第9章机械零件设计

§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机械制造常用资料及其选择第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、本钱低，在预定运用期限内平安可靠，操作方便、维修简单和外型美观等。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需满足上述要求——既要任务可靠，又要本钱低廉。在不发生失效的条件下，零件所能平安任务的限制。通常此限制是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载才干二、机械零件的任务才干三、机械零件的失效由于某种缘由零件不能正常任务时，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越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方式:断裂、塑性变形、过大的弹性变形、任务外表的过度磨损或损伤、发生剧烈的振动、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越了资料的屈服极限，零件将产生塑性〔剩余变形)。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〕零件的外表破坏零件的外表破坏主要是腐蚀、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缘由: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)绘制任务图并标注必要的技术条件。2)确定作用在零件上的载荷;3)选择适宜的资料;4)根据零件能够出现的失效方式，选用相应的断定条件，确定零件的外形;留意，零件尺寸的计算值普通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。失效缘由: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、机械零件的设计准那么——任务才干计算准那么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——根据设计准那么，确定尺寸。校核计算——先参照实物、图纸、阅历数据等初步拟定构造和尺寸，然后根据设计准那么进展验算。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画：sm─平均应力；smax─最大应力；smin─最小应力r─应力比〔循环特性〕描画规律性的交变应力可有5个参数，但其中只需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，零件资料的破坏方式：断裂或塑性变形塑性资料，取屈服极限S作为极限应力,许用应力为：脆性资料：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、单向应力形状或机械零件在静应力下的强度计算2、复合应力形状〔塑性资料〕第三强度实际第四强度实际一、疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，阅历了三个阶段：裂纹构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资料的强度极限低，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忽然断裂；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资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，资料不发生破坏的应力最大值，称为疲劳极限。疲劳曲线是经过疲劳实验得到的，进展实验时采用的是规范试件。规范试件：无尺寸变化外表磨削或抛光7~10资料的疲劳特性二、资料的疲劳曲线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资料的疲劳特性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---资料常数，由实验确定D点以后：rN与N无关3rNmaxN资料的疲劳特性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资料的疲劳特性ABCD讨论N0为规定的实验次数，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，资料的疲劳极限不同，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、资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资料的疲劳特性am3资料的疲劳特性am疲劳平安区am屈服平安区3资料的疲劳特性am平安区极限应力图的三种简化方法1.用A'F替代AD'E'C2.用A'C替代AD'E'C3.用AD'G'E'C替代AD'E'C只需知0、-1、S即可作出极限应力图。3资料的疲劳特性am平安区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资料常数，其值由实验及下式决议：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要素由于零件几何外形的变化、尺寸大小、加工质量及强化要素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于资料试件的疲劳极限。1、应力集中的影响实际应力集中系数主要思索几何尺寸变化引起的应力集中。实践上，除思索几何尺寸变化外，还应思索资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-----资料的敏性系数，表示资料对应力集中的敏感程度。讨论假设q=0，此资料对应力集中不敏感，例如：铸铁；假设q=1，此资料对应力集中敏感，例如：合金钢。普通，资料的强度极限，那么在一个剖面上有多个应力集中，按最大的进展计算。机械零件的疲劳强度计算2、绝对尺寸的影响在应力一样时，尺寸越大，疲劳强度越低。由于：尺寸越大，资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)-----规范无应力集中试件的疲劳极限。机械零件的疲劳强度计算3、外表质量的影响零件外表质量〔主要指外表粗糙度〕对疲劳强度的影响用外表质量系数-1〔-1)-----某种外表质量的试件的疲劳极限；-1〔-1)-----光滑规范的试件的疲劳极限。机械零件的疲劳强度计算4、强化处置的影响对零件外表施行不同的强化处置，均可提高疲劳强度。常用的强化方法有：外表化学热处置〔渗碳、渗氮〕、高频外表淬火、外表硬化处置〔喷丸、滚压〕等。-1q----经过强化处置后试件的疲劳极限。5、综合影响系数根据实验研讨证明：以上各种要素只影呼应力幅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am由于以上要素的影响，使得零件的疲劳极限要小于资料试件的疲劳极限。资料零件4机械零件的疲劳强度计算am资料零件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am任务应力点M计算平安系数机械零件能够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amr=C射线OM’(ON’)上任何一点所代表的r均一样，M’(N’)为极限应力点。疲劳平安系数图解法疲劳平安区屈服平安区例：转轴中的弯曲应力r=-1机械零件的疲劳强度计算amr=C疲劳平安区屈服平安区屈服平安系数图解法解析法AD方程：OM方程：联立解得：解析法设计零件时，假设难以知道应力变化规律，按r=C处置；解析法计算时，疲劳平安系数和屈服平安系数都要计算，并取小值作为计算平安系数，图解法那么不用；对剪切应力，只需将上述公式中的换为即可；假设循环次数不是N0，那么用rN替代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amm=C直线MM’(NN’)上任何一点所代表的应力循环都具有一样的平均应力m，M’(N’)为极限应力点。疲劳平安系数疲劳平安区屈服平安区例：车辆的减振弹簧MM'方程：AD方程：屈服平安系数机械零件的疲劳强度计算ammin=C直线MM’(NN’)上任何一点所代表的应力循环都具有一样的最小应力min，M’(N’)为极限应力点。疲劳平安系数疲劳平安区屈服平安区例：紧螺栓联接屈服平安系数四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算〔塑性资料〕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，由实验及实际得出的平安系数公式为: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讨尚不完善，目前也采用前式进展疲劳强度校核：

