機械零件設(shè)計

§9-2機械零件的強度§9-3機械零件的接觸強度§9-4機械零件的耐磨性§9-5機械制造常用材料及其選擇第9章機械零件設(shè)計概述§9-1機械零件設(shè)計概述在滿足預(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、維修簡單和造型美觀等。一、機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：§9-1機械零件設(shè)計概述機械零件的設(shè)計也必須滿足上述要求

——既要工作可靠，又要成本低廉。

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(xí)慣上又稱為：承載能力二、機械零件的工作能力三、機械零件的失效由于某種原因零件不能正常工作時，稱為失效。（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(yīng)力超過零件的強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)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)圈斷裂軸承外圈、滾動體斷裂機械零件常見的失效形式:

斷裂、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。機械零件設(shè)計概述（二）塑性變形當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生塑性（殘余變形)。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形

機械零件設(shè)計概述軸承外圈塑性變形軸承內(nèi)圈塑性變形機械零件設(shè)計概述（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）。齒面接觸疲勞（點蝕）軸瓦磨損機械零件設(shè)計概述軸承套圈點蝕軸承內(nèi)圈點蝕機械零件設(shè)計概述失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等。強度條件：五、機械零件設(shè)計的步驟5)繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件。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;注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標誰、規(guī)格加以圓整。失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等。剛度條件：機械零件設(shè)計概述四、機械零件的設(shè)計準則——工作能力計算準則1)擬定零件的計算簡圖;六、機械零件設(shè)計的計算方法設(shè)計計算——根據(jù)設(shè)計準則，確定尺寸。校核計算——先參照實物、圖紙、經(jīng)驗數(shù)據(jù)等初步擬定結(jié)構(gòu)和尺寸，然后根據(jù)設(shè)計準則進行驗算。機械零件設(shè)計概述變載荷：隨時間變化（周期性、非周期性）二、應(yīng)力的分類：變應(yīng)力：由靜載荷或變載荷產(chǎn)生靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢t

一、載荷的分類：§9-2機械零件的強度t

靜應(yīng)力：由靜載荷產(chǎn)生t

2變應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力（

m、a、T均為常數(shù)）規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力隨機變應(yīng)力非穩(wěn)定變應(yīng)力（

m、a、T之一不為常數(shù)）t

對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力§9-2機械零件的強度變應(yīng)力的描述：sm─平均應(yīng)力；smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個參數(shù)，但其中只有2個參數(shù)是獨立的。t

sa─應(yīng)力幅§9-2機械零件的強度1、非對稱循環(huán)2、對稱循環(huán)t

§9-2機械零件的強度3、脈動循環(huán)4、靜應(yīng)力§9-2機械零件的強度5、規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力6、隨機變應(yīng)力§9-2機械零件的強度一、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

塑性材料，取屈服極限

S

作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：

脆性材料：取強度極限

B

作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：機械零件在靜應(yīng)力下的強度計算二、靜應(yīng)力下的強度計算1、單向應(yīng)力狀態(tài)或機械零件在靜應(yīng)力下的強度計算2、復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)（塑性材料）第三強度理論第四強度理論一、疲勞失效的機理疲勞失效是疲勞損傷積累的結(jié)果，經(jīng)歷了三個階段：裂紋形成裂紋擴展瞬時斷裂疲勞斷口的獨特性：兩個區(qū)疲勞區(qū)（光滑區(qū)）脆斷區(qū)（粗糙區(qū)）疲勞斷裂具有以下特征：

1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；2)疲勞斷口均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。疲勞源壟溝紋疲勞紋粗糙區(qū)光滑區(qū)材料的疲勞特性變應(yīng)力疲勞斷裂

1、疲勞極限：在循環(huán)特性r下的變應(yīng)力，經(jīng)過N次循環(huán)后，材料不發(fā)生破壞

的應(yīng)力最大值，稱為疲勞極限。

疲勞曲線是通過疲勞試驗得到的，進行試驗時采用的是標準試件。標準試件：

無尺寸變化

表面磨削或拋光

7~10

材料的疲勞特性二、材料的疲勞曲線r-----應(yīng)力循環(huán)特性（應(yīng)力比）；N-----疲勞斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2、疲勞曲線(r一定）

maxN材料的疲勞特性A點：N=1/4ABCDAB段：靜應(yīng)力破壞BC段：斷口發(fā)現(xiàn)顯著的塑性變形，屬于應(yīng)變

疲勞，也稱為低周疲勞。CD段：

高周疲勞，多數(shù)零件的疲勞屬于此類m---材料常數(shù)，由試驗確定D點以后：

rN與N無關(guān)3

rN

maxN材料的疲勞特性ABCDND大致在106~25107之間。人為規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0

