第九章设计总论

第九章设计总论第1页，课件共60页，创作于2023年2月一、机械零件研究对象§9-1机械零件设计概述

齿轮机构（传动）齿轮传动件

轴、轴承、套筒等轴系零件

键联接件机原：机构←构件→运动的单元机设：零件→制造装配的单元第2页，课件共60页，创作于2023年2月研究对象:在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和

部件的设计零件：组成机器的基本要素通用零件——各类机器常能用到的零件螺栓、齿轮、轴专用零件——特定类型机器才能用到的零件飞机螺旋桨、内燃机曲轴、涡轮机叶片第3页，课件共60页，创作于2023年2月传动零件轴系零件联接零件附件机架第4页，课件共60页，创作于2023年2月特点：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学习方法:1、把握住每章的重点及分析处理问题的思路和基本方法--如何按已定的计算准则来进行设计?2、其次：公式推导、经验数据及曲线来源3、只记基本简单公式，稍复杂公式只需用不必记忆第5页，课件共60页，创作于2023年2月

应用（*工作原理）及特点↓*载荷及应力分析↓*失效形式及材料选择↓*计算准则↓*确定主要参数和尺寸↓结构设计三、分析处理问题的思路第6页，课件共60页，创作于2023年2月四、设计机械零件应满足的基本要求（1）预定功能要求，能够准确实现预定的功能（2）预定的寿命内不能失效，工作可靠（3）结构工艺性要求：加工、装配（4）经济性要求第7页，课件共60页，创作于2023年2月五、机械零件的工作能力准则1、机械零件常见失效形式2、工作能力准则3、强度准则4、刚度准则5、耐磨性准则6、耐热性准则7、振动稳定性准则第8页，课件共60页，创作于2023年2月1机械零件常见失效形式失效：丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下。失效的主要形式是破坏，但不仅仅指破坏。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第9页，课件共60页，创作于2023年2月2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第10页，课件共60页，创作于2023年2月3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：极限应力第11页，课件共60页，创作于2023年2月表面磨损:p≤[p](比压、压强)→耐磨性表面压溃:p≤[p](挤压应力)→挤压强度接触疲劳:

H≤[H](接触应力)→接触强度(点蚀)（齿轮为例）

表面强度:→疲劳破坏整体断裂(脆性材料)过大的残余变形（塑性材料）→整体

破坏静强度→疲劳断裂(塑、脆性材料)→疲劳强度整体强度:变应力静应力动画1动画2动画3齿轮、滚动轴承等第12页，课件共60页，创作于2023年2月4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、蜗杆等第13页，课件共60页，创作于2023年2月5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

针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等第14页，课件共60页，创作于2023年2月6耐热性准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等第15页，课件共60页，创作于2023年2月7振动稳定性准则共振：当机器的自振固有频率f与周期性激振频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：0.85f>fp或1.15f<fp针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等第16页，课件共60页，创作于2023年2月§9-2机械零件的强度一、载荷二、应力三、机械零件的强度计算第17页，课件共60页，创作于2023年2月一、载荷载荷：作用于零件上的力或力矩工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷名义载荷：理想工作条件下的载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷=K×名义载荷载荷系数第18页，课件共60页，创作于2023年2月随机变应力1静应力：不随时间变化的应力规律性不稳定变应力二、应力变应力：不稳定变应力：规律性不稳定变应力和随机变应力稳定循环变应力2变应力：随时间变化的应力第19页，课件共60页，创作于2023年2月3、稳定循环变应力的基本参数和种类1）基本参数应力循环特性（应力比）最大应力最小应力平均应力应力幅2）稳定循环变应力种类γ=+1—静应力γ=-1—对称循环变应γ=0—脉动循环变应力-1<γ<00<γ<1—非对称循环变应力第20页，课件共60页，创作于2023年2月

静应力γ=+1脉动循环变应力γ=0对称循环变应力γ=－1非对称循环变应力-1<γ<00<γ<1第21页，课件共60页，创作于2023年2月注意：1、最大、最小应力都是代数值，以绝对值较大者为最大应力，并规定它为正号，按照这样的规定，循环特征的范围为：2、静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。第22页，课件共60页，创作于2023年2月1静应力下的许用应力破坏形式断裂或塑性变形塑性材料:取屈服极限作为极限应力脆性材料:取强度极限作为极限应力三、机械零件的强度计算第23页，课件共60页，创作于2023年2月

