第2章 機械零件設計基礎

1、第二章 機械零件設計基礎王學軍 設計機械零件時應滿足的基本要求及設計方法基本要求：（工作可靠成本低廉）p1920；設計步驟；設計方法：（理論設計、經驗設計和實驗設計）p20；機械零件的常見失效形式、工作能力和設計準則機械零件的材料選用原則p1011；機械零件的結構工藝性p1115；機械設計中的標準化p15機械零件的載荷和應力p592.1 基本要求p1920；工作可靠成本低廉設計步驟；設計方法p20理論設計;經驗設計;實驗設計；虛擬樣機技術 從機械的整體出發(fā)對零部件提出的要求工作可靠工作可靠是要求零部件具有足夠的工作能力即指在規(guī)定的使用壽命內不發(fā)生各種失效。因此，在設計零部件時，要使零部件滿足強

2、度、剛度、壽命及穩(wěn)定性等準則。要求零部件滿足經濟性、結構工藝性。應盡可能采用標準化、系列化和通用化。經濟性：必須從設計和制造工藝兩方面著手，設計時應正確地選擇零部件的材料，盡量采用價格低廉、供應充足的材料；合理地確定零部件的尺寸和綜合工藝要求的結構，如采用輕型的零、部件結構，采用少余量或無余量的毛坯等；合理地規(guī)定制造時的精度等級和技術條件；盡可能采用標準化的零部件，以取代需特殊加工的零、部件等。結構工藝性：指在既定的生產條件下，能方便而經濟地生產出滿足使用性能要求的零部件，并且便于裝配成機器。因此，零部件的結構工藝性應從毛壞制造、熱處理、機械加工及裝配等幾個生產環(huán)節(jié)加以綜合考慮。合理選擇機構和

3、零件類型；分析和計算作用于零件上的載荷，合理選材，進行工作能力的計算；結構設計（工藝、使用、維護、經濟、安全）；繪制零件工作圖，編寫說明書。（在平時作業(yè)中進行訓練，在小設計和課程設計中進行強化訓練） 理論設計;經驗設計;實驗設計；虛擬樣機技術 根據現(xiàn)有的設計理論和實驗數(shù)據所進行的機械零件設計的設計方法。理論設計分為：設計計算設計計算。由理論設計計算公式確定零部件的主要參數(shù)和尺寸。校核計算校核計算。先按經驗和某些簡易的方法初步確定出零部件的主要參數(shù)和尺寸，待結構完全確定以后，用理論校核公式進行校核計算。注意：設計計算多用于能通過簡單的力學模型進行設計的零部件；而校核計算則多用于結構復雜、應力分布

4、較復雜，但又能進行強度計算或剛度計算的零、部件。 根據對某類零部件已有的設計與實際使用而歸納出的經驗公式和數(shù)據，或者用類比法所進行的的設計方法。經驗設計簡單方便，對于典型化的零、部件(例如箱體、機架等)，是比較實用的設計方 法。但是它也有較大的局限性，在確定零、部件的結構參數(shù)時，由于考慮安全問題而容易導致結構笨重。注意：多數(shù)情況下機械零件的設計同時采用上述兩種方法進行，因為設計計算和校驗計算只能針對零、部件的主要結構參數(shù)進行，大量的結構參數(shù)需要根據結構要求采取經驗設計方法加以確定。把初步設計的零部件或機器做成小模型或小尺寸的樣機，通過對模型或樣機的實驗，考核其性能并取得必要的數(shù)據，然后根據實驗

5、結果修改原初步設計，使其逐步完善的設計方法。對于一些尺寸特大、結構復雜、工況條件特殊又難以進行理論計算的重要零部件，為了提高設計的可靠性，可采用模型實驗設計的方法。注意：這種設計方法費時、費錢，因此只用于特別重要的設計中。是在計算機上建立樣機模型，對樣機進行各種動態(tài)性能分析，然后修改樣機設計方案，用數(shù)字化的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗進行設計的方法。注意：運用虛擬樣機技術可以大大簡化產品的設計開發(fā)過程，減少研發(fā)成本，明顯提高產品的質量，提高系統(tǒng)的性能上述三種常用的方法是傳統(tǒng)的設計方法。失效形式：p1617斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、表面失效、破壞正常工作條件引起的失效；工作能力：p18；設計

