第十章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第十章機(jī)械零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五§10-1機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)§10-2機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑§10-3機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本要求和一般程序§10-4機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五§10-1機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)一、機(jī)械設(shè)計(jì)中的載荷和應(yīng)力

一）載荷和應(yīng)力的類型（一）載荷靜載荷—大小和方向均不隨時(shí)間變化的載荷變載荷—大小或方向隨時(shí)間變化的載荷靜應(yīng)力—大小和方向均不隨時(shí)間變化（或變化極緩慢）的應(yīng)力變應(yīng)力—大小和方向，或大小或方向隨時(shí)變化的應(yīng)力

（二）應(yīng)力

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求很多，但強(qiáng)度要求是所有零件都必須滿足的首要條件，而強(qiáng)度計(jì)算必需確定作用于零件上的載荷和應(yīng)力。載荷指的是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其他因素。第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

工作載荷機(jī)器正常工作時(shí)所承受的實(shí)際載荷（實(shí)測(cè)載荷譜）考慮各種附加載荷的影響K——載荷系數(shù)計(jì)算載荷名義載荷按原動(dòng)機(jī)功率求得的載荷P——功率n——機(jī)器轉(zhuǎn)速靜應(yīng)力應(yīng)力不隨時(shí)間而變化{穩(wěn)定循環(huán)T、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅等不隨時(shí)間變化不穩(wěn)定循環(huán)T、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅等變化有規(guī)律變應(yīng)力應(yīng)力隨時(shí)間而變化隨機(jī)σ、τ變化無規(guī)律本課程僅討論循環(huán)變應(yīng)力載荷應(yīng)力(考慮內(nèi)部和外部附加動(dòng)載荷而引入的系數(shù)）第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．變應(yīng)力參數(shù)及典型變應(yīng)力1）穩(wěn)定變應(yīng)力參數(shù)：最大應(yīng)力：σmax

最小應(yīng)力：σmin應(yīng)力循環(huán)特征：用來表示應(yīng)力的變化情況γ=σmin/σmax2）典型變應(yīng)力及應(yīng)力循環(huán)特征γ平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：σmaxσmσminσaσatσ第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：γ=+1變應(yīng)力特例b）非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力γ在（+1～-1）間變化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常數(shù)c）對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力γ=-1σtσaσmaxσmind）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力γ=0σtσaσaσmaxσm一）載荷和應(yīng)力的類型第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、機(jī)械零件的失效形式及強(qiáng)度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、塑性變形二）零件強(qiáng)度條件式：σ≤[σ]=σlim/S

材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)脆性材料制造的零件：σlim=σb

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力

2．變應(yīng)力作用下零件極限應(yīng)力

——σlim=σγN疲勞極限一）零件的失效形式變應(yīng)力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。3.安全系數(shù)——S的取值對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)零件的重要性、零件材料的質(zhì)量、栽荷計(jì)算準(zhǔn)確性等方面，合理選取，具體數(shù)值可參考設(shè)計(jì)資料。材料的許用應(yīng)力第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)零件損壞機(jī)理靜應(yīng)力作用下：危險(xiǎn)剖面塑性變形或斷裂變應(yīng)力作用下：疲勞斷裂零件表面應(yīng)力超過極限值微裂紋擴(kuò)展斷裂(2)極限應(yīng)力靜應(yīng)力極限應(yīng)力：與材料性能有關(guān)變應(yīng)力疲勞極限：與材料有關(guān)外，還與?循環(huán)特征r

?應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有關(guān)?應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)三)零件疲勞損壞機(jī)理由于80%的零件產(chǎn)生疲勞破壞，所以先討論零件疲勞損傷機(jī)理第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三．機(jī)械零件材料的疲勞極限描述應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σγN間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞極限σγN疲勞曲線無限壽命區(qū)σγ有限壽命區(qū)N0σγN1N1σγN2N2σγNNN0σγ一）σγ—

N疲勞曲線（等應(yīng)力循環(huán)特征γ的不等壽命N曲線）D

D點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：

由于ND很大，所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí)，常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對(duì)應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在s－N曲線D點(diǎn)以前，可用下式描述：第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σr、N0及m的值由材料試驗(yàn)確定。N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60n

th

ɑ每轉(zhuǎn)受載次數(shù)使用壽命（h）轉(zhuǎn)速（r/min）用疲勞曲線求取疲勞極限σγN的方法無限壽命區(qū)（N≥N0）疲勞極限：σγN=σγ，

kN=1kN—壽命系數(shù)有限壽命區(qū)（N＜N0)疲勞極限:第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二）極限應(yīng)力線圖（等壽命疲勞曲線）機(jī)械零件材料的疲勞特性除用σ－N曲線表示外，還可用等壽命曲線來描述。該曲線表達(dá)了不同應(yīng)力比時(shí)疲勞極限的特性。在工程應(yīng)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。用A'Ｇ'C折線表示零件材料的極限應(yīng)力線圖是其中一種近似方法。A'Ｇ'直線的方程為：CＧ'直線的方程為：

