机械零件设计

§9-2机械零件的强度§9-3机械零件的接触强度§9-4机械零件的耐磨性§9-5机械制造常用材料及其选择第9章机械零件设计概述§9-1机械零件设计概述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。一、机械设计应满足的要求：§9-1机械零件设计概述机械零件的设计也必须满足上述要求

——既要工作可靠，又要成本低廉。

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：承载能力二、机械零件的工作能力三、机械零件的失效由于某种原因零件不能正常工作时，称为失效。（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

轴承内圈断裂轴承外圈、滚动体断裂机械零件常见的失效形式:

断裂、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。机械零件设计概述（二）塑性变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生塑性（残余变形)。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形

机械零件设计概述轴承外圈塑性变形轴承内圈塑性变形机械零件设计概述（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）。齿面接触疲劳（点蚀）轴瓦磨损机械零件设计概述轴承套圈点蚀轴承内圈点蚀机械零件设计概述失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等。强度条件：五、机械零件设计的步骤5)绘制工作图并标注必要的技术条件。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;注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整。失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等。刚度条件：机械零件设计概述四、机械零件的设计准则——工作能力计算准则1)拟定零件的计算简图;六、机械零件设计的计算方法设计计算——根据设计准则，确定尺寸。校核计算——先参照实物、图纸、经验数据等初步拟定结构和尺寸，然后根据设计准则进行验算。机械零件设计概述变载荷：随时间变化（周期性、非周期性）二、应力的分类：变应力：由静载荷或变载荷产生静载荷：不随时间变化或变化缓慢t

一、载荷的分类：§9-2机械零件的强度t

静应力：由静载荷产生t

2变应力稳定变应力（

m、a、T均为常数）规律性非稳定变应力随机变应力非稳定变应力（

m、a、T之一不为常数）t

对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力§9-2机械零件的强度变应力的描述：sm─平均应力；smax─最大应力；smin─最小应力r─应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有2个参数是独立的。t

sa─应力幅§9-2机械零件的强度1、非对称循环2、对称循环t

§9-2机械零件的强度3、脉动循环4、静应力§9-2机械零件的强度5、规律性非稳定变应力6、随机变应力§9-2机械零件的强度一、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

塑性材料，取屈服极限

S

作为极限应力,许用应力为：

脆性材料：取强度极限

B

作为极限应力,许用应力为：机械零件在静应力下的强度计算二、静应力下的强度计算1、单向应力状态或机械零件在静应力下的强度计算2、复合应力状态（塑性材料）第三强度理论第四强度理论一、疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：裂纹形成裂纹扩展瞬时断裂疲劳断口的独特性：两个区疲劳区（光滑区）脆断区（粗糙区）疲劳断裂具有以下特征：

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。疲劳源垄沟纹疲劳纹粗糙区光滑区材料的疲劳特性变应力疲劳断裂

