第九章机设概论

第九章机设概论第一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四

例:机构→齿轮机构(三个构件)齿轮1、齿轮2、机架3轴、轴承、套筒等→轴系零件构件←零件→制造的单元齿轮→传动件键→联接件

12构件1←(小齿轮)3(一)机械零件的简介:最基本的通用零件机原研究对象→机构←构件→运动的单元前言第二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四传动零件轴系零件联接零件附件机架第三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四

机械零件→→一般尺寸参数的通用机械零件的设计总论→螺纹联接→键联接→带传动→链传动→齿轮传动→蜗杆传动→滑动轴承→滚动轴承→联轴器与离合器→轴繁杂（门类多、关系多、要求多、公式多、图形多、表格多）(二)课程特点本课程研究对象:

讲课顺序:通用零件专用零件（机架、手柄、车轮......）特点：第四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四一、机械零件设计的基本准则失效断裂塑性变形强度、刚度、振动稳定性、耐磨性强烈振动打滑、过热磨损、损伤过量的弹性变形第一节基本准则、设计步骤失效:机械零件由于某种原因丧失正常工作能力第五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四

计算准则→┌强度准则├刚度准则├振动稳定性准则└其它准则→主要→介绍计算准则:根据失效原因而制定的判定条件设计时将这些准则作为防止失效和进行设计计算的依据。第六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四⑴体积强度抵抗断裂、过大的塑性变形能力1.强度体积强度表面强度强度或(9-1)(9-2)式中-----分别为正应力和切应力的许用安全系数-----分别为极限正应力和极限切应力（MPa）零件抵抗破坏的能力一、机械零件设计的基本准则失效形式：断裂、过大的塑性变形第七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四1、静应力工作下的塑性材料零件：2、静应力工作下的脆性材料零件：σSσlim；τSτlimσbσlim；τbτlim3、变应力工作下的塑性材料零件：变应力工作下的脆性材料零件：疲劳极限作为σlim和τlim极限应力应根据零件材料性质及所受应力类型作如下选择：同时应考虑零件尺寸、表面状态及几何形状引起的应力集中对疲劳强度的影响。失效形式：塑性变形失效形式：断裂失效形式：疲劳断裂一、机械零件设计的基本准则材料的屈服点材料强度极限第八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四⑵表面强度抵抗表面损伤的能力表面挤压强度：零件的最大挤压应力σbs≤[σbs]表面接触强度：接触应力σH≤[σH]σH——变应力疲劳点蚀接触面光滑承载能力噪音振动一、机械零件设计的基本准则失效形式：表面损伤第九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]2.刚度刚度是零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力零件刚度不足，产生的弹性变形过大，会影响机器的正常工作。设计时必须使零件在载荷作用下产生的最大变形量不超过许用变形量y、[y]

-----分别为零件的变形量和许用变形量θ、[θ]

-----分别为零件的转角和许用转角Ф、[Ф]

-----分别为零件的扭角和许用扭角一、机械零件设计的基本准则第十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四限制工作面的单位压力和相对滑动速度过度磨损尺寸改变间隙精度振动失效抗磨损4.振动稳定性避免使零件的固有频率与强迫震动频率相等或成整数倍硬度热处理3.耐磨性润滑选择合适的材料组合在载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力产生油膜一、机械零件设计的基本准则设计时应根据零件的实际工作条件，分析主要失效形式，按其相应的计算准则进行计算；确定主要参数后，必要时在按其他准则校核第十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四二、机械设计的一般程序1、机器设计的一般程序

市场调研可行性研究原理方案设计技术设计试制试验小批生产试销投产设计任务书定出最佳方案装配图、零件图、技术文件样机评价改进考核工艺性收集用户意见产品销售第十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四2、机械零件设计的一般步骤6)绘制零件工作图，拟定必要的工作条件，编写计算说明书5)按结构工艺性及标准化的要求，设计零件结构及其他尺寸4)分析零件的主要失效形式，选择设计准则，确定零件基本尺寸3)根据工作条件，选材料及热处理的方法2)计算作用在零件上的载荷1)根据使用条件确定零件的类型、结构，拟定计算简图

二、机械设计的一般程序逆向设计第十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第二节机械零件的疲劳强度第十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四r≠±1非对称循环一、交变应力及其类型

