第十章 机械零件设计基础

第十章机械零件设计基础第一页，共三十五页，2022年，8月28日§10-1机械设计中的强度、许用应力和安全系数§10-2机械设计中的摩擦、磨损和润滑§10-3机械设计中的基本要求和一般程序§10-4机械零件的工作能力和计算准则第二页，共三十五页，2022年，8月28日§10-1机械设计中的强度、许用应力和安全系数一、机械设计中的载荷和应力

一）载荷和应力的类型（一）载荷静载荷—大小和方向均不随时间变化的载荷变载荷—大小或方向随时间变化的载荷静应力—大小和方向均不随时间变化（或变化极缓慢）的应力变应力—大小和方向，或大小或方向随时变化的应力

（二）应力

机械设计应满足的要求很多，但强度要求是所有零件都必须满足的首要条件，而强度计算必需确定作用于零件上的载荷和应力。载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其他因素。第三页，共三十五页，2022年，8月28日

工作载荷机器正常工作时所承受的实际载荷（实测载荷谱）考虑各种附加载荷的影响K——载荷系数计算载荷名义载荷按原动机功率求得的载荷P——功率n——机器转速静应力应力不随时间而变化{稳定循环T、平均应力、应力幅等不随时间变化不稳定循环T、平均应力、应力幅等变化有规律变应力应力随时间而变化随机σ、τ变化无规律本课程仅讨论循环变应力载荷应力(考虑内部和外部附加动载荷而引入的系数）第四页，共三十五页，2022年，8月28日2．变应力参数及典型变应力1）稳定变应力参数：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γ=σmin/σmax2）典型变应力及应力循环特征γ平均应力：应力幅：σmaxσmσminσaσatσ第五页，共三十五页，2022年，8月28日应力类型a）静应力：γ=+1变应力特例b）非对称循环变应力γ在（+1～-1）间变化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常数c）对称循环变应力γ=-1σtσaσmaxσmind）脉动循环变应力γ=0σtσaσaσmaxσm一）载荷和应力的类型第六页，共三十五页，2022年，8月28日二、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=σγN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%。3.安全系数——S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有影响，设计时应根据零件的重要性、零件材料的质量、栽荷计算准确性等方面，合理选取，具体数值可参考设计资料。材料的许用应力第七页，共三十五页，2022年，8月28日(1)零件损坏机理静应力作用下：危险剖面塑性变形或断裂变应力作用下：疲劳断裂零件表面应力超过极限值微裂纹扩展断裂(2)极限应力静应力极限应力：与材料性能有关变应力疲劳极限：与材料有关外，还与 循环特征r

 应力循环次数N有关 应力集中、绝对尺寸、表面状态三)零件疲劳损坏机理由于80%的零件产生疲劳破坏，所以先讨论零件疲劳损伤机理第八页，共三十五页，2022年，8月28日三．机械零件材料的疲劳极限描述应力循环次数N和疲劳极限σγN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σγN疲劳曲线无限寿命区σγ有限寿命区N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ一）σγ—

N疲劳曲线（等应力循环特征γ的不等寿命N曲线）D

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：

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：机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线D点以前，可用下式描述：第九页，共三十五页，2022年，8月28日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=60n

th

ɑ每转受载次数使用寿命（h）转速（r/min）用疲劳曲线求取疲劳极限σγN的方法无限寿命区（N≥N0）疲劳极限：σγN=σγ，

kN=1kN—寿命系数有限寿命区（N＜N0)疲劳极限:第十页，共三十五页，2022年，8月28日二）极限应力线图（等寿命疲劳曲线）机械零件材料的疲劳特性除用σ－N曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。A'Ｇ'直线的方程为：CＧ'直线的方程为：

ψσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，ψσ≈0.1~0.2，对于合金钢，ψσ≈0.2~0.3。

极限应力线图材料的疲劳特性第十一页，共三十五页，2022年，8月28日不同应力循环特征

r

时的疲劳极限材料的极限应力简图已知材料的机械性能可作简图折线ADG上任一点，表示在不同r时的疲劳极限对于n点(工作应力为和)应力循环特征：对应的疲劳极限：等效系数第十二页，共三十五页，2022年，8月28日零件的极限应力图还应考虑应力集中、绝对尺寸、表面状态的影响应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低用有效应力集中系数来考虑绝对尺寸：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来考虑表面状态：表面光滑或强化处理、能提高疲劳极限用表面状态系数来考虑综合影响系数或考虑各因素影响第十三页，共三十五页，2022年，8月28日机械零件的疲劳强度计算1四.机械零件的疲劳强度计算一）零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e的比值，即在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。将零件材料的极限应力线图中的直线A'D'G'按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG

部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。

第十四页，共三十五页，2022年，8月28日机械零件的疲劳强度计算2二）单向稳定变应力时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。根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：应力比为常数：r=C平均应力为常数σm=C最小应力为常数σmin=C相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。计算安全系数及疲劳强度条件为：

