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1、,机械设计基础,第一节 机械零件设计概述,第二节 机械零件的强度,第三节 机械零件的接触强度,第四节 机械零件的耐磨性,第五节 机械制造常用材料及其选择,第九章 机械零件设计概论,第六节 极限与配合、表面粗糙度和优先数,第七节 机械零件的工艺性及标准化,第九章 机械零件设计概论,前面8章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括： 1) 怎样合理确定零件的形状和尺寸； 2) 怎样适当选择零件的材料； 3) 怎样使零件具有良好的工艺性等。,第九章 机械零件设计概论,第一节 机械零件设计概论
2、,一、机械设计应满足的要求： 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。 概括地说是：工作可靠、成本低廉。 二、名词术语： 1.失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称为失效。,第九章 机械零件设计概论,第一节 机械零件设计概论,第九章 机械零件设计概论,2. 失效的形式： 因强度不够发生断裂或塑性变形； 因刚度不够而产生过大的弹性变形； 因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤； 或因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳； 因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、
3、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。 归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。,第一节 机械零件设计概论,第九章 机械零件设计概论,齿轮轮齿断裂,齿轮键槽断裂,第一节 机械零件设计概论,第九章 机械零件设计概论,3.工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度（或者说在一定条件下零件抵抗失效的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力。 4.工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据。,强度条件：计算应力许用应
4、力；,计算量许用量,刚度条件：变形量许用变形量；,第一节 机械零件设计概论,第九章 机械零件设计概论,5.设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有设计计算和校核计算两种。 设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。,第一节 机械零件设计概论,第九章 机械零件设计概论,三、机械零件的设计步骤 1.拟定零件的计算简图。 2.确定作用在零件上的载荷。 3.选择合适的
5、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，确定零件的形状和主要尺寸。 应当注意，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准、规格加以圆整。 5.绘制工作图并标注必要的技术条件。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,一、载荷 1.载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。 2.机械零件实际承受的载荷： 静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化 缓慢的载荷。 变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。 动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。,第二节 机械零件的强
6、度,第九章 机械零件设计概论,3.机械设计计算中的载荷： 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响） 载荷系数：考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数K 。 计算载荷：载荷系数K名义载荷 （代表机器或零件实际所受载荷）,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,二、应力 1.设计计算的应力： 名义应力：根据名义载荷求得的应力 计算应力：根据计算载荷求得的应力 2.机械零件的实际应力： 静应力不随时间变化的应力。 变应力随时间变化的应力。 非周期性变应力：应力的变化没有周期性。 循环变应力：应力的变化具有周
7、期性。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,3. 循环变应力的衡量指标： 平均应力m：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。 应力幅a ：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。 变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力之比。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,4. 循环变应力的类型： 对称循环变应力：r-1。 脉动循环变应力：r0。 静应力：r1，可看作是变应力的特例。 非对称循环变应力：r0、1,对称循环变应力,脉动循环变应力,非对称循环变应力,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,三、机
8、械零件的强度条件： 1.机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接触强度。 2.机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材料的许用应力：,四、静应力条件下的许用应力 塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形，按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极限，许用应力：,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,S为安全系数。零件发生塑性变形后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。,S安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数
9、取值较大，或按相关的安全系数表格选取。,脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力 ：,五、变应力下的许用应力 1.失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是疲劳断裂。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,2.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,疲劳源,垄沟纹,疲劳纹,粗糙区,光滑区,疲劳断口的独特性：两个区,疲劳区（光滑区）,脆断区（粗糙区）,3. 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
10、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。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,4. 疲劳曲线：表示应力与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,r-应力循环特性（应力比）；,N-疲劳断裂时应力循环次数。,疲劳极限 rN 对任一给定的应力循环特征r，当应力循环 N0次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。 N0称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。 疲劳曲线的左半部（NN0），可近似地用下列方程式表
11、示：,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限,式中：,寿命系数；,当N N0 时，取 NN0 ，KN=1。 m为随应力状态而不同的幂指数。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,通常用-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。,5. 影响机械疲劳强度的因素：在变应力条件下，影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。,对称循环变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限为,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,第二节 机械
12、零件的强度,第九章 机械零件设计概论,应力集中的影响 由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化或材料不连续处（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用有效应力集中系数k表示（指材料、尺寸和受载情况都相似的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值，即k= -1/(-1)k 绝对尺寸的影响 当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易形成。常用绝对尺寸系数表示 =（-1）d/(-1)d0 表面状态的影响 包括表面粗糙度和表面处理的情况。用表面状态系数来表示
13、=（-1）/(-1)0,6. 许用应力： 当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为,脉动循环应力时，有限寿命下的许用应力为,对称循环变应力时，有限寿命下的许用应力为,当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为,K应力集中系数；尺寸系数；表面状态系数；0 脉动循环疲劳极限,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,六、安全系数,在保证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。原则如下： 静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。S=1.21.5,对塑性较差的材料（s/B0.6）或铸钢件S=1.5 2.5； 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，S=3 4； 变应
14、力下，以疲劳极限为极限应力，S=1.3 1.7，若材料不够均匀，S=1.7 2.5。 S总= S1S2Sn,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,例9-1 一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为W=20KN。试分析（1）拉杆、横梁及支承B的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。,解（1）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力W、F及支承B的约束反力、
15、，这些力处于同一平面内。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,由 =0得 kN(拉力)拉力F可分解为 和 ： =Fcos30=33.870.866=29.33kN =Fsin30=33.870.5=16.94kN由 =0 得 kN由 =0 得 kN 顺便指出，后两个方程改写成 =0和 =0，同样可以求解。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,2）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重量(包括小车、电动葫芦自重)作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：,横梁上铆钉组承受的载荷及可能出
16、现的主要失效形式，读者可自己分析 (即本章习题9-7及9-8)。,第二节 机械零件的强度,第九章 机械零件设计概论,例9-2一车轴如图9-5所示。已知=F=110 kN，轴的材料为Q275钢，=550 MPa，=240 MPa，规定的安全系数=1.5。试校核A-A截面的疲劳强度。 解（1）车轴转动时，载荷F的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲变应力，循环特性为r=-1。,（2）A-A截面的弯曲应力 弯矩M=11010 82=9.0210 Nmm截面系数W=d /32=108 /32=12410 mm弯曲应力 = /W=9.0210/(12410)=72.7 MPa （3）求各项系数(由机械设计手册中查取) 由 =550 MPa，D/d=133/108=1.23，r/d=0.185查得弯曲时的有效应力集中系数 =1.34，尺寸系数 =0.68.表面粗糙度 及 =550 MPa，查得表面状态 系数 =0.95 （4）疲劳强度校核 弯曲时安全系数