疲劳破坏特征：

1）破坏时的应力远小于材料的静强度极限；

2）无明显塑性变形的脆性突然断裂；

3）在循环应力多次反复作用下产生,即疲劳断裂是损伤的累积;疲劳断裂与应力循环次数密切相关

4）对零件的材料、形状、尺寸、表面状态、使用条件等都非常敏感。2

变应力下的许用应力机械零件在变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏第24页，课件共60页，创作于2023年2月1）疲劳曲线应力循环特性一定时，表示应力与应力循环次数N间的关系曲线。(求材料在不同N下的疲劳极限)它是取同一r不同N值时做实验所得。不同材料具有不同疲劳曲线。σ当N≥N0:σrN=σ-1→当σ＜σ-1→无限循环不破坏σrN：对应N的疲劳极限N↑→σrN↓用σ－1表示材料在对称情况下的疲劳极限(N=N0)当N＜N0:对应N0的应力称为材料的疲劳极限σNσ－1N0σrNNN0－循环基数第25页，课件共60页，创作于2023年2月2）变应力下的许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力（无限寿命下的许用应力）当应力是对称循环变化时：εσ－零件的尺寸系数β－零件的表面状态系数kσ－零件的有效应力集中系数当应力是脉动循环变化时：安全系数：参考相关资料第26页，课件共60页，创作于2023年2月§9-3机械零件的接触强度

高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使表层产生的局部应力很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度在接触应力的反复作用下，首先在表层内约20处产生疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展，最后使表面金属呈小片剥落疲劳点蚀疲劳点蚀是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。第27页，课件共60页，创作于2023年2月两圆柱体接触接触应力（线接触）计算依据：弹性力学的赫兹公式接触强度的判断条件：第28页，课件共60页，创作于2023年2月例1：当三个相同的零件甲、乙、丙承受的σmax是相同的，但应力的循环特性γ分别为+1，0，一1，其中，最易疲劳损伤的零件是——。答：丙例2：零件受交变应力时，N次循环时的疲劳极限为，其中代号注脚“r”代表______。

A. B. C. D.例3：零件工作时可能出现塑性变形时，应按准则计算；零件工作时可能发生断裂时，应按准则计算；零件工作时产生的弹性变形可能超过允许的极限时应按准则计算。A强度B刚度C寿命D振动稳定性E可靠性第29页，课件共60页，创作于2023年2月例5：应力变化曲线如图所示，该变应力的循环特性为：例4：一对齿轮作单向传动，轮齿的弯曲应力可看成哪类循环变应力第30页，课件共60页，创作于2023年2月§9-4机械零件的耐磨性摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。耐磨性：零件抗磨损的能力称为耐磨性磨损的类型磨料磨损：油不净，硬质颗粒或粗糙硬表面在软表面上的切削或刮擦作用引起的材料脱落粘着磨损（胶合）：压力作用—局部温升高—粘着（焊接）—

相对运动—撕脱、剪切—材料转移

疲劳磨损（点蚀）：交变接触应力—裂纹扩展—表面剥落—

麻点、凹坑第31页，课件共60页，创作于2023年2月腐蚀磨损：金属表面与周围介质化学反应，在相对运动中造成表面材料损失耐磨计算：高速时，要考虑发热量：第32页，课件共60页，创作于2023年2月钢和铸铁，其次是有色金属和非金属§9-5机械制造常用材料及其选择1金属材料（1）铸铁:含Ｃ＞2％的铁碳合金称为铸铁→良好的液态流动性（易成型）、吸振、耐磨、价廉。（2）钢:含Ｃ量＜2％的铁碳合金称为钢→具有高的强度、韧性和塑性，可用热处理改变其特性按化学成分，钢分为：

A.碳素钢：低碳钢(C)<0.25%、中碳钢(C)=0.25%～0.55%

高碳钢(C)＞0.55%(性质取决于含碳量,含碳量越高，则强度越高）

B.合金钢（加入了合金元素的钢）一、常用材料第33页，课件共60页，创作于2023年2月按用途钢分为：结构钢（制造各种机械零件和工程结构的构件）工具钢（制造各种刃具、模具和量具）特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等，用于…)常用钢铁材料的牌号及力学性能见表9-1（3）铜合金：分为：青铜和黄铜黄铜：铜和锌的合金，塑性和流动性好，可辗压和铸造青铜：减摩和抗腐蚀较好2非金属材料（1）橡胶：弹性好，能吸收震动和缓和冲击（2）塑料：比重小，易于制成形状复杂的零件，应用越来越广泛第34页，课件共60页，创作于2023年2月二、材料热处理1目的2方法退火退火、正火、淬火、回火、表面热处理正火将零件加热到某一温度→保温→随炉冷却加热到某一温度→保温→较快冷却(例空冷)→消除内应力,硬度减小→改善切削性能