6、準則：p1719強度設計準則、剛度設計準則、精度設計準則、壽命設計準則、振動穩(wěn)定性設計準則、可靠性設計準則；【討論】軸可能的失效形式？同一零件可能出現(xiàn)許多不同的失效形式；這些失效形式并不是同時出現(xiàn)，而是在不同的工作條件有不同的失效形式。顯然，起決定作用的是零件在這些不同方面工作能力中較小者，故工作能力與失效形式是密切相關，若能找出零件在不同工作條件下，工作能力較小者，就可以知道零件能否正常工作。針對不同的失效就要求零件在不同方面具有不同的工作能力 失效：機械零件喪失預定功能，不能正常工作。常見的失效形式斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、表面失效、破壞正常工作條件引起的失效 注意：失效并不意味著單

7、純的破壞或斷裂，而具有更廣泛的含義。斷裂斷裂斷裂：由于危險剖面上的應力超過零部件的強度極限而發(fā)生的損傷。例如，螺栓擰斷、連桿受沖擊的斷裂。疲勞斷裂疲勞斷裂：由于危險剖面上的變應力超過零部件的疲勞極限而發(fā)生的損傷。例如，齒輪輪齒根部斷裂。注意：斷裂是一種嚴重的失效形式，出現(xiàn)斷裂不僅使零件失效，甚至可能出現(xiàn)人身或設備事故。塑性變形塑性變形：當零部件在外載荷作用下，其上的應力超過了材料的屈服極限（s）而產生的變形。注意：這會造成零部件的尺寸和形狀產生永久的改變，破壞零部件之間的相互位置和配合關系，破壞機械系統(tǒng)的精度，使零部件或機器不能正常工作。例如，齒輪整個輪齒發(fā)生塑性變形，就會破壞正確嚙合條件，在

8、運轉過程中會產生劇烈振動和大的噪聲，甚至無法運轉；各種閥門的控制彈簧發(fā)生塑性變形，會導致控制力喪失，從而使閥門無法按設計要求正常工作。機械零件受載工作時，必然會發(fā)生彈性變形，過量的彈性變形會使零部件或機器不能正常工作。注意：在設計允許范圍內的微小彈性變形，不會對機器的工作性能產生太大的影響，但是過量的彈性變形會造成較大的振動，致使零部件損壞。例如，機床主軸的過量彈性變形會降低加工精度，電機主軸的過量彈性變形會改變定子與轉子間的間隙，影響電機的性能。絕大多數(shù)零部件都與別的零部件發(fā)生靜的或動的接觸和配合關系。載荷作用于表面，摩擦和磨損發(fā)生在表面，環(huán)境介質也包圍著表面，因此表面失效是很多機械零件的主

9、要失效形式。注意：表面失效會改變零部件的配合關系和相對位置關系、降低機械系統(tǒng)的精度、產生噪聲和振動等，嚴重時會導致零件卡死、轉動零件被扭斷等惡性失效。據統(tǒng)計零件表面失效約占整個失效的74。疲勞點蝕：兩相對高副接觸、運動的零件表面，由于受到的表面接觸應力超過其疲勞極限，而引起的表面麻點狀剝蝕或產生裂紋的損傷現(xiàn)象。膠合：兩相對運動零件的表面，由于瞬時溫度過高，而引起的兩相對運動零件表面焊接后撕傷的現(xiàn)象。磨損：兩相對運動零件的表面，由于硬顆粒或尖峰的犁刨，而產生的溝紋或物質喪失現(xiàn)象。塑性流動：兩相對運動零件的表面，由于摩擦力的作用，而沿摩擦力的方向產生金屬流動現(xiàn)象。壓潰：兩相互接觸零件的表面，由于擠

