第九章 机械零件设计概论

第9章机械零件设计概论9-1

机械零件设计概述9-2~9-4

机械零件的工作能力准则9-5

常用材料及其选择9-6

极限与配合、表面粗糙度和优先系数9-7

机械零件的工艺性和标准化基本要求:掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能机械设计基础——机械零件设计概论前言

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→运动的单元机设研究对象机械设计基础——机械零件设计概论传动零件轴系零件联接零件附件机架

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→齿轮传动→蜗杆传动→带传动→链传动→轴→滑动轴承→滚动轴承→联轴器与离合器繁杂（门类多、关系多、要求多、公式多、图形多、表格多）(二)课程特点与学习方法研究对象:

讲课顺序:通用零件专用零件（机架、手柄、车轮......）分析处理问题的思路:特点：机械设计基础——机械零件设计概论分析处理问题的思路：∵（任务）设计零件→*受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理）↓*失效形式（*主要失效形式←分类）*计算准则（公式建立的依据）↓

强度计算（*设计方法→先定主参数*←*许用应力↓←材料）

结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准）①②③④⑤⑥⑦⑧↓∴(抓住)计算准则∴学习贯穿一条线：机械设计基础——机械零件设计概论9-1机械零件设计概述一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础——机械零件设计概论一、机械零件分类机器：机械、机构的总称构件——运动的单元零件——制造的单元通用零件传动件：齿轮、蜗杆、带、链联接件：螺栓、键、花键支承件：轴、轴承机械零件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨其它：联轴器、弹簧、机架机械设计基础——机械零件设计概论二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求机械设计基础——机械零件设计概论三、机械零件设计过程零件设计时的共性：过程：1、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置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、绘制零件工作图工作原理、结构、类型、应用场合受力分析、失效形式设计准则、设计计算机械设计基础——机械零件设计概论四、机械零件传统设计方法理论设计(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，缺乏创新模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计强度条件(或刚度)设计计算尺寸校核计算强度条件(或刚度)机械设计基础——机械零件设计概论9-2~9-4机械零件的工作能力准则一、机械零件常见失效形式二、工作能力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则机械设计基础——机械零件设计概论一、机械零件常见失效形式失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn机械设计基础——机械零件设计概论二、工作能力准则工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力”如：吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN工作能力准则：衡量零件工作能力的指标对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则50kN机械设计基础——机械零件设计概论三、强度准则机械零件工作能力的最基本准则强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应力≤许用应力 σ≤[σ]或τ≤[τ]针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零部件：轴、齿轮、带轮等正应力剪应力机械设计基础——机械零件设计概论材料极限应力一般在简单应力状态下用实验方法测定,注意适用范围许用应力极限应力安全系数(一)载荷及其分类

名义载荷－

载荷系数－

计算载荷－

名义应力－

计算应力－1.基本定义:(二)应力及分类:(三)机械零件的强度计算(四)机械零件的接触强度2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化)静载荷变载荷机械设计基础——机械零件设计概论理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷K（或KA）载荷：作用于零件上的力或力矩计算载荷=K×名义载荷KF,KT,KM载荷系数（二）应力及分类静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力稳定变应力（随时间作周期性）不稳定变应力（非周期性循环变应力）机械设计基础——机械零件设计概论稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力tstssminsmaxsm应力参数以正应力s为例最大应力:

smax=sm+sa最小应力:

smin应力幅:

sa机械设计基础——机械零件设计概论平均应力:

sm循环特征:rtssminsmaxsm1静应力应力表达：

s+1（t+1）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:r机械设计基础——机械零件设计概论tssm2脉动循环变应力应力表达：

s0（t0）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:r机械设计基础——机械零件设计概论smts3对称循环变应力应力表达：

s-1（t-1）最大应力:

smax最小应力:

smin应力幅:

sa平均应力:

sm循环特征:r机械设计基础——机械零件设计概论tstσtσtσtσ非对称～对称～γ=－1脉动～γ=0静～γ=+14极限应力（1）静应力下的极限应力与材料性能有关脆性材料取强度极限sB(tB)机械设计基础——机械零件设计概论塑性材料取屈服极限sS(tS)sBes玻璃钢灰口铸铁esspsSsBABCDE（2）变应力下的极限应力疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定材料经过N0次应力循环不发生破坏的应力最大值sr(tr)机械设计基础——机械零件设计概论各种材料的sr可从有关手册中查取有限寿命区无限寿命区（三）

