機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

第11章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論（1）§11－1機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論§11－2機(jī)械零件的強(qiáng)度§11－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度§11－4機(jī)械零件的耐磨性§11－5機(jī)械制造常用材料及其選擇§11－6機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化§11－1機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論一：機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡(jiǎn)單和造型美觀等。二：機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件曲于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為失效。工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對(duì)載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:

斷裂或塑性變形;過(guò)大的彈性變形;工作表面的過(guò)度磨損或損傷;發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動(dòng)的打滑等。一、機(jī)械零件的主要失效形式（一）整體斷裂

整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過(guò)零件的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險(xiǎn)截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂（二）過(guò)大的殘余變形

當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形（三）零件的表面破壞

零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）。軸瓦磨損齒面接觸疲勞

剛度準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)零件時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。一般來(lái)講，有以下幾種準(zhǔn)則：

強(qiáng)度準(zhǔn)則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過(guò)大的塑性變形，是最基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。計(jì)算應(yīng)力<許用應(yīng)力；：確保零件不發(fā)生過(guò)大的彈性變形。變形量<許用變形量；

壽命準(zhǔn)則：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。

振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)應(yīng)注重此項(xiàng)準(zhǔn)則。

可靠性準(zhǔn)則：當(dāng)計(jì)及隨機(jī)因素影響時(shí)，仍應(yīng)確保上述各項(xiàng)準(zhǔn)則。二、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則：保證零件不失效所依據(jù)的基本準(zhǔn)則稱為設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。主要有：強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、壽命準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則和可靠性準(zhǔn)則等。機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟：

1)擬定零件的計(jì)算簡(jiǎn)圖;2)確定作用在零件上的載荷;3)選擇合適的材料;4)根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀;5)繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件§6－2機(jī)械零件的強(qiáng)度

一：載荷的分類

作用在機(jī)械零件上的載荷：

靜載荷(staticload)——大小、作用位置和方向不隨時(shí)間變化或變化緩慢

變載荷(variableordynamicload)——大小、作用位置或方向隨時(shí)間變化，如曲柄壓力機(jī)的曲軸和汽車(chē)懸架彈簧等所受的載荷機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算中的載荷：

名義載荷(nominalload)——理想平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷

計(jì)算載荷(calculatedload)——載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，零件還會(huì)受到各種附加載荷作用，通常引入載荷系數(shù)。（載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。）二：應(yīng)力的分類

靜應(yīng)力(staticstress)——不隨時(shí)間變化或變化緩慢(圖a)

變應(yīng)力(variablestress)——隨時(shí)間變化

變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力(non-symmetriccirculatingvariablestress)(圖b)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力(fluctuatingcirculatingstress)(圖d)

對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力(symmetriccirculatingvariablestress)(圖c)反映變應(yīng)力參數(shù)：平均應(yīng)力(meanoraveragestress)：應(yīng)力幅(stressamplitude)：變應(yīng)力的循環(huán)特性(stressratio)：r=-1

----對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力（圖c)r=0

----脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力（圖d)r=+1

----靜應(yīng)力（圖a)二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形強(qiáng)度判定條件：σ——零件的最大正應(yīng)力(maximumnormalstress)，可由拉伸(tension)、壓縮(compression)、彎(bending)等產(chǎn)生；

τ——零件的最大切應(yīng)力(maximumshearstress)，可由扭轉(zhuǎn)(torsion)、剪切(shear)等產(chǎn)生；

[σ]、[τ]——許用正應(yīng)力(allowablenormalstress)許用切應(yīng)力(allowableshearstress)，也可用σP、τP表示；

σlim

、τlim——材料的極限正應(yīng)力、極限切應(yīng)力。由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。

[Sσ]、[Sτ]——對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力、切應(yīng)力的許用安全系數(shù)

若材料為塑性材料，應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力(yieldstress)時(shí)，材料就發(fā)生塑性變形(plasticdeformation)，因此，取σlim=σS(屈服極限應(yīng)力)，τlim=τS。若材料為脆性材料(brittlematerials)，則取σlim=σB(拉伸靜強(qiáng)度極限應(yīng)力)，τlim=τB

。

三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂(fatiguefracture)：表面無(wú)缺陷的金屬材料，其疲勞斷裂過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段是零件表面上應(yīng)力較大處的材料發(fā)生剪切滑移，產(chǎn)生初始裂紋，形成疲勞源，疲勞源可以有一個(gè)或數(shù)個(gè)；第二階段是裂紋尖端在切應(yīng)力下發(fā)生反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂。實(shí)際上，材料內(nèi)部的夾渣、微孔、晶界以及表面劃傷、裂紋、腐蝕等都有可能產(chǎn)生初始裂紋。因此一般說(shuō)零件的疲勞過(guò)程是從第二階段開(kāi)始的，應(yīng)力集中(stressconcentration)促使表面裂紋產(chǎn)生和發(fā)展。