10、壓應力超過其擠壓強度極限，而引起的過量變形或損壞的現(xiàn)象。腐蝕：零件表面由于電化學、化學侵蝕現(xiàn)象。二、工作能力工作能力：零件不發(fā)生失效時，安全工作限度。由于零部件在工作時絕大部分要承受載荷，對載荷而言工作能力稱承載能力。注意：同一零件在不同條件下有不同的失效形式，零部件的工作能力也不同，顯然，應該優(yōu)先保證工作能力較小的零部件的工作能力，按照工作能力的最小值去設計。三、設計準則設計準則：為了防止可能出現(xiàn)的失效，從失效機理出發(fā)，建立零部件工作能力計算依據。強度設計準則、剛度設計準則、精度設計準則、壽命設計準則、振動穩(wěn)定性設計準則、可靠性設計準則 強度強度：是指零部件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表

11、面失效(磨損、腐蝕除外)的能力。強度設計準則強度設計準則：計算應力不得超過零件的許用應力。式中：計算應力，許用應力，lim極限應力，S許用安全系數(shù)，S安全系數(shù)。其中：lim極限應力針對塑性變形的失效為屈服極限s；針對斷裂的失效為強度極限B，針對疲勞斷裂的失效為疲勞極限r。lim Slim SS或剛度：是指零部件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度設計準則：使零部件工作時產生的彈性變形量不超過機器性能指標所允許的極限值。式中：y彈性變形量，y許用變形量。 yy精度：零部件的加工誤差（尺寸誤差、形狀位置誤差）和裝配誤差小。精度設計準則：機械零件的誤差在合理的范圍內。注意：精度指標是機械系統(tǒng)和零、部

12、件的基本指標，它影響機械零件上的每一個尺寸，影響 它的選材、制造和裝配工藝，影響機械系統(tǒng)的性能和成本，無法想象沒有精度指標要求的零件設計的結果怎樣，因此，精度設計準則貫穿了現(xiàn)代機械設計的整個過程。壽命：影響零、部件實際壽命的主要因家是材料的疲勞和由于磨損及腐蝕引起的表面失效。壽命設計準則：保證零部件在規(guī)定的使用期限內不發(fā)生疲勞失效、磨損和腐蝕。疲勞失效，為防止發(fā)生疲勞失效，可依據材料的疲勞極限進行疲勞強度計算。磨損，影響磨損的因素很多，計算方法還不完善，所以為了保證零、部件具有良好的耐磨性，一方面應該運用摩擦學原理設計零、部件的結構，選擇摩擦副的材料和熱處理方式，給予充分合理的潤滑；另一方面可

13、采用條件性計算，如限制比壓p；比壓p與速度v的乘積pv值來保證零件表面的邊界膜不被壓壞；限制兩接觸零件表面的摩擦功，以保護零、部件表面不產生過量磨損和膠合失效。腐蝕，迄今為止還沒有提出相應的計算方法，因而只好從材料選擇和工藝措施兩方面來提高零、部件的防腐蝕能力。例如，選用耐腐蝕的材料，采用發(fā)蘭、表面鍍層、噴涂漆膜及表面陽極化處理等表面保護措施。振動穩(wěn)定性：若某一零、部件本身的固有頻率與激振源的頻率重合或成整倍數(shù)關系時，這些零、部件就會發(fā)生共振，此時零、部件的振幅急劇增大。振動穩(wěn)定性準則：對易于喪失振動穩(wěn)定的高速機械應進行振動分析和計算，以確保零、部件及系統(tǒng)的振動穩(wěn)定性?？煽啃裕寒a品在規(guī)定的條件

14、下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O計準則：確保所設計的機械有一定的可靠性。 常用的材料有：鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屑材料等。將分別介紹根據經驗而推薦的適用材料。選擇材料的一般原則：載荷及應力的大小和性質 零件的工作情況 零件的尺寸和質量 零件結構的復雜程度及材料的加工可能性 材料的經濟性 材料的供應情況 結構工藝性結構工藝性：指在既定的生產條件下，能方便而經濟地生產出滿足使用性能要求的零部件，并且便于裝配成機器。使機械零件具有良好的結構工藝性是設計機械使機械零件具有良好的結構工藝性是設計機械零件應滿足的基本要求之一，它貫串于毛坯制零件應滿足的基本要求之一，它貫串于毛坯制造、切削加工、