1、疲劳极限：在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏

的应力最大值，称为疲劳极限。

疲劳曲线是通过疲劳试验得到的，进行试验时采用的是标准试件。标准试件：

无尺寸变化

表面磨削或抛光

7~10

材料的疲劳特性二、材料的疲劳曲线r-----应力循环特性（应力比）；N-----疲劳断裂时应力循环次数。2、疲劳曲线(r一定）

maxN材料的疲劳特性A点：N=1/4ABCDAB段：静应力破坏BC段：断口发现显著的塑性变形，属于应变

疲劳，也称为低周疲劳。CD段：

高周疲劳，多数零件的疲劳属于此类m---材料常数，由试验确定D点以后：

rN与N无关3

rN

maxN材料的疲劳特性ABCDND大致在106~25107之间。人为规定一个循环次数N0

（循环基数）。----寿命系数

maxN材料的疲劳特性ABCD讨论N0为规定的试验次数，称为循环基数KN称为寿命系数N<N0，有限寿命区，

lim=rN，KN>1

N>N0，无限寿命区，取N=N0，KN＝1，有限寿命无限寿命循环特性r不同时，材料的疲劳极限不同，疲劳曲线也不同

C点：屈服极限点

F点：强度极限点在曲线上，三、材料的等寿命疲劳曲线（极限应力线图）

该曲线表示了在循环次数N0下，不同r

时疲劳极限的特性。3材料的疲劳特性

a

m3材料的疲劳特性

a

m疲劳安全区

a

m屈服安全区3材料的疲劳特性

a

m安全区极限应力图的三种简化方法

1.用A'F代替A

D'E'C

2.用A'C代替A

D'E'C

3.用AD'G'E'C代替AD'E'C只需已知

0、-1、S即可作出极限应力图。3材料的疲劳特性

a

m安全区A'Ｇ'直线的方程为：CＧ'直线的方程为：yσ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，yσ≈0.1~0.2，对于合金钢，yσ≈0.2~0.3。3一、影响零件疲劳强度的主要因素

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。1、应力集中的影响理论应力集中系数主要考虑几何尺寸变化引起的应力集中。实际上，除考虑几何尺寸变化外，还应考虑材料的性质对应力集中的影响。机械零件的疲劳强度计算3有效应力集中系数

-1（-1)-----无应力集中源的试件的疲劳极限；

-1k(-1k

)-----有应力集中源的试件的疲劳极限。q-----材料的敏性系数，表示材料对应力集中的敏感程度。讨论若q

=0，此材料对应力集中不敏感，例如：铸铁；若q

=1，此材料对应力集中敏感，例如：合金钢。一般，材料的强度极限，则在一个剖面上有多个应力集中

，按最大的进行计算。机械零件的疲劳强度计算2、绝对尺寸的影响在应力相同时，尺寸越大，疲劳强度越低。

因为：尺寸越大，材料出现缺陷的概率越大；尺寸越大，晶粒越粗；尺寸越大，硬化层相对较薄;尺寸系数

-1d（-1d)-----尺寸为d的无应力集中试件的疲劳极限；

-1（-1)-----标准无应力集中试件的疲劳极限。机械零件的疲劳强度计算3、表面质量的影响零件表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响用表面质量系数

-1（-1)-----某种表面质量的试件的疲劳极限；

-1（-1)-----光滑标准的试件的疲劳极限。机械零件的疲劳强度计算4、强化处理的影响对零件表面施行不同的强化处理，均可提高疲劳强度。常用的强化方法有：表面化学热处理（渗碳、渗氮）、高频表面淬火、表面硬化处理（喷丸、滚压）等。

-1q----经过强化处理后试件的疲劳极限。5、综合影响系数根据试验研究证明：以上各种因素只影响应力幅

a，而不影响平均应力

m。机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算二、零件的疲劳极限应力线图

a

m由于以上因素的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。材料零件4机械零件的疲劳强度计算

a

m材料零件AG的方程：CG的方程：CG'的方程：A'G'的方程：机械零件的疲劳强度计算三、单向稳定变应力时的疲劳强度计算

a

m工作应力点M计算安全系数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（循环特性）为常数：r=C平均应力为常数

m=C最小应力为常数

min=C机械零件的疲劳强度计算

a

mr=C射线OM’(ON’)上任何一点所代表的r均相同，M’(N’)为极限应力点。疲劳安全系数图解法疲劳安全区屈服安全区例：转轴中的弯曲应力r=-1机械零件的疲劳强度计算

a

mr=C疲劳安全区屈服安全区屈服安全系数图解法解析法AD方程：OM方程：联立解得：解析法设计零件时，若难以知道应力变化规律，按r=C处理；解析法计算时，疲劳安全系数和屈服安全系数都要计算，并取小值作为计算安全系数，图解法则不必；对剪切应力，只需将上述公式中的

