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1、第十章 机械零件设计基础,10-1 概 述,10-3 机械设计中常用材料的选用原则,10-2 机械设计的基本要求、机械零件 的工作能力和计算准则,10-4 机械设计中的强度、许用应力和 安全系数,机械(Machinery) 是机器和机构的统称。,机器(Machine) 主要是指机械装置。如内燃机、机床、汽车、火车、飞机、轮船、起重运输机械、冶金矿山机械、轻纺食品机械等等。,机械设计(Machine Design) 即为各种机械装置的设计,机械设计是为了满足机器的某些特定功能而进行的创造性过程,设计是创造性的劳动,设计的本质在于创新。,10-1 概 述,机械设计课程的特点,性质:是一门重要的设计
2、性的技术基础课,是初步掌握机 械设计能力的必然环节。,研究内容:通用机械零部件的工作原理、特点、选用及设 计计算。,目的:,1、初步具备一般通用机械零部件设计计算的能力。,2、综合运用本课程和其他先修课程的知识,设计机械传 动装置和一般机械。,5其他要求:环保、噪音、外观等,一、机械设计的基本要求,1实现预定的功能,工作可靠;,2经济性好:设计和制造周期短、成本低,产品生产 效率高、能耗低维护管理费用少;,3操作方便,运行安全;,4标准化、系列化程度高:以便简化设计工作,提高 产品质量;,10-2 机械设计的基本要求、机械 零件的工作能力和计算准则,二、机械零件的工作能力及计算准则,零件的工作
3、能力 是指在一定的运动、载荷和环境情况下,在预定的使用期限内,不发生失效的安全工作限度。,二)机械零件的主要失效形式,过大弹性变形零件的刚度不够引起,塑性变形工作应力超过材料的屈服极限S引起,疲劳断裂工作应力超过零件的疲劳极限r引起,过载断裂工作应力超过材料的强度极限B引起,压溃、过度磨损零件接触表面上的压应力p过大,胶 合 零件工作温升t过高引起,表面疲劳损坏零件表面接触应力H过大引起,机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。,一)机械零件的工作能力,计算准则 用于计算并确定零件基本尺寸的主要依 据。对于具体的零件,应根据它们的主要失效形式,采用 相应的计算准则。常用的计算准则有:,三
4、)机械零件的计算准则,1强度准则针对零件断裂、塑性变形或表面疲劳损坏失效,强度指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。强度是保证零件工作能力的最基本要求。若零件的强度不够,不仅因为零件的失效使机械不能正常工作,还可能导致安全事故。,强度的计算准则为: MPa 或 针对断裂或塑性变形 H H 针对表面疲劳损坏,强度计算准则:,2),S安全系数,S1,S:经济,不安全,零件的工作正应力;,零件的工作切应力;,材料的许用正应力;,材料的许用切应力;,材料的极限正应力;,材料的极限切应力;,2刚度准则针对过大弹性变形 刚度指零件在一定载荷作用下抵抗过大弹性变形的能力。刚度是保证机器正常工作,提高机
5、床加工产品质量的基本要求。 刚度的计算准则为:y y ; ; 式中,y、和 分别为零件工作时的挠度、偏转角 和扭转角;,由刚度计算所得零件剖面尺寸,一般要比强度计算的大,所以,一般满足刚度要求的零件往往也能同时满足强度要求。,机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。,齿轮轴的弯曲挠度过大会影响一对齿轮的正确啮合。,3耐磨性准则针对过度磨损、胶合破坏 耐磨性 指零件在载荷作用下相对运动的两零件接 触界的抗磨损能力。耐磨性是保证有相对运动的零件正 常工作的基本要求。其验算式为: p p 防止过度磨损 pv pv 防止胶合破坏,4振动和噪声准则针对高速机械的振动失稳(即共振) 当零件的固有振动频率f等
6、于或趋近于零件的强迫振动频率f p时,将产生共振。这不仅影响机械正常工作,甚至造成破坏性事故,而振动又是产生噪声的主要原因。 防止共振的条件为:f 087 f p 或 f 118 f p 式中,f 零件的固有振动频率,取决于零件的质量和 刚度。 f p 零件受激振源作用引起的强迫振动频率。,3、选择材料;,4、根据失效形式选用判定条件,设计出零件的主要 参数;,5、绘制零件工作图。,1、拟订零件的设计简图;,2、确定载荷的大小及位置;,四)机械零件的设计步骤,传统设计方法:,强度条件(或刚度),尺寸,尺寸,强度条件(或刚度),理论设计(半经验设计),类比设计,与已有的同类产品进行比较来设计新产
7、品。这种方法在工程实际中用得较多,特点是节省时间,较可靠。,经验设计,根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计,缺乏创新。,如:箱体、传动件各个结构要素等,模型实验设计,把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。用于大型、复杂零件的设计。,如:飞机、桥梁的风洞实验。,现代设计方法:,优化设计,对工程实际问题进行抽象,建立数学模型,用优化方法求解,得出最佳设计结果。,计算机辅助设计(CAD),包括分析计算和绘图。,概率设计(可靠性),将概率论与数理统计理论运用于机械设计。,有限元设计,并行设计,103 机械设计中常用材料的选择原则,选用原则:,一、使用性能的要求,用途、工作条
8、件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,选材因素:,使用要求是指用所选材料做成的零件,在给定的工况 条件下和预定的寿命期限内能正常工作。,二、工艺性能的要求,工艺要求是指所选材料的冷、热加工性能好,热处理 工艺性好。,三、经济性的要求,在满足使用性能的前提下,尽量选用低价格的材料,减少材料的消耗,是零件材料选择的主要原则。,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便,应尽量缩减材料的品种。,一、载荷和应力 一)载荷,载荷构件或零件工作时所承受的外力。,静载荷大小和方向均不随时间变化或变化缓慢的载荷。 变载荷大小或方向随时间变化