15、熱處理及裝配等各個階段。造、切削加工、熱處理及裝配等各個階段。零件的結構應與生產條件、批量大小及尺寸大小相適應 零件造型應簡單化零件的結構應適合進行熱處理 零件的結構應保證加工的可能性、方便性和精確性 零件的結構應保證裝拆的可能性和方便性 標準化標準化，就是通過對機械零件的種類、尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、公差與配合、制圖規(guī)范等制定出大家共同遵守的標準。基本特征是統(tǒng)一、簡化。設計出的零件結構應保證不僅能夠進行裝配與拆卸，而且很方便。標準化是組織現(xiàn)代化大生產的重要手段，也是實行科學管理的重要措施之一。因此，對于機械設計工作來說，標準化的作用是很重要的。 其其意義意義在于：在于：

16、(1)能以最先進的方法在專門化的工廠中對那些用途最廣泛的零部件進行大量的、集中的制造，以提高質量，降低成本。(2)統(tǒng)一了材料和零部件的性能指標，使其能夠進行比較，提高了零部件性能的可靠性。(3)采用了標準結構和標準零部件，可以簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量。(4)零件的標準化便于互換和機器的維修。機械行業(yè)的三個等級標準：國家標準(GB)行業(yè)標準(如JB、YB等)企業(yè)標準。載荷：靜載荷、變載荷、名義載荷、計算載荷p5應力：靜應力、變應力、變應力的分類、極限應力、許用應力、安全系數(shù)、接觸應力載荷根據其性質可分為靜載荷：載荷的大小或方向不隨時間變化或變化極緩慢的，如物體重力；變載荷：載荷大

17、小或方向隨時間變化的；隨時間作周期性變化，如內燃機等往復式動力機械的曲軸所受的載荷；非周期性變化的載荷，如承受車身質量的懸掛彈簧所受的載荷。名義載荷F：根據原動機或工作機的額定功率計算出的作用于機械零件上的載荷；計算載荷Fca載荷系數(shù)K與名義載荷F的乘積。FcaKF 2.1注意：名義載荷是機器在平穩(wěn)工作條件下作用在機械零件上的載荷，它沒有反映載荷的不均勻性及其他影響零件受載的因素。在設計計算時，常用載荷系數(shù)K來考慮這些因素的綜合影響。 應力的分類變應力 極限應力 影響零件疲勞極限的主要因索許用應力和安全系數(shù)接觸應力靜應力靜應力：不隨時間而變或隨時間緩慢變化的應力；零件在靜應力作用下可能產生斷裂

18、或塑性變形。變應力變應力：隨時間變化的應力；零件在變應力作用下可能產生疲勞破壞。注意，大多數(shù)機械零部件都是處于變應力狀態(tài)下工作的。變應力可以由變載荷產生，也可以由靜載荷產生，例如，在靜載荷作用下的轉軸中的應力。最大應力max、最小應力min、平均應力m、應力幅a、循環(huán)特征r共5個（而獨立的參數(shù)只能有2個） 極限應力極限應力，根據材料性質及應力種類而采用材料的某個應力極限值。其中：lim極限應力針對塑性變形的失效為屈服極限s；針對斷裂的失效為強度極限B，針對疲勞斷裂的失效為疲勞極限r。疲勞極限疲勞極限r（無限壽命疲勞極限），在任一給定循環(huán)特征r的條件下，應力循環(huán)達到規(guī)定的N0次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力。注意，當材料的硬度小于等于350HBS時，N0=107，當材料的硬度大于350HBS時，N0=25107。有限壽命疲勞極限有限壽命疲勞極限rN，在任一給定循環(huán)特征r的條件下，應力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力。注意，N的取值范圍是103NN0，當NN0時，N=N0 式中，KN壽命系數(shù)，m取決于應力狀態(tài)和材料的指數(shù)，鋼材在彎曲事