機械零件設計概論

第11章機械零件設計概論（1）§11－1機械零件設計概論§11－2機械零件的強度§11－3機械零件的接觸強度§11－4機械零件的耐磨性§11－5機械制造常用材料及其選擇§11－6機械零件的工藝性及標準化§11－1機械零件設計概論一：機械設計應滿足的要求：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。二：機械零件的失效：機械零件曲于某種原因不能正常工作時，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。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:

斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。一、機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，其危險截面的應力超過零件的強度極限而導致的斷裂，或在變應力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂（二）過大的殘余變形

當作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，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（點蝕）。軸瓦磨損齒面接觸疲勞

剛度準則

設計零件時，首先應根據(jù)零件的失效形式確定其設計準則以及相應的設計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：

強度準則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設計準則。計算應力<許用應力；：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。變形量<許用變形量；

壽命準則：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關。

振動穩(wěn)定性準則：高速運轉(zhuǎn)機械的設計應注重此項準則。

可靠性準則：當計及隨機因素影響時，仍應確保上述各項準則。二、機械零件的設計準則設計計算準則：保證零件不失效所依據(jù)的基本準則稱為設計計算準則。主要有：強度準則、剛度準則、壽命準則、振動穩(wěn)定性準則和可靠性準則等。機械零件設計的步驟：

1)擬定零件的計算簡圖;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，選用相應的判定條件，確定零件的形狀;5)繪制工作圖并標注必要的技術條件§6－2機械零件的強度

一：載荷的分類

作用在機械零件上的載荷：

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

變載荷(variableordynamicload)——大小、作用位置或方向隨時間變化，如曲柄壓力機的曲軸和汽車懸架彈簧等所受的載荷機械設計計算中的載荷：

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

計算載荷(calculatedload)——載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。在機器運轉(zhuǎn)時，零件還會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：應力的分類

靜應力(staticstress)——不隨時間變化或變化緩慢(圖a)

變應力(variablestress)——隨時間變化

變應力非對稱循環(huán)變應力(non-symmetriccirculatingvariablestress)(圖b)脈動循環(huán)變應力(fluctuatingcirculatingstress)(圖d)

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

----對稱循環(huán)變應力（圖c)r=0

----脈動循環(huán)變應力（圖d)r=+1

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

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

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

σlim

、τlim——材料的極限正應力、極限切應力。由實驗方法測定。

[Sσ]、[Sτ]——對應于正應力、切應力的許用安全系數(shù)

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

。

三、變應力下的許用應力變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂(fatiguefracture)：表面無缺陷的金屬材料，其疲勞斷裂過程分為兩個階段：第一階段是零件表面上應力較大處的材料發(fā)生剪切滑移，產(chǎn)生初始裂紋，形成疲勞源，疲勞源可以有一個或數(shù)個；第二階段是裂紋尖端在切應力下發(fā)生反復塑性變形，使裂紋擴展直至發(fā)生疲勞斷裂。實際上，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。因此一般說零件的疲勞過程是從第二階段開始的，應力集中(stressconcentration)促使表面裂紋產(chǎn)生和發(fā)展。

1)疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低;2)

疲勞斷口均表現(xiàn)為無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，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）密切相關。疲勞極限

疲勞極限(fatiguelimit)σrN——對任一給定的應力循環(huán)特征r，當應力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應力

疲勞曲線或σ?N曲線——以N或lgN為橫坐標，σrN

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

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

有限壽命區(qū)

無限壽命區(qū)

σr——相應于應力循環(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N≥N0時，取kN=1。

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

為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設計手冊中查得。以上所述為“無限壽命N>N0

”

，有限壽命時，用σ-1N代入得：四、安全系數(shù)

安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1）靜應力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

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

S=3～43）變應力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準時?。篠=1.7～2.5§11－3機械零件的接觸強度1:接觸強度:若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，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)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力(contactstress)。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、滾動軸承等機械件，都是通過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度，還取決于表面的接觸強度。2:失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕

機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，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、引起振動和噪音。3:表面接觸疲勞強度的計算準則:

由彈性力學可知，應力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比：

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

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFnσH-------最大接觸應力或赫茲應力;b-------接觸長度;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。接觸疲勞強度的判定條件為：bFn§11－4機械零件的耐磨性

運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會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↑、沖擊↑、噪音↑據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。

磨損的主要類型：1）磨粒磨損2）粘著磨損(膠合磨損)在滾動或兼有滑動和滾動的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應力。當載荷重復作用時，常會出現(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蝕。在摩擦過程申，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，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，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，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，嚴重時摩擦表面能相互咬死。3）疲勞磨損(疲勞點蝕)4）腐蝕磨損實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:p≤

[p]

[p]由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時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]

值進行比較。即:pv≤

[pv]§11－5機械制造常用材料及其選擇機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：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應用：應用范圍廣。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：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。價格便宜且供應充分我國資源豐富

3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。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。應用：應用范圍廣泛。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、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。

3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經(jīng)濟問題設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經(jīng)濟性。常用無機非金屬材料有哪些？§11－6機械零件的工藝性及標準化一、工藝性零件設計要求使用要求----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志：在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。(學生弱點）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。單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2)結(jié)構(gòu)簡單合理最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；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，應在滿足使用要求的前