机械零件设计概论

机械零件设计概论第9章机械零件设计概论9.1机械零件设计概述一.机械设计的要求：1）在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低。2）在预定使用期限内，安全可靠、操作方便。3）方便维修、外观造型美观。4）与时俱进，要有实时性。不同的机械类型要求内容：功能要求：满足运动、传力、工艺动作、零部件工作可靠等。工艺性要求：结构简单、实用。考虑毛坯制造、机械加工、装配、维修、材料等，尽可能选用标准。经济性要求：综合指标，贯穿于设计、运行维修等全过程。其他要求：美观、劳动保护、操作方便、运输……。二.几个基本概念内力：物体受外力而变形，其内部各部分之间因相互位置的改变而引起的相互作用。应力：在物体截面内一点的应力p为该点内力的合力ΔF与该点微小面积ΔS的比的极限值：应力按方向分正应力和剪应力。失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下，不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能力。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。含时间和载荷两个要素。三.失效形式：1）断裂、塑性变形；2）过大的弹性变形；3）磨损或损伤4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。（1）整体断裂零件在载荷作用下，危险剖面上的应力大于材料的极限应力而引起的断裂。如螺栓破断、齿轮断齿、断轴等。

—静强度断裂、疲劳断裂。（2）表面破坏发生在零件工作表面上。常见形式：压溃、磨损、表面疲劳、胶合、腐蚀等。—破坏表面精度、改变表面形貌、摩擦、能耗增大。（3）

变形量过大—弹性变形、刚度不足。—塑性变形。（4）功能失效

不能完成预定功能。

带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。注意：一个零件可能同时存在多种失效形式。如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲劳点蚀、胶合、塑性变形等。

对于一具体零件，应根据其主要失效形式，采用相应的设计准则，计算结构尺寸，然后对其他失效形式进行校核。

——机械设计的工作在两个方面：设计、校核。失效的原因：强度低、刚性差、不耐磨、温度影响、化学变化以及设计不合理等。四.零件工作能力的计算准则判定条件：计算校核量≤许用量1.强度准则

实际应力（计算应力）≤[许用应力]：σ≤[σ]2.刚度准则

变形≤[许用变形]：y≤[y]，θ≤[θ]，ψ≤[ψ]3.寿命准则：T

≥[T许]4.耐磨性准则：5.振动稳定性准则

激振频率fp＜0.87f（固有频率），或fp＞1.18f6.可靠性准则

可靠度应大于许用值五.机械零件的设计步骤拟定机械部件总图拟定零件图拟定零件计算简图选择合适材料确定作用载荷满足工作能力?NY确定零件尺寸的取值范围和选材范围范围设计步骤(1)拟定零件的计算简图。选择零件类型、简化；

(2)受力分析。确定作用在零件上的载荷；

(3)选择材料。确定许用应力（许用应力查手册）；

(4)确定设计准则。失效分析→确定计算准则。

(5)理论设计计算。按设计准则公式，确定零件主要几何尺寸。如螺栓小径、齿轮齿数、模数等。

(6)结构设计。除主要尺寸的其余结构尺寸，必须考虑功能要求，加工或装配工艺要求，减小应力集中，尺寸小，重量轻等原则。

(7)绘制零件工作图。尺寸、公差配合、表面粗糙度及技术条件等。

(8)编写设计计算说明书。可靠性计算过程载荷分布及分布参数几何尺寸分布及分布参数材料机械性能及分布参数应力分析强度分析应力分布参数强度分布参数可靠性计算满足要求?NY重定尺寸和材料性能9.2机械零件的强度9.2.1强度准则零件危险截面处的应力必须小于或等于材料的许用应力。即σ≤[σ]或τ≤[τ]，其中：σ，τ——计算正应力、剪切力。[σ]，[τ]——许用正应力、剪切力。名义载荷：在理想的工作条件下（平稳），零件上承受的载荷。名义应力计算载荷：实际工作条件非常复杂，零件会承受难以计算的附加载荷，通常引入载荷系数K（或工作情况系数KA）来考虑对载荷的影响，K>1。K与名义载荷的乘积——计算载荷。计算应力相应地，有名义应力、计算应力。

