服极限直线D’G是静强度极限，其不受(Kσ)D的影响，所以该段不必修正，仍用135º的直线表示。三〕单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M〔或N〕。应力比为常数：r=C例如绝大多数转轴中的应力状态

平均应力为常数σm

=C例如振动着的受载弹簧中的应力状态

最小应力为常数σmin=C例如紧螺栓连接中受轴向变载荷时的应力状态相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点〔σme’，σae’〕所代表的应力。用哪一点来表示极限应力才算适宜,要根据零件应力可能发生的变化规律来确定。通常机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：

∴过原点与工作应力点M或N作连线交A’D’G于M´和N´点，由于直线上任一点的应力循环特征均相同，M´和N´点即为所求的极限应力点。讨论：当ｒ＝C时，单向变应力状态下的强度计算。对于塑性材料，当应力在疲劳破坏区对应于M点的零件的极限应力a〕当工作应力点位于OA’D’内极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算。对应于N点的极限应力点N’位于直线D’G上。其强度计算式为b〕当工作应力点位于OD’G内极限应力为屈服极限，按静强度计算。注意：1〕假设零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用r=C的情况计算。2〕上述计算均为