（1）改变金属内部结构提高材料力学性能（2）消除内应力(加工,热处理)→韧度,强度有所提高消除内应力(不如退火)第35页，课件共60页，创作于2023年2月淬火回火硬度大大提高→耐磨性,疲劳强度提高内应力增大→需消除(回火)→综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、韧性)→重要零件调质内应力及脆性均较大↓,硬度↓,弹性↑→弹簧内应力及脆性均↓,硬度及强度均较高→刀具高温～→加热到某一温度→保温→急速冷却

将淬硬的钢件加热到某一温度(较低)→保温→冷却(空冷)低温～→中温～→第36页，课件共60页，创作于2023年2月表面热处理强化零件表面→表面淬火,化学热处理→表面硬度及耐磨性↑芯部韧性不变将某种化学元素(活性原子)渗入零件表面→力学性能↑→表面很硬,芯韧表面硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度↑→表面迅速加热→急冷→低温回火渗碳(碳原子):氮化(氮原子):氰化(碳+氮):表面淬火化学热处理第37页，课件共60页，创作于2023年2月弹性极限：sP抗拉强度：sB屈服强度：sS(s0.2)硬度：HBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS<450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120º金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件HV:维氏硬度136º金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf显微硬度三种硬度单位之比较：HV(维氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBSspsSsBesABCDE三、材料力学性能指标第38页，课件共60页，创作于2023年2月使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度...工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法...经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...四、材料的选择原则第39页，课件共60页，创作于2023年2月§9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列

批量零件应有互换性，即装配时不需要选择和再加工。为实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸在一个合理的范围内；即加工的零件尺寸必须在两个允许的极限尺寸之间公差：这两个极限尺寸之差如图：零线代表基本尺寸的位置。由上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带上偏差下偏差一、公差与配合动画第40页，课件共60页，创作于2023年2月第41页，课件共60页，创作于2023年2月第42页，课件共60页，创作于2023年2月公差代号：孔与轴的公差带位置各有28个。分别用大小写拉丁字母表示轴→小写－f、k、r孔→大写－H、G、K第43页，课件共60页，创作于2023年2月公差等级(尺寸精度等级):1～20级，常用4～11级→置于公差代号之后轴(f7、k7、r7);孔(F7、H7、K7)配合：基本尺寸相同、相互结合的孔与轴的公差带之间的关系→┌间隙配合→孔＞轴│过渡配合→孔＜轴或孔＞轴└过盈配合→孔＜轴Ø35H7/f6Ø35H7/k6Ø35H7/r6配合制度：基孔制和基轴制基孔制：孔是基准孔，下偏差为零，代号为H，各种配合是靠改变轴的公差来实现基轴制：轴是基准轴，上偏差为零，代号为h，各种配合特性是靠改变孔的公差来实现第44页，课件共60页，创作于2023年2月公差与配合的选用：1、在满足使用要求的条件下，尽可能选低的等级；等级高于或等于8级时，孔比轴低一级；低于8级，轴与孔同级。2、优先选用基孔制3、尽可能选用优先配合(查手册，如课程设计指导书表18-5）第45页，课件共60页，创作于2023年2月第46页，课件共60页，创作于2023年2月第47页，课件共60页，创作于2023年2月第48页，课件共60页，创作于2023年2月第49页，课件共60页，创作于2023年2月第50页，课件共60页，创作于2023年2月第51页，课件共60页，创作于2023年2月→（评定）轮廓算术平均偏差(表面粗糙度Ｒａ):在被测量的基本长度内，轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算数平均值二、表面粗糙度近似为：→零件表面的微观几何形状误差中线：规定的测量基准线，该线能使在测量的基本长度内轮廓上各点与它的距离平方和为最小。第52页，课件共60页，创作于2023年2月第53页，课件共60页，创作于2023年2月三、形位公差第54页，课件共60页，创作于2023年2月四、优先数列→便于组织生产和降低成本ＧＢ321－80Ｒ5→公比=;Ｒ10→公比=Ｒ20→公比=;Ｒ40→公