式中，[σ]、[τ]——材料的许用应力。

[σ]=σlim/S，[τ]=τlim/S

σlim——材料的极限正应力；

τlim——材料的极限剪切应力。S——安全系数。注意：材料的极限应力是在简单应力状态下测得的，对于复杂应力状态下工作的零件的设计，应根据材料力学中所述强度理论进行。许用应力取决于材料的极限应力、安全系数。σe——弹性极限。σs——屈服极限。σb——强度极限。应变:ε=Δl/lσ—应力ε—应变σbσeσs应力应变图9.2.2应力的类型一.基本概念静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。例螺栓拧紧应力、吊钩应力。变应力：随时间变化的应力。

具有周期变化特性的变应力——循环变应力。静应力变应力平均应力：应力幅：循环特性：a.当时，r=－1，称为对称循环变应力。有：b.当时，r=0，称为脉动循环变应力。有：静应力时：二.静应力作用下的许用应力静应力作用下零件材料的失效形式：断裂、塑性变形。许用应力：极限应力：

常用金属材料的牌号及力学性能（p123）塑性材料——屈服极限脆性材料——强度极限布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：σb＝(0.3~0.4)HB，或σb＝K×HB，K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34，对于调质合金钢有K≈0.325；HRC≈0.1HB

三.变应力作用下的许用应力失效形式（疲劳断裂的形式）疲劳断裂——在变应力的反复作用下，材料或零件发生的破坏。特征

1.承受的应力远低于强度极限。σmax＜σb(σs)。

2.损伤积累，微裂纹的不断扩展与连接。3.无明显塑性变形，经过一定循环次数后突然断裂。4.断口形貌有两个区：疲劳区、瞬断区。疲劳断口疲劳断口示意疲劳曲线：表示应力与应力循环次数之间关系。在给定的循环特性r的条件下，以最大应力σmax为纵坐标，以达到疲劳破坏时的应力循环数N为横坐标，根据试验结果绘制的曲线。疲劳试验简介：材料、试样、循环特性、疲劳试验机。疲劳曲线分析：

σ↑,N↓,反之σ↓,N↑。当σ低于一定值时，曲线平行于N轴。即循环次数为为无限长，即材料不会发生破坏。

对应的点为（N0，σr）。

N0——循环基数，一般N0取107。σr——对应r循环特性的疲劳极限。该点的左边——有限寿命区；该点的右边——无限寿命区。有限寿命区疲劳曲线的描述（N<N0）σ-1——对应于循环次数N的疲劳极限

m——随应力状态不同的幂指数四.许用应力

疲劳极限应力：σlim=σ-1（或σr—无限寿命设计）（钢制零件受弯）变应力作用下的许用应力的确定比较复杂，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时必须考虑应力集中、零件尺寸、表面状况等的影响。常引入有效应力集中系数Kσ，尺寸系数εσ，表面状态系数β。[σ-1]=εσβσ-1/KσSS——安全系数;σ-1——r循环特性下对应寿命N的疲劳极限。εσ，β，Kσ可以在机械设计手册或教科书中查到。疲劳极限的经验公式五.安全系数安全系数的确定对零件尺寸的大小有影响。取得大，零件结构尺寸大，取得小，又不安全。影响安全系数的因素:载荷和应力计算的准确性，材料的均匀性或数据可靠性，零件的重要性等。在选取安全系数时，一般用查表法、部分系数法。若无专门安全系数表格，参考下列原则:静应力：塑性材料：S=1.2~1.5，塑性较差：S=1.5~2.5。脆性材料：S较大，例高强钢，铸铁：S=3~4。变应力：S=1.3~1.7，当材料不够均匀，S=1.7~2.5部分系数法:S=S1S2S3

S1——载荷和应力计算准确性系数，S1=1~1.5；

S2——材料均匀性系数，对于锻造、轧制钢零件，S2=1.2~1.5，对于铸铁零件，S2=1.5~2.5；

S3——零件重要性系数，S3=1~1.5。例9-1，9-2，9-3见教材9.3机械零件的接触强度整体强度与接触强度的特点整体强度：零件受载在很大体积内产生应力，例齿根弯曲，轴拉伸。接触强度：两个零件点、线接触，受载后小面积接触，局部应力很大，此应力称接触应力。此时的零件强度称为接触强度。例如齿面、滚动轴承、轮与轮轨等。接触破坏形式静应力作用：表面压溃，如键，键槽。