1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低;2)

疲勞斷口均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3)

疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。疲勞斷裂具有以下特征：疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）密切相關(guān)。疲勞極限

疲勞極限(fatiguelimit)σrN——對(duì)任一給定的應(yīng)力循環(huán)特征r，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力

疲勞曲線或σ?N曲線——以N或lgN為橫坐標(biāo)，σrN

或lgσrN為縱坐標(biāo)，反映σrN(或lgσrN)與N(或lgN)之間關(guān)系的曲線

1、疲勞曲線NOσσrN0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗(yàn)表明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無(wú)限次循環(huán)時(shí)試件將不會(huì)斷裂。應(yīng)力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線當(dāng)N>N0時(shí),試件將不會(huì)斷裂。N0----應(yīng)力循環(huán)基數(shù)，它隨材料不同而有不同的數(shù)值。通常，對(duì)HBS≤350的鋼，N0≈107對(duì)HBS>350的鋼，N0≈25×107σ-1表示材料在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。σ0:表示材料在脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。

有限壽命區(qū)

無(wú)限壽命區(qū)

σr——相應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N0的疲勞極限，稱為材料的疲勞極限，如kN——壽命系數(shù)；當(dāng)N≥N0時(shí)，取kN=1。

當(dāng)N<N0時(shí),有近似公式：對(duì)應(yīng)于N的彎曲疲勞極限：C——試驗(yàn)常數(shù)；m——隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而定的特性數(shù)，例如對(duì)受彎鋼制零件，m=9；2、許用應(yīng)力在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時(shí)還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對(duì)尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當(dāng)應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為：σ0

為材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。以上所述為“無(wú)限壽命N>N0

”

，有限壽命時(shí)，用σ-1N代入得：四、安全系數(shù)

安全系數(shù)定得正確與否對(duì)零件尺寸有很大影響1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機(jī)械的S可通過(guò)查表求得。無(wú)表可查時(shí)，按以下原則?。骸慵叽绱?，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應(yīng)力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)?。篠=1.7～2.5§11－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度1:接觸強(qiáng)度:若兩個(gè)零件在受載前是點(diǎn)接觸或線接觸，受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力(contactstress)。這時(shí)零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。如齒輪、滾動(dòng)軸承等機(jī)械件，都是通過(guò)很小的接觸面積傳遞載荷的，因此它們的承載能力不僅取決于整體強(qiáng)度，還取決于表面的接觸強(qiáng)度。2:失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點(diǎn)蝕

機(jī)械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時(shí)間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展(潤(rùn)滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴(kuò)展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來(lái)，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點(diǎn)蝕。發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力。后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動(dòng)和噪音。3:表面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則:

由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：對(duì)于鋼或鑄鐵取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,則有簡(jiǎn)化公式。上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFnσH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;b-------接觸長(zhǎng)度;Fn

-------作用在圓柱體上的載荷;-----綜合曲率半徑;-----綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為：bFn§11－4機(jī)械零件的耐磨性

運(yùn)動(dòng)副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會(huì)逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。

磨損↑→間隙↑、精度↓、效率↓、振動(dòng)↑、沖擊↑、噪音↑據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。

磨損的主要類型：1）磨粒磨損2）粘著磨損(膠合磨損)在滾動(dòng)或兼有滑動(dòng)和滾動(dòng)的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時(shí)材料表層有很大的接觸應(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)作用時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或疲勞點(diǎn)蝕。在摩擦過(guò)程申，與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損，稱為腐蝕磨硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗?，在摩擦過(guò)程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來(lái)的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時(shí)，實(shí)際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強(qiáng)很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)。若接觸處發(fā)生粘著，滑動(dòng)時(shí)會(huì)使接觸表面材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴(yán)重時(shí)摩擦表面能相互咬死。3）疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕)4）腐蝕磨損實(shí)用耐磨計(jì)算是限制運(yùn)動(dòng)副的壓強(qiáng)p，即:p≤

[p]

[p]由實(shí)驗(yàn)或同類機(jī)器使用經(jīng)驗(yàn)確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)副單位時(shí)間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv

值與許用的[pv]

值進(jìn)行比較。即:pv≤

[pv]§11－5機(jī)械制造常用材料及其選擇機(jī)械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%鐵碳合金特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。價(jià)格便宜且供應(yīng)充分我國(guó)資源豐富

3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來(lái)在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，選擇合適的材料是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。常用無(wú)機(jī)非金屬材料有哪些？§11－6機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、工藝性零件設(shè)計(jì)要求使用要求----具備所要求的工作能力；制造要求----制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標(biāo)志：在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費(fèi)用又很低。(學(xué)生弱點(diǎn)）工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時(shí)，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理最好采用平面、柱面、螺旋面等簡(jiǎn)單表面極其組合；盡量減少加工面數(shù)和加工面積；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前