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、本钱低2）在预定使用期限内，平安可靠、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、有用考虑毛坯制造、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，其内部各局部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,F与该点微小面积,S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，不发生失效的平安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）外表破坏,发生在零件工作外表上常见形式：压溃、磨损、外表疲劳、胶合、腐蚀等破坏外表精度、改变外表形貌、摩擦、能耗增大3）变形量过大,弹性变形、刚度缺乏塑性变形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、外表疲劳点蚀、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：,2.刚度准则变形许用变形：,y,y,，,，,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,f,p,0.87,f,（固有频率），或,f,p,1.18,f,6.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?,N,Y,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、外表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?,N,Y,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,或,，其中：,，,计算正应力、剪切力许用正应力、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,K,A,）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，,、,材料的许用应力lim,/S，,=,lim,/S,lim,材料的极限正应力；,lim,材料的极限剪切应力S平安系数注意：,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、平安系数,e,弹性极限s,屈服极限b,强度极限应变:,=,l,/,l,应力,应变,b,e,s,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：,b,(0.30.4)HB，或,b,KHB，K为系数，例如对于低碳钢有K0.36，对于高碳钢有K0.34，对于调质合金钢有K0.325；HRC0.1HB,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max,b,(,s,)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,max,为纵坐标，以到达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：,N,反之,N当,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（N,0,，,r,）N,0,循环基数，一般N,0,取10,7,r,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（,NN,0,）,-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：,lim,=,-1,（或,r,无限寿命设计）,（钢制零件受弯）,变应力作用下的许用应力确实定比较复杂，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、外表状况等的影响常引入有效应力集中系数,K,，尺寸系数,，外表状态系数。
1,=,-1,/K,S,S平安系数;,-1,r循环特性下对应寿命N的疲劳极限K,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.平安系数,平安系数确实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，又不平安影响平安系数的因素:,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平安系数时，一般用查表法、局部系数法假设无专门平安系数表格，参考以下原则:,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,局部系数法:,S=S,1,S,2,S,3,S,1,载荷和应力计算准确性系数，S,1,=1,1.5；S,2,材料均匀性系数，对于锻造、轧制钢零件，S,2,=1.2,1.5，对于铸铁零件，S,2,=1.5,2.5；S,3,零件重要性系数，S,3,=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：外表压溃，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,假设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p120,9.4 机械零件的耐磨性,磨损：运动副中摩擦外表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,外表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,:,.磨粒磨损硬质颗粒，杂质，材料凸峰脱落2.粘着磨损（胶合）粗糙度局部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，外表与周围介质发生化学反响腐蚀物剥落磨损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开展,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、外表粗糙度及优先数系,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（GB18001803-79、GB/T 1804-92）,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.外表粗糙度(老标准称为光洁度),外表粗糙度零件外表的微观几何形状误差产生原因：加工后零件外表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，指在零件外表取样长度,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标准化,标准化是进行现代化生产的重要手段，反映了一个国家的技术开展水平标准化涉及设计、制图、加工工艺、计算等多个方面标准化的含义,1.产品规格（尺寸大小）的系列化例齿轮减速器、联轴器系列。