变应力作用：接触疲劳，疲劳点蚀。接触应力的计算:Hertz公式最大接触应力:疲劳点蚀现象接触应力计算图发生疲劳点蚀后，减少了接触面积，降低了承载能力引起振动和噪声轴承内圈轴承滚珠接触强度准则若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准例9-4见教材p－1209.4机械零件的耐磨性磨损：运动副中摩擦表面物质不断损失的现象。耐磨性：零件抗磨损的能力。磨损的危害：改变零件尺寸和摩擦副表面状态。导致机械精度降低、发热和噪声。机械零件磨损的三个阶段：跑合作用图

磨损过程中的磨损量和磨损率

a）磨损过程

b）磨损率磨损的类型磨损现象相当复杂，涉及物理、化学、机械等多方面因素。磨损还可按摩擦副相对运动的要素和类型进行分类:１.磨粒磨损

硬质颗粒，杂质，材料凸峰脱落。2.粘着磨损（胶合）

粗糙度→部分尖峰接触→塑性流动→粘着→材料转移。

（轻微磨损→涂抹→划伤→撕脱→咬死）3.接触疲劳磨损（点蚀）4.腐蚀磨损

在摩擦过程中，表面与周围介质发生化学反应→腐蚀物→剥落→磨损。5.复合磨损磨损可按摩擦副相对运动的要素和类型进行分类耐磨性计算目前尚无简单的理论计算公式1.验算压强

2.相对滑动速度较大时，必须防止温升过高。

现在任何一个技术领域,都是越来越多地利用计算机或与计算机技术相结合。研究一个领域的发展,是要研究其现在和过去差异的特殊性,而不能满足于把共同的趋势来代替各个领域特点的研究。实际上,如果一味到计算机中去寻求解决现代设计中问题的方法,结果就会形成一种误导。——谢友柏院士9.5机械零件常用材料及选择金属材料：铸铁、钢、铜合金、铝合金等。特点及应用。非金属材料：橡胶、塑料。材料的选择原则：1.使用原则

满足使用要求。考虑零件工作状况、受载情况、零件重要性、对零件尺寸和重量的限制等。2.工艺性原则

选用冷、热加工性能好的材料。

例如：箱体，采用铸件还是焊接件？取决于批量大小。铸件→流动性好，焊接件→可焊性好。轮子，毛坯采用铸件、锻件还是焊接件？取决于尺寸大小，结构复杂程度及生产批量大小。单件、小批量→焊接件；尺寸小、结构简单、批量大→模锻；结构复杂、大批量→铸件。3.经济性要求

在满足上述两方面要求的情况下，尽可能选择价格低廉的材料。9.6公差与配合、表面粗糙度及优先数系一.公差与配合按国家标准：批量生产→互换性加工必然存在误差，为了实现互换性→公差、配合国家标准（GB1800~1803-79、GB/T1804-92）孔与轴的公差与配合尺寸标注（基本尺寸，上、下偏差，极限尺寸，公差带）配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。配合种类：间隙、过渡、过盈配合制度：基孔制，下偏差为零。配合特性靠改变轴的公差带实现。

基轴制，上偏差为零。配合特性靠改变孔的公差带实现。

一般设计时，广泛采用基孔制。基轴制二.表面粗糙度(老标准称为光洁度)表面粗糙度零件表面的微观几何形状误差。产生原因：加工后零件表面留下的微细且凸凹不平的刀痕。评定参数之一：轮廓算术平均偏差Ra，指在零件表面取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值。9.7机械零件的结构工艺性及标准化一.结构工艺性在一定生产规模和生产条件下，花费的劳动量最小，加工、装配及维修费用最少。就认为这样的零件具有好的工艺性。1.毛坯选择合理。

2.结构简单合理。

3.适合进行热处理。

4.零件结构应保证加工的可能性，方便性和精确性。

5.零件结构应保证装拆的可能性和方便性