ψσ為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的材料常數(shù)，其值由試驗(yàn)及下式?jīng)Q定：對(duì)于碳鋼，ψσ≈0.1~0.2，對(duì)于合金鋼，ψσ≈0.2~0.3。

極限應(yīng)力線圖材料的疲勞特性第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同應(yīng)力循環(huán)特征

r

時(shí)的疲勞極限材料的極限應(yīng)力簡(jiǎn)圖已知材料的機(jī)械性能可作簡(jiǎn)圖折線ADG上任一點(diǎn)，表示在不同r時(shí)的疲勞極限對(duì)于n點(diǎn)(工作應(yīng)力為和)應(yīng)力循環(huán)特征：對(duì)應(yīng)的疲勞極限：等效系數(shù)第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五零件的極限應(yīng)力圖還應(yīng)考慮應(yīng)力集中、絕對(duì)尺寸、表面狀態(tài)的影響應(yīng)力集中：零件剖面幾何形狀突變處疲勞極限降低用有效應(yīng)力集中系數(shù)來考慮絕對(duì)尺寸：剖面絕對(duì)尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低用絕對(duì)尺寸系數(shù)來考慮表面狀態(tài)：表面光滑或強(qiáng)化處理、能提高疲勞極限用表面狀態(tài)系數(shù)來考慮綜合影響系數(shù)或考慮各因素影響第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算1四.機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算一）零件的極限應(yīng)力線圖由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。以彎曲疲勞極限的綜合影響系數(shù)表示材料對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1與零件對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1e的比值，即在不對(duì)稱循環(huán)時(shí)，是試件與零件極限應(yīng)力幅的比值。將零件材料的極限應(yīng)力線圖中的直線A'D'G'按比例向下移，成為右圖所示的直線ADG，而極限應(yīng)力曲線的CG

部分，由于是按照靜應(yīng)力的要求來考慮的，故不須進(jìn)行修正。這樣就得到了零件的極限應(yīng)力線圖。

第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算2二）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的σmax及σmin確定平均應(yīng)力σm與應(yīng)力幅σa，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng)力點(diǎn)M或N。根據(jù)零件工作時(shí)所受的約束來確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個(gè)點(diǎn)來表示極限應(yīng)力。機(jī)械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：應(yīng)力比為常數(shù)：r=C平均應(yīng)力為常數(shù)σm=C最小應(yīng)力為常數(shù)σmin=C相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線上的某一個(gè)點(diǎn)所代表的應(yīng)力。計(jì)算安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為：

第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五在（Kσ）Ｄ，（Ｋι）Ｄ修正極限應(yīng)力圖上OG線將圖形分為兩個(gè)區(qū)域當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)落在△OAG內(nèi)線OG對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)特性r為當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)落在△OGC內(nèi)零件產(chǎn)生疲勞破壞零件產(chǎn)生塑性變形當(dāng)零件由中低碳鋼制造（塑性材料）第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五單向應(yīng)力狀態(tài)下（當(dāng)ｒ＝常數(shù)時(shí)）機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于塑性材料即時(shí)即時(shí)以上正應(yīng)力公式，用替代則對(duì)剪應(yīng)力同樣適用當(dāng)應(yīng)力在疲勞破壞區(qū)當(dāng)應(yīng)力在靜強(qiáng)度區(qū)第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五例有一熱軋合金鋼零件，其材料的抗彎疲勞極限：＝658MPa，＝400MPa，屈服極限＝189Mpa，應(yīng)力幅為＝129Mpa

，零件的應(yīng)力集中系數(shù)＝1.26，尺寸系數(shù)如取安全系數(shù)Smin＝1.5，核驗(yàn)此零件是否安全。

＝658MPa，＝780MPa，所承受的彎曲變應(yīng)力＝0.78，表面狀態(tài)系數(shù)β＝1。第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五解：

(1)

(2)因

(3)

(4)故得

因此，該零件安全。零件產(chǎn)生疲勞破壞第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4四）雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)零件上同時(shí)作用有同相位的穩(wěn)定對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力σa和τa時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：式中τa′及σa′為同時(shí)作用的切向及法向應(yīng)力幅的極限值。若作用于零件上的應(yīng)力幅σa及τa如圖中M點(diǎn)表示，則由于此工作應(yīng)力點(diǎn)在極限以內(nèi)，未達(dá)到極限條件，因而是安全的。由于是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€AM'B上任何一個(gè)點(diǎn)即代表一對(duì)極限應(yīng)力σa′及τa′。計(jì)算安全系數(shù)：第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中計(jì)算安全系數(shù)：第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五§10-2機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑一、機(jī)械中的摩擦１、干摩擦：表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦，摩擦系數(shù)一般大于0.1２、邊界摩擦：表面間被極薄的潤(rùn)滑膜所隔開，且摩擦性質(zhì)與潤(rùn)滑劑的粘度無關(guān)而取決于兩表面的特性和潤(rùn)滑油油性的摩擦，摩擦系數(shù)約在0.01～0.1３、流體摩擦：表面間的潤(rùn)滑膜把摩擦副完全隔開，摩擦力的大小取決于流體分子內(nèi)部摩擦力的摩擦，摩擦系數(shù)可達(dá)0.001～0.008第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五４、混合摩擦：摩擦副處于干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦混合狀態(tài)時(shí)的摩擦二、機(jī)械中的磨損