换为

即可；若循环次数不是N0，则用

rN代替

r即可。4机械零件的疲劳强度计算讨论机械零件的疲劳强度计算

a

m

m=C直线MM’(NN’)上任何一点所代表的应力循环都具有相同的平均应力

m，M’(N’)为极限应力点。疲劳安全系数疲劳安全区屈服安全区例：车辆的减振弹簧MM'方程：AD方程：屈服安全系数机械零件的疲劳强度计算

a

m

min=C直线MM’(NN’)上任何一点所代表的应力循环都具有相同的最小应力

min，M’(N’)为极限应力点。疲劳安全系数疲劳安全区屈服安全区例：紧螺栓联接屈服安全系数四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算（塑性材料）当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力

max和

max时，由实验及理论得出的安全系数公式为:机械零件的疲劳强度计算式中：1、对称循环双向非对称循环复合应力的研究尚不完善，目前也采用前式进行疲劳强度校核：

机械零件的疲劳强度计算式中：2、非对称循环机械零件的疲劳强度计算3、屈服安全系数第三强度理论第四强度理论或式中：五、提高机械零件疲劳强度的措施采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。减载槽在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。机械零件的疲劳强度计算应力状态应力类型单向应力状态复合应力状态极限应力

lim静应力稳定循环变应力r=C(塑性材料）以为判据以为判据以S为判据以S为判据塑性脆性以S为判据疲劳区屈服区？？强度计算公式总结

接触应力当两零件以点、线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力。式中ρ1和ρ2分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触，负号用于内接触。

对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。

1FB

2σHσHFB

1

2σHσH§9-3机械零件的接触强度FB

1

2σHσH机械零件的接触强度式中：F-----作用于接触面上的总压力；B-----初始接触线长度；

1、2-----分别为零件1和零件2初始接触线处的曲率半径，

称为综合曲率半径

1、2-----分别为零件1和零件2材料的泊松比；E1、E2-----分别为零件1和零件2材料的弹性模量。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，这种现象称为疲劳点蚀。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。载荷为静载荷时，失效形式为：塑性变形、压碎载荷为变载荷时，失效形式为：疲劳点蚀（接触疲劳磨损），常发生在齿轮、滚动轴承中。机械零件的接触强度已知：

-1=180MP，

S=300MP，

=0.2，K

=2，试求：1、零件的简化极限应力图；2、当r=0.6，S=2时，该零件能承受的最大应力

max；3、若

a=70MP，m=50MP，计算该零件的安全系数。解：1、A（0，-1/K

）(0，90)

a

mODD（

0/2，0/2K

）（150，75）G（

S，0）（300，0）G45°2、

AN’属静强度3、图解法：M（50，70）M’解析法：例题1M如图为某机器上一根单向转动轴，n=20r/min，每天工作8小时，要求工作2.5年（每年以300天计）。轴的材料为45钢调质处理，

B

-1

0

-1

0650300500155282m=9，N0=107，S=1.6，E-E截面上受弯曲应力

b=30，轴向拉应力

c=10，扭转应力

=15。过盈配合k

=2.62，k

=1.89，圆角k

=1.93，k

=1.58，尺寸系数

=0.81，

=0.7，表面质量系数=0.9，强化系数

q=1，试校核轴的强度。是静应力还是变应力？是对称循环还是非对称循环？是单向还是复合应力状态？N=?是有限寿命还是无限寿命？例题2轴是转动的，M一定，

b为对称循环变应力；轴向拉应力不变，

c为静应力；=

c=

b正应力为非对称循环变应力。考虑轴单向转动，工作不连续等因素，扭转切应力按脉动循环处理。E-E截面为复合应力状态。应力循环次数按有限寿命计算。解例题2t

计算综合影响系数K

、K

E-E截面有两个应力集中源，取数值最大者计算。计算材料常数

、

计算单向应力安全系数Sca、Sca计算复合应力下的疲劳安全系数Sca安全例题2

运动副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§9-4机械零件的耐磨性实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:p≤

[p]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]机械零件的耐磨性§9－5机械制造常用材料及其选择一、金属材料1.铸铁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：①具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。

②较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁）

③成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁合金铸铁§9－5机械制造常用材料及其选择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（含碳量＜0.7%

）合金结构钢铸钢按用途按化学成分＜0.25%低碳钢0.3%~0.5%中碳钢＞0.5%高碳钢按含碳量特点：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。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。应用：应用范围极其广泛。表9-2常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆钢碳