第十五页，共三十五页，2022年，8月28日在（Kσ）Ｄ，（Ｋι）Ｄ修正极限应力图上OG线将图形分为两个区域当工作应力点落在△OAG内线OG对应的应力循环特性r为当工作应力点落在△OGC内零件产生疲劳破坏零件产生塑性变形当零件由中低碳钢制造（塑性材料）第十六页，共三十五页，2022年，8月28日单向应力状态下（当ｒ＝常数时）机械零件的疲劳强度计算对于塑性材料即时即时以上正应力公式，用替代则对剪应力同样适用当应力在疲劳破坏区当应力在静强度区第十七页，共三十五页，2022年，8月28日例有一热轧合金钢零件，其材料的抗弯疲劳极限：＝658MPa，＝400MPa，屈服极限＝189Mpa，应力幅为＝129Mpa

，零件的应力集中系数＝1.26，尺寸系数如取安全系数Smin＝1.5，核验此零件是否安全。

＝658MPa，＝780MPa，所承受的弯曲变应力＝0.78，表面状态系数β＝1。第十八页，共三十五页，2022年，8月28日解：

(1)

(2)因

(3)

(4)故得

因此，该零件安全。零件产生疲劳破坏第十九页，共三十五页，2022年，8月28日4四）双向稳定变应力时的疲劳强度计算当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力σa和τa时，经过实验可得出的极限应力关系式为：式中τa′及σa′为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。若作用于零件上的应力幅σa及τa如图中M点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线AM'B上任何一个点即代表一对极限应力σa′及τa′。计算安全系数：第二十页，共三十五页，2022年，8月28日其中计算安全系数：第二十一页，共三十五页，2022年，8月28日§10-2机械设计中的摩擦、磨损和润滑一、机械中的摩擦１、干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦，摩擦系数一般大于0.1２、边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦，摩擦系数约在0.01～0.1３、流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦，摩擦系数可达0.001～0.008第二十二页，共三十五页，2022年，8月28日４、混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦二、机械中的磨损

１、磨损的定义：由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象零件的磨损过程大体可分为三个阶段：磨合磨损阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段2、磨损过程第二十三页，共三十五页，2022年，8月28日

粘着磨损：3、磨损类型磨粒磨损：摩擦表面的微凸体在相互作用的各点发生粘着作用，使材料由一表面转移到另一表面的磨损摩擦表面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰间在较软的材料表面上犁刨出很多沟纹的微切削过程表面疲劳磨损：摩擦表面受循环接触应力作用到达一定程度时，就会在零件工作表面形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，会造成许多微粒从零件表面上脱落下来，致使表面上出现许多浅坑，这种磨损过程即为疲劳磨损；腐蚀磨损：在摩擦过程中金属与周围介质发生化学反应而引起的磨损第二十四页，共三十五页，2022年，8月28日(1)正确选用材料

(2)进行有效的润滑

(3)采用适当的表面处理

(4)改进结构设计，提高加工和装配精度

(5)正确的使用、维修与保养4、减少磨损的措施第二十五页，共三十五页，2022年，8月28日

润滑起着十分重要的作用，可归纳为如下几点：

(1)降低机器的摩擦功耗，节约能源；

(2)减少或防止机器摩擦副零件的磨损；

(3)减少摩擦发热量。润滑剂还可以带走一部分热量，润滑对降低工作温度起很大的作用；

(4)润滑可以防锈。润滑膜可以隔绝空气中的氧和腐蚀性气体，从而保护摩擦表面不受锈蚀。

(5)润滑能起缓冲和吸振作用。利用润滑膜的弹性和阻尼作用；

(6)起密封防尘的作用。三、机械中的润滑

第二十六页，共三十五页，2022年，8月28日§10-3机械设计中的基本要求和一般程序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；第二十七页，共三十五页，2022年，8月28日二、机械设计的一般程序设计过程一般可以分为四个阶段可行性设计阶段认识需要技术任务书可行性研究初步设计阶段方案构思方案评价参数定量及优化详细设计阶段总体设计零、部件设计改进设计阶段样机试制与试验综合评价生产设计小批量生产产品定型第二十八页，共三十五页，2022年，8月28日§10-4机械零件的工作能力和计算准则一）机械零件的工作能力零件的工作能力

—

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过大失效——机械零件由于某种原因不能正常工作（不等于破坏）第二十九页，共三十五页，2022年，8月28日计算准则—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．强度准则性

—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]针对表面疲劳损坏第三十页，共三十五页，2022年，8月28日2．刚度准则

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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；3．耐磨性准则

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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面能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正常工作的基本要求。其验算式为：p≤[p]—

防止过度磨损pv≤[pv]—防止胶合破坏第三十一页，共三十五页，2022年，8月28日4．振动和噪声准则

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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。