（循環(huán)基數(shù)）。----壽命系數(shù)

maxN材料的疲勞特性ABCD討論N0為規(guī)定的試驗次數(shù)，稱為循環(huán)基數(shù)KN稱為壽命系數(shù)N<N0，有限壽命區(qū)，

lim=rN，KN>1

N>N0，無限壽命區(qū)，取N=N0，KN＝1，有限壽命無限壽命循環(huán)特性r不同時，材料的疲勞極限不同，疲勞曲線也不同

C點：屈服極限點

F點：強度極限點在曲線上，三、材料的等壽命疲勞曲線（極限應(yīng)力線圖）

該曲線表示了在循環(huán)次數(shù)N0下，不同r

時疲勞極限的特性。3材料的疲勞特性

a

m3材料的疲勞特性

a

m疲勞安全區(qū)

a

m屈服安全區(qū)3材料的疲勞特性

a

m安全區(qū)極限應(yīng)力圖的三種簡化方法

1.用A'F代替A

D'E'C

2.用A'C代替A

D'E'C

3.用AD'G'E'C代替AD'E'C只需已知

0、-1、S即可作出極限應(yīng)力圖。3材料的疲勞特性

a

m安全區(qū)A'Ｇ'直線的方程為：CＧ'直線的方程為：yσ為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?jīng)Q定：對于碳鋼，yσ≈0.1~0.2，對于合金鋼，yσ≈0.2~0.3。3一、影響零件疲勞強度的主要因素

由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。1、應(yīng)力集中的影響理論應(yīng)力集中系數(shù)主要考慮幾何尺寸變化引起的應(yīng)力集中。實際上，除考慮幾何尺寸變化外，還應(yīng)考慮材料的性質(zhì)對應(yīng)力集中的影響。機械零件的疲勞強度計算3有效應(yīng)力集中系數(shù)

-1（-1)-----無應(yīng)力集中源的試件的疲勞極限；

-1k(-1k

)-----有應(yīng)力集中源的試件的疲勞極限。q-----材料的敏性系數(shù)，表示材料對應(yīng)力集中的敏感程度。討論若q

=0，此材料對應(yīng)力集中不敏感，例如：鑄鐵；若q

=1，此材料對應(yīng)力集中敏感，例如：合金鋼。一般，材料的強度極限，則在一個剖面上有多個應(yīng)力集中

，按最大的進行計算。機械零件的疲勞強度計算2、絕對尺寸的影響在應(yīng)力相同時，尺寸越大，疲勞強度越低。

因為：尺寸越大，材料出現(xiàn)缺陷的概率越大；尺寸越大，晶粒越粗；尺寸越大，硬化層相對較薄;尺寸系數(shù)

-1d（-1d)-----尺寸為d的無應(yīng)力集中試件的疲勞極限；

-1（-1)-----標準無應(yīng)力集中試件的疲勞極限。機械零件的疲勞強度計算3、表面質(zhì)量的影響零件表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對疲勞強度的影響用表面質(zhì)量系數(shù)

-1（-1)-----某種表面質(zhì)量的試件的疲勞極限；

-1（-1)-----光滑標準的試件的疲勞極限。機械零件的疲勞強度計算4、強化處理的影響對零件表面施行不同的強化處理，均可提高疲勞強度。常用的強化方法有：表面化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮）、高頻表面淬火、表面硬化處理（噴丸、滾壓）等。

-1q----經(jīng)過強化處理后試件的疲勞極限。5、綜合影響系數(shù)根據(jù)試驗研究證明：以上各種因素只影響應(yīng)力幅

a，而不影響平均應(yīng)力

m。機械零件的疲勞強度計算機械零件的疲勞強度計算二、零件的疲勞極限應(yīng)力線圖

a

m由于以上因素的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。材料零件4機械零件的疲勞強度計算

a

m材料零件AG的方程：CG的方程：CG'的方程：A'G'的方程：機械零件的疲勞強度計算三、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算

a

m工作應(yīng)力點M計算安全系數(shù)機械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：應(yīng)力比（循環(huán)特性）為常數(shù)：r=C平均應(yīng)力為常數(shù)

m=C最小應(yīng)力為常數(shù)

min=C機械零件的疲勞強度計算

a

mr=C射線OM’(ON’)上任何一點所代表的r均相同，M’(N’)為極限應(yīng)力點。疲勞安全系數(shù)圖解法疲勞安全區(qū)屈服安全區(qū)例：轉(zhuǎn)軸中的彎曲應(yīng)力r=-1機械零件的疲勞強度計算

a

mr=C疲勞安全區(qū)屈服安全區(qū)屈服安全系數(shù)圖解法解析法AD方程：OM方程：聯(lián)立解得：解析法設(shè)計零件時，若難以知道應(yīng)力變化規(guī)律，按r=C處理；解析法計算時，疲勞安全系數(shù)和屈服安全系數(shù)都要計算，并取小值作為計算安全系數(shù)，圖解法則不必；對剪切應(yīng)力，只需將上述公式中的