１、磨損的定義：由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使物體工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象零件的磨損過程大體可分為三個(gè)階段：磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段及劇烈磨損階段2、磨損過程第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

粘著磨損：3、磨損類型磨粒磨損：摩擦表面的微凸體在相互作用的各點(diǎn)發(fā)生粘著作用，使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損摩擦表面間的游離硬顆?；蛴驳奈⑼贵w峰間在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋的微切削過程表面疲勞磨損：摩擦表面受循環(huán)接觸應(yīng)力作用到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，會(huì)造成許多微粒從零件表面上脫落下來，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑，這種磨損過程即為疲勞磨損；腐蝕磨損：在摩擦過程中金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)正確選用材料

(2)進(jìn)行有效的潤(rùn)滑

(3)采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?/p>

(4)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高加工和裝配精度

(5)正確的使用、維修與保養(yǎng)4、減少磨損的措施第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

潤(rùn)滑起著十分重要的作用，可歸納為如下幾點(diǎn)：

(1)降低機(jī)器的摩擦功耗，節(jié)約能源；

(2)減少或防止機(jī)器摩擦副零件的磨損；

(3)減少摩擦發(fā)熱量。潤(rùn)滑劑還可以帶走一部分熱量，潤(rùn)滑對(duì)降低工作溫度起很大的作用；

(4)潤(rùn)滑可以防銹。潤(rùn)滑膜可以隔絕空氣中的氧和腐蝕性氣體，從而保護(hù)摩擦表面不受銹蝕。

(5)潤(rùn)滑能起緩沖和吸振作用。利用潤(rùn)滑膜的彈性和阻尼作用；

(6)起密封防塵的作用。三、機(jī)械中的潤(rùn)滑

第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五§10-3機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本要求和一般程序5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一．機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1．實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；2．經(jīng)濟(jì)性好：設(shè)計(jì)和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低,維護(hù)管理費(fèi)用少；3．操作方便，運(yùn)行安全；4．標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高：以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序設(shè)計(jì)過程一般可以分為四個(gè)階段可行性設(shè)計(jì)階段認(rèn)識(shí)需要技術(shù)任務(wù)書可行性研究初步設(shè)計(jì)階段方案構(gòu)思方案評(píng)價(jià)參數(shù)定量及優(yōu)化詳細(xì)設(shè)計(jì)階段總體設(shè)計(jì)零、部件設(shè)計(jì)改進(jìn)設(shè)計(jì)階段樣機(jī)試制與試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)生產(chǎn)設(shè)計(jì)小批量生產(chǎn)產(chǎn)品定型第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五§10-4機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則一）機(jī)械零件的工作能力零件的工作能力

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是指在一定的運(yùn)動(dòng)、載荷和環(huán)境情況下，在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。二）機(jī)械零件的主要失效形式：過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應(yīng)力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應(yīng)力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限σB引起1．?dāng)嗔褖簼?、過度磨損——零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過大失效——機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作（不等于破壞）第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算準(zhǔn)則—用于計(jì)算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對(duì)于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計(jì)算準(zhǔn)則。常用的計(jì)算準(zhǔn)則有：三）機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則1．強(qiáng)度準(zhǔn)則性

—針對(duì)零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強(qiáng)度—指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強(qiáng)度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強(qiáng)度不夠，不僅因?yàn)榱慵氖箼C(jī)械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對(duì)斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對(duì)表面疲勞損壞第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．剛度準(zhǔn)則

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針對(duì)過大彈性變形剛度—指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機(jī)正常工作，提高機(jī)床加工產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求。剛度的計(jì)算準(zhǔn)則為:y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時(shí)的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；3．耐磨性準(zhǔn)則

—

針對(duì)過度磨損、膠合破壞耐磨性—指零件在載荷作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩零件接觸界的抗磨損面能力。耐磨性是保證有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件正常工作的基本要求。其驗(yàn)算式為：p≤[p]—

防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五4．振動(dòng)和噪聲準(zhǔn)則

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針對(duì)高速機(jī)械的振動(dòng)失穩(wěn)（即共振）當(dāng)零件的固有振動(dòng)頻率f等于或趨近于零件的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率fp時(shí)，將產(chǎn)生共振。這