机械零件的强度计算

强度计算通式→σ≤σlim／ｓ=[σ]（正应力）τ≤τlim／ｓ=[τ]（切应力）关键:①σ的计算②[σ]的取值失效形式：许用应力[σ]

塑性材料→过大的残余变形(正确运用材力有关公式)：②复合应力：→材料力学基本强度理论1．静应力作用下的强度计算

脆性材料→断裂σｓ/S－屈服极限σＢ/S－强度极限二．变应力作用下的强度计算

①简单应力:（单向应力）→拉σ＝Ｆ／Ａ；弯σＦ＝Ｍ／Ｗ;剪τ＝Ｆ／Ａ;扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ计算应力机械设计基础——机械零件设计概论（常用材料表9-1）2．变应力作用下的强度计算（P113~114）

（1）失效形式:

[σ]=σr/S

；[τ]=τr/S疲劳极限=?σr→τr（2）许用应力:零件本身应力集中(ｋσ有效应力集中系数）绝对尺寸(εσ尺寸系数)表面状态(β表面状态系数)

Ｎ→（σ－Ｎ）疲劳曲线

→疲劳断裂→与应力性质、大小、Ｎ有关）γ→σ-1、σ0、σ+1(应力性质)①疲劳曲线②零件本身③许用应力（3）计算应力（4）安全系数（图9-2p.114)机械设计基础——机械零件设计概论Ｋσ、εσ、β→p.115公式(9-8)(9-9)（9-10）②零件本身:①疲劳曲线：当N≥N0:σrN=σ-1

→当σ＜σ-1→无限循环不破坏当N＜N0:σNσ－1N0σrNNN0－循环基数σrN：对应N的疲劳极限图9-3p.114N↑→σrN↓σ－1:γ=－1的疲劳极限(N=N0)③许用应力:对称:γ=－1脉动:γ=0机械设计基础——机械零件设计概论（3）计算应力:(σmax、σmin)

①简单应力→σ＝σmax；τ＝τmax

②复合应力→材料力学基本强度理论（4）安全系数:机械设计基础——机械零件设计概论①静应力

塑性材料：屈服极限为极限应力，S=1.2~1.5

脆性材料：强度极限为极限应力，S=3~4②交变应力→疲劳极限作为极限应力，S=1.3~1.7（材料不均匀时S=1.7~2.5）③部分系数法：S=S1×S2×S3

S1：考虑载荷、应力计算的准确性（1~1.5)

S2：考虑材料力学性能的均匀性（铸铁:1.5~2.5,钢:1.2~1.5）

S3：考虑零件的重要性（1~1.5)安全系数↑→许用应力↓→结构笨重安全系数↓→许用应力↑→不够安全1接触应力的产生——点或线接触所产生的应力（四）机械零件的接触强度接触应力局部应力不同与挤压应力2接触应力的性质（1）接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大机械设计基础——机械零件设计概论赫兹公式P119（9-14）（2）两物体上应力大小相等3接触应力的计算公式影响接触应力的因素：曲率半径材料接触线长度机械设计基础——机械零件设计概论四、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]倾角条件：θ≤[θ]扭曲刚度：扭角条件：j≤[j]针对失效形式：过大的弹性变形典型零部件：轴、蜗杆等机械设计基础——机械零件设计概论五、耐磨性准则耐磨性：零件抗磨损的能力磨损是相当复杂的物理化学过程影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则：

P高速时，应满足针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等机械设计基础