換為

即可；若循環(huán)次數(shù)不是N0，則用

rN代替

r即可。4機械零件的疲勞強度計算討論機械零件的疲勞強度計算

a

m

m=C直線MM’(NN’)上任何一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的平均應(yīng)力

m，M’(N’)為極限應(yīng)力點。疲勞安全系數(shù)疲勞安全區(qū)屈服安全區(qū)例：車輛的減振彈簧MM'方程：AD方程：屈服安全系數(shù)機械零件的疲勞強度計算

a

m

min=C直線MM’(NN’)上任何一點所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有相同的最小應(yīng)力

min，M’(N’)為極限應(yīng)力點。疲勞安全系數(shù)疲勞安全區(qū)屈服安全區(qū)例：緊螺栓聯(lián)接屈服安全系數(shù)四、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算（塑性材料）當(dāng)零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力

max和

max時，由實驗及理論得出的安全系數(shù)公式為:機械零件的疲勞強度計算式中：1、對稱循環(huán)雙向非對稱循環(huán)復(fù)合應(yīng)力的研究尚不完善，目前也采用前式進行疲勞強度校核：

機械零件的疲勞強度計算式中：2、非對稱循環(huán)機械零件的疲勞強度計算3、屈服安全系數(shù)第三強度理論第四強度理論或式中：五、提高機械零件疲勞強度的措施采用具有高疲勞強度的材料，并配以適當(dāng)?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強化處理。適當(dāng)提高零件的表面質(zhì)量，特別是提高有應(yīng)力集中部位的表面加工質(zhì)量，必要時表面作適當(dāng)?shù)姆雷o處理。盡可能降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。減載槽在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處，可采用減載槽來降低應(yīng)力集中的作用。機械零件的疲勞強度計算應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力類型單向應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)極限應(yīng)力

lim靜應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力r=C(塑性材料）以為判據(jù)以為判據(jù)以S為判據(jù)以S為判據(jù)塑性脆性以S為判據(jù)疲勞區(qū)屈服區(qū)？？強度計算公式總結(jié)

接觸應(yīng)力當(dāng)兩零件以點、線相接觸時，其接觸的局部會引起較大的應(yīng)力。式中ρ1和ρ2分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,其中正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸。

對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計算。

1FB

2σHσHFB

1

2σHσH§9-3機械零件的接觸強度FB

1

2σHσH機械零件的接觸強度式中：F-----作用于接觸面上的總壓力；B-----初始接觸線長度；

1、2-----分別為零件1和零件2初始接觸線處的曲率半徑，

稱為綜合曲率半徑

1、2-----分別為零件1和零件2材料的泊松比；E1、E2-----分別為零件1和零件2材料的彈性模量。機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，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)象稱為疲勞點蝕。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。載荷為靜載荷時，失效形式為：塑性變形、壓碎載荷為變載荷時，失效形式為：疲勞點蝕（接觸疲勞磨損），常發(fā)生在齒輪、滾動軸承中。機械零件的接觸強度已知：

-1=180MP，

S=300MP，

=0.2，K

=2，試求：1、零件的簡化極限應(yīng)力圖；2、當(dāng)r=0.6，S=2時，該零件能承受的最大應(yīng)力

max；3、若

a=70MP，m=50MP，計算該零件的安全系數(shù)。解：1、A（0，-1/K

）(0，90)

a

mODD（

0/2，0/2K

）（150，75）G（

S，0）（300，0）G45°2、

AN’屬靜強度3、圖解法：M（50，70）M’解析法：例題1M如圖為某機器上一根單向轉(zhuǎn)動軸，n=20r/min，每天工作8小時，要求工作2.5年（每年以300天計）。軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理，

B

-1

0

-1

0650300500155282m=9，N0=107，S=1.6，E-E截面上受彎曲應(yīng)力

b=30，軸向拉應(yīng)力

c=10，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

=15。過盈配合k

=2.62，k

=1.89，圓角k

=1.93，k

=1.58，尺寸系數(shù)

=0.81，

=0.7，表面質(zhì)量系數(shù)=0.9，強化系數(shù)

q=1，試校核軸的強度。是靜應(yīng)力還是變應(yīng)力？是對稱循環(huán)還是非對稱循環(huán)？是單向還是復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)？N=?是有限壽命還是無限壽命？例題2軸是轉(zhuǎn)動的，M一定，

b為對稱循環(huán)變應(yīng)力；軸向拉應(yīng)力不變，

c為靜應(yīng)力；=

c=

b正應(yīng)力為非對稱循環(huán)變應(yīng)力。考慮軸單向轉(zhuǎn)動，工作不連續(xù)等因素，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力按脈動循環(huán)處理。E-E截面為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按有限壽命計算。解例題2t

計算綜合影響系數(shù)K

、K

E-E截面有兩個應(yīng)力集中源，取數(shù)值最大者計算。計算材料常數(shù)

、

計算單向應(yīng)力安全系數(shù)Sca、Sca計算復(fù)合應(yīng)力下的疲勞安全系數(shù)Sca安全例題2

運動副摩擦表面物質(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(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)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(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§9-4機械零件的耐磨性實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:p≤

[p]相對運動速度較高時，還應(yīng)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]機械零件的耐磨性§9－5機械制造常用材料及其選擇一、金屬材料1.鑄鐵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：①具有良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。

②較好的減震性、耐磨性、切削性（灰鑄鐵）

③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。灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵§9－5機械制造常用材料及其選擇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（含碳量＜0.7%

）合金結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼按用途按化學(xué)成分＜0.25%低碳鋼0.3%~0.5%中碳鋼＞0.5%高碳鋼按含碳量特點：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(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。選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表9-2常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓鋼碳