r=-1对称循环r=0脉动循环循环特征r=1静应力最大应力

最小应力

平均应力应力幅应力分为静应力变应力稳定循环应力不稳定循环应力第十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四二、疲劳问题交变力、交变应力疲劳破坏（产生裂纹或突然发生断裂）是材料在变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂第十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四三、疲劳断裂的特征是材料在变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂疲劳断裂与静应力下断裂相比有以下特征：分两个阶段在零件表面应力较大处产生初始裂纹，裂纹在切应力作用下，反复发生塑性变形，裂纹扩展到一定程度，发生突然断裂①②断面分两个区表面光滑的疲劳发展区表面粗糙的脆性断裂区③疲劳断裂均为脆性断裂塑性材料零件脆性材料零件④疲劳极限比同材料的屈服点低，疲劳极限的大小与应力循环次数及应力循环特性有关第十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四三、疲劳曲线疲劳极限是指试件经过一定应力循环次数N后，不发生疲劳破坏的最大应力，常用表示。表示循环次数N和疲劳极限关系的曲线，称为疲劳曲线（1）无限寿命区当N≥N0时，试件的疲劳极限不再随应力循环次数N的增加而降低，如图示曲线1的水平线部分，大部分中低碳钢属此类曲线。N0—循环基数--对应于N0的疲劳极限对称循环脉动循环第十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四（2）有限寿命区按疲劳曲线水平部分进行的设计计算----无限寿命设计当要求零件在无限长的使用工作期间工作而不发生疲劳破坏时，可将其工作应力限制在疲劳极限以下，可得到理论上的无限寿命。有色金属和高强度合金钢的疲劳曲线，没有无限寿命区，如图曲线2当N＜N0时，试件的疲劳极限随应力循环次数N的增加而降低，如图示1曲线的斜线部分。按疲劳曲线斜线部分进行的设计计算，-----有限寿命设计为充分利用材料，减轻重量，在确保使用寿命的条件下，常采用超过材料疲劳极限的工作应力来进行疲劳强度设计，在航空、汽车领域得到广泛应用。第十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四疲劳曲线斜线部分的方程式为对应一定应力循环次数N时的有限寿命的疲劳极限为式(9-8)

式(9-9)

第二十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四应力集中、尺寸、表面状态第二十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四四、安全系数的计算1、单向应力时的安全系数的计算由式（9-2）和式（9-9）得安全系数公式为：---分别为正应力、切应力下的计算安全系数---分别为正应力、切应力下的许用安全系数1）、当零件受对称循环应力作用，进行有限寿命设计时，考虑零件几何形状引起的应力集中、零件尺寸及表面状态对零件疲劳强度的影响，引入应力集中系数（），尺寸系数（），表面状态系数βσ（

）。（9-10）第二十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四2）、当零件受非对称循环应力作用，进行有限寿命设计时，考虑引入应力集中系数（），尺寸系数（），表面状态系数βσ（

）只对应力幅有影响；同时可把非对称循环应力的、

通过

转化为对称循环的当量应力幅来计算安全系数，其安全系数计算式为（9-11）式中---等效系数，是将平均应力折算为应力幅的系数，其值与材料的性质有关。对于低碳钢取=0.1~0.2;=0.05~0.1。对于合金钢取=0.2~0.3；=0.1~0.15。第二十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四2、复合应力时的安全系数的计算当零件由塑性材料制成，且在弯扭复合应力状态下工作时，其安全系数计算式为（9-12）式中---为单向应力作用下零件的安全系数，分别按式（9-10）或式（9-11）计算；---零件的许用安全系数第二十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四3、许用安全系数许用安全系数选择是设计工作中一项重要工作，安全系数过大，将造成材料浪费，零件体积大且笨重；安全系数过小将使零件工作不可靠。有一阶梯轴，已知：材料为40Cr，硬度为240HBS，=210MPa，=360MPa，=0.2，=0.1，

=2.87，=2.66，=65MPa（对称循环应力），=40MMPa(脉动循环应力)，应力循环次数N=6X106，许用安全系数=1.5，试校核此轴是否安全。例9-1第二十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四解：（1）求工作应力的、、、由式(9-5)及式(9-6)得

，（2）求寿命系数由式(9-9)得对于硬度小于等于350HBS的钢，N0=107；受弯曲应力和切应力时m=9。第二十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四（3）求单向应力下的安全系数、由式(9-11)得（4）求复合应力下的安全系数S由式(9-12)得由以上计算可知此轴安全第二十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四使用性工艺性（各种加工性能）材料的选取原则第三节机械零件的常用材料及选择常用材料：碳素结构钢、合金钢、铸铁、有色金属等受力环境经济性第二十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四标准件：按规定标准生产的零件。好处：

（1）由专门化工厂大量生产标准件，能保证质量、节约材料、降低成本；

（2）选用标准件可以简化设计工作，缩短产品的生产周期；

（3）选用参数标准化的零件，在机械制造过程中可以减少刀具和量具的规格；（4）具有互换性，从而简化机器的安装和维修。第四节机械零件的结构设计工艺性及标准化尽量选用标准件第二十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第四节机械零件的结构设计工艺性及标准化

通用化：在不同规格的同类产品或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零件、部件。

我国现行标准分为国家标准（GB）、行业标准和专业标准等，国际上则推行国际标准化组织（ISO）的标准。第三十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四小结:1.基本概念:失效、承载能力、主要失效形式及计算准则强度(整体－整体断裂、过大的残余变形、疲劳断裂、表面－磨损、压溃、点蚀)刚度－过大的弹性变形载荷(名义、计算、静载荷、变载荷)应力(计算、静、变应力)交变应力(特征－σmax,、σmin、σa、σm、γ、N

典型的交变应力－)tσtσtσtσ静γ=+1非对称对称γ=－1脉动γ=0第三十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四是材料在变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂疲劳断裂与静应力下断