9、的载荷。,根据载荷性质的不同,可分为静载荷与变载荷。,10-4 机械设计中的强度、许用应力和安全系数,循环变载荷,稳定循环载荷,不稳定循环载荷,随机变载荷,名义载荷在理想的平稳工作条件下作用在零件上的 载荷,按原动机的功率求得。,计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积。,式中,P原动机的额定功率(kW), n额定转速(r/min)。,式中,K考虑各种附加载荷的载荷系数。,也可分为工作载荷、名义载荷与计算载荷。,工作载荷机械正常工作时所受的载荷(一般难以 确定)。,根据名义载荷求出的应力称为名义应力。,根据计算载荷求出的应力称为计算应力。,按照应力随时间的变化情况,应力也可分为静应力和变应力。,静应力
10、不随时间变化或变化很小的应力。,二)应力,变应力随时间变化的应力。,稳定循环变应力,不稳定循环变应力,规律性不稳定变应力,随机变应力,静应力只能由静载荷产生,变应力可能由变载荷或静载荷产生。,作用在转动心轴上的载荷是静载荷,产生的应力却属于变应力。,三)变应力参数及典型变应力,1. 变应力参数,最大应力:max 最小应力:min,应力循环特征:用来表示应力的变化情况 r=min/max,平均应力:,应力幅:,注意:五个参数具有符号,计算时要带有符号; max、min是指绝对值而言。,应力类型,a)静应力:r= +1 变应力特例,b)对称循环变应力r= -1,c)脉动循环变应力r= 0,2. 典
11、型变应力及应力循环特征r,d)非对称循环变应力r 在(-1+1)间变化,二、机械零件的失效形式及强度条件式,静应力作用下过载断裂、塑性变形。,二)零件强度条件式: = lim / S,脆性材料制造的零件:lim =B,塑性材料制造的零件:lim =S,1静应力作用下 零件极限应力,2变应力作用下零件极限应力 lim = rN,一)零件的失效形式,变应力作用下疲劳破坏约占零件损坏事故中的80% 。,3.安全系数S的取值对零件的结构尺寸、工作可靠性均有 影响。,1)静应力下,塑性材料的零件:S =1.2.5 铸钢件:S =1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时,按以下原则取:,
12、零件尺寸大,结构笨重。,S, 可能不安全。,)静应力下,脆性材料,如高强度钢或铸铁: S =34,3)变应力下, S =1.31.7 材料不均匀,或计算不准时取: S =1.72.5,三、静应力时机械零件的强度计算,一)单向应力下的塑性材料零件,强度条件:,或,二)复合应力时的塑性材料零件,按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 由第三强度理论: (最大剪应力理论) 由第四强度理论: (最大变形能理论),复合应力计算安全系数为:,三)脆性材料与低塑性材料,脆性材料极限应力: (强度极限) 塑性材料极限应力: (屈服极限) 1、单向应力状态 强度条件: 或 或,失效形式:断裂,按第一强度
13、条件: (最大主应力理论) 注意:低塑性材料(低温回火的高强度钢) 强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料(铸铁) 强度计算不考虑应力集中 一般工作期内应力变化次数104按静应力强度计算。,2、复合应力下工作的零件,1、疲劳破坏特征: 1)断裂过程:产生初始裂纹 (应力较大处) 裂纹尖端在应力作用下,反复扩展, 直至产生疲劳裂纹。 2)断裂面:光滑区(疲劳发展区) 粗糙区(脆性断裂区) 3)无明显塑性变形的脆性突然断裂 4)破坏时的应力(疲劳极限)远小于材料的强度极限,一)变应力作用下机械零件的失效特征,2、疲劳破坏的机理:损伤的累积 3、影响因素:不仅与材料性能有关,变应力的循环特征、应力循
14、环次数、应力幅都对疲劳极限有很大影响。,四、机械零件的疲劳强度计算,描述应力循环次数N和疲劳极限rN间关系的曲线,其横坐标为应力循环次数N,纵坐标为疲劳极限rN,机械零件的疲劳大多发生在N曲线D点以前,可用下式描述:,二)机械零件材料的疲劳极限,1、 N 疲劳曲线,1)有限寿命区 当N104低周循环,疲劳极限接近于屈服极限,按静强度计算。,2)D点以后的疲劳曲线呈一水平线,代表着无限寿命区,其方程为:,当N104高周循环疲劳 当104NND时随循环次 数疲劳极限,由于ND很大,所以在作疲劳试验时,常规定一个循环次数N0(称为循环基数),用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和 r,于是有:
15、,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限rN的关系为:,式中, r、N0及m的值由材料试验确定。,N应力循环次数,,N = 60 n th ,用疲劳曲线求疲劳极限rN的方法:,kN 寿命系数,有限寿命区(NN0)疲劳极限:,无限寿命区(NN0)疲劳极限:rN = r , kN = 1,几点说明:, N0 硬度350HBS钢, N0=106 107 350HBS钢, N0=25x107 有色金属(无水平部分),规定当N025x107时,近似为无限寿命区, m指数,与应力与材料的种类有关。 钢: m=9拉、弯应力、剪应力, m=6接触应力; 青铜:m=9弯曲应力, m=8接触应力。, 应力循环特征越大,材料的疲劳极限与持久极限越大, 对零件强度越有利。对称循环(应力循环特征=-1)最不利。,2、极限应力图,同一种材料在不同的应力循环特征下的疲劳极限图(ma图)。,对任何材料(标准试件)而言,每种应力循环特征下都对应着该材料的最大应力max=r,再由应力循环特征可求出min= rmax和m 、a。,以m为横坐标、a为纵坐标,即可得材料在不同应力循环特征