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、屈服平安系数第三强度实际第四强度实际或式中：五、提高机械零件疲劳强度的措施采器具有高疲劳强度的资料，并配以适当的热处置和各种外表强化处置。适当提高零件的外表质量，特别是提高有应力集中部位的外表加工质量，必要时外表作适当的防护处置。尽能够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。尽能够地减少或消除零件外表能够发生的初始裂纹的尺寸，对于延伸零件的疲劳寿命有着比提高资料性能更为显著的作用。减载槽在不可防止地要产生较大应力集中的构造处，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形状应力类型单向应力形状复合应力形状极限应力lim静应力稳定循环变应力r=C(塑性资料〕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，其接触的部分会引起较大的应力。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。1FB2σHσHFB12σHσH§9-3机械零件的接触强度FB12σHσH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资料的泊松比；E1、E2-----分别为零件1和零件2资料的弹性模量。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷反复作用下，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(光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，而在零件外表构成一些小坑，这种景象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑外表，因此也降低了承载才干。载荷为静载荷时，失效方式为：塑性变形、压碎载荷为变载荷时，失效方式为：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，该零件能接受的最大应力max；3、假设a=70MP，m=50MP，计算该零件的平安系数。解：1、A〔0，-1/K〕(0，90)amODD〔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，每天任务8小时，要求任务2.5年〔每年以300天计〕。轴的资料为45钢调质处置，

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，改动应力=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，外表质量系数=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形状？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。思索轴单向转动，任务不延续等要素，改动切应力按脉动循环处置。E-E截面为复合应力形状。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、KE-E截面有两个应力集中源，取数值最大者计算。计算资料常数、计算单向应力平安系数Sca、Sca计算复合应力下的疲劳平安系数Sca平安例题2运动副摩擦外表物质不断损失的景象称为磨损。磨损会逐渐改动零件尺寸和摩擦外表外形。零件抗磨损的才干称为耐磨性。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，受载时资料表层有很大的接触应力。当载荷反复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件外表构成小坑，这种景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响或电化学反响的磨损，称为腐蚀磨硬质颗粒或摩擦外表上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的资料零落景象称为磨粒磨损。硬质颗粒能够是零件本身磨损呵斥的金属微粒，也能够是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使外表资料零落而留下沟纹。加工后的零件外表总有一定的粗糙度。摩擦外表受载时，实践上只需部分峰顶接触，接触处压强很高，能使资料产生塑性流动。假设接触处发生粘着，滑动时会使接触外表资料由一个外表转移到另一个外表，这种景象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓资料转移是指接触外表擦伤和撕脱，严重时摩擦外表能相互咬死。3〕疲劳磨损(疲劳点蚀)4〕腐蚀磨损§9-4机械零件的耐磨性适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，还应思索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]值进展比较。即:pv≤[pv]机械零件的耐磨性§9－5机械制造常用资料及其选择一、金属资料1.铸铁铸铁常用金属资料钢铜合金----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，可铸呵斥外形复杂的零件。②较好的减震性、耐磨性、切削性〔灰铸铁〕③本钱低廉。运用：运用范围广。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机械制造常用资料及其选择2.钢构造钢工具钢特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)碳素构造钢〔含碳量＜0.7%〕合金构造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。可用热处置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。选用原那么：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。运用：运用范围极其广泛。表9-2常用资料的相对价钱材料种类规格相对价钱热轧圆钢碳素构造钢Q235〔φ33~42〕1铸件优质碳素钢〔φ29~