第三章 機械零件設計概論(2012修改)

1、 第三章第三章 機械零件機械零件設計概論設計概論 3-1 3-1 設計設計機械零件的基本要求機械零件的基本要求 1）工作可靠（不失效）；）工作可靠（不失效）； 3）便于制造、裝配）便于制造、裝配 2）經(jīng)濟性要好；）經(jīng)濟性要好； 4）質量小，符合標準）質量小，符合標準 1.日本防衛(wèi)省航空幕僚監(jiān)部21日透露，航空自衛(wèi)隊三澤基地所屬F-2支援戰(zhàn)斗機在進行飛行訓練時，突然發(fā)生了操縱桿的握把從根部折斷的事故。為此，日本全國共計75架航空自衛(wèi)隊的F-2戰(zhàn)斗機均被停飛接受檢查。2.3.TJPU3-2 3-2 機械零件的載荷和應力機械零件的載荷和應力一、載荷的分類一、載荷的分類靜載荷：靜載荷： 變載荷：變載荷

2、：1）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化） 2）隨機（變）載荷）隨機（變）載荷載荷的頻率和載荷的頻率和幅值均隨機變化幅值均隨機變化TJPUTJPU名義載荷名義載荷-根據(jù)原動機或工作機的額定功率計算出的根據(jù)原動機或工作機的額定功率計算出的作用在機械零件上的載荷。作用在機械零件上的載荷。載荷系數(shù)載荷系數(shù)-考慮載荷不均勻、載荷在零件上分布的不考慮載荷不均勻、載荷在零件上分布的不均勻性及其他影響零件受載的因素。均勻性及其他影響零件受載的因素。載荷還分為：載荷還分為：1）名義載荷；）名義載荷；2）計算載荷。）計算載荷。 計算載荷計算載荷=載荷系數(shù)載荷系數(shù)名義載荷名義載荷TJPU1 1 靜

3、應力和變應力靜應力和變應力 變應力變應力 穩(wěn)定循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力T、 、 均不變均不變 非穩(wěn)定循環(huán)變應力非穩(wěn)定循環(huán)變應力 靜應力靜應力 二二. 應力種類應力種類am穩(wěn)定循環(huán)變應力的穩(wěn)定循環(huán)變應力的的的5個基本參數(shù)個基本參數(shù)和種類和種類：2)(minmaxminmaxmax mamam平平均均應應力力最最小小應應力力最最大大應應力力0t min max mmaxminminmax2 ra循循環(huán)環(huán)特特性性應應力力幅幅TJPU0t a= max min 10minmax ram 00minmaxram 對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動脈動循環(huán)變應力循環(huán)變應力 不對稱循環(huán)不對稱循環(huán) （-1r+1

4、 r0-1r+1 r0）TJPU2 名義應力和計算應力名義應力和計算應力機械零件的尺寸取決于危險截面處的最大應力。機械零件的尺寸取決于危險截面處的最大應力。靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應力可由變載荷產(chǎn)靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應力可由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。例例: 軸軸 軸承軸承 TJPU非穩(wěn)定循環(huán)變應力隨機變應力3-33-3 機械零件的常見失效和計算準則機械零件的常見失效和計算準則一一 機械零件的常見失效（機械零件的常見失效（failure) 靜強度不夠造成斷裂靜強度不夠造成斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂2. 塑性變形塑性變形3. 斷裂斷裂1.過大的彈性變形過大的彈性變形

5、例如：例如： 天車，車床主軸。天車，車床主軸。 由于彈性變形較小由于彈性變形較小,且可逆且可逆,一般危害不大一般危害不大,扳手扳手.脆性斷裂危害極大脆性斷裂危害極大TJPU4.表面失效表面失效5. 破壞正常工作條件引起的失效破壞正常工作條件引起的失效 例：滑動軸承：油膜破壞例：滑動軸承：油膜破壞 帶傳動：打滑帶傳動：打滑 6. 共振（高速軸）共振（高速軸）同一零件可能有不同的失效形式，如軸的失效形式可同一零件可能有不同的失效形式，如軸的失效形式可能為：斷裂，共振，彈性變形過大等能為：斷裂，共振，彈性變形過大等磨損磨損膠合膠合腐蝕腐蝕TJPU二二 機械零件的計算準則機械零件的計算準則 為保證機械

6、零件不發(fā)生失效，完成其規(guī)定的功能，為保證機械零件不發(fā)生失效，完成其規(guī)定的功能，機械零件要有足夠的工作能力。為使機械零件具有足機械零件要有足夠的工作能力。為使機械零件具有足夠的工作能力，避免失效，要采取夠的工作能力，避免失效，要采取各種有效措施各種有效措施，包，包括理論計算，計算所依據(jù)的條件稱為括理論計算，計算所依據(jù)的條件稱為計算準則計算準則。1、強度準則、強度準則靜應力下靜應力下:一般工作期內(nèi)應力變化次數(shù)一般工作期內(nèi)應力變化次數(shù)103（104）可按靜應力可按靜應力強度計算。強度計算。TJPU單向應力狀態(tài)：單向應力狀態(tài)：limlimsscclimlimsssscc或或復合應力狀態(tài)：復合應力狀態(tài)：

7、按強度理論計算按強度理論計算. ：安全系數(shù)、ss ssssss22見材料力學見材料力學TJPU變應力下：變應力下：材料的疲勞特性曲線：材料的疲勞特性曲線：maxN103時按靜強度計算時按靜強度計算NN0104103低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)r疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征TJPU 持久疲勞極限持久疲勞極限 r r：對應于循環(huán)基數(shù)：對應于循環(huán)基數(shù)N N0 0時的疲勞極限時的疲勞極限 有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)由應力、材料而定壽命系數(shù)的疲勞極限對應曲線方程mKKNNNconsNNNNrmrrNmrmrN00 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) N N N N0 0 由由手手

8、冊冊中中查查出出rrN 043)10(10NN 應力循環(huán)次數(shù)0NrNrN應力疲勞特性疲勞特性TJPU影響影響機械零件疲勞強度的機械零件疲勞強度的因素：因素：11Ke對稱循環(huán)彎曲疲勞極限寸和表面質量后的零件考慮應力集中、絕對尺11Ke零件對稱循環(huán)扭切疲勞極限為：1）應力集中的影響）應力集中的影響-有效應力集中系數(shù)有效應力集中系數(shù)2）零件尺寸的影響）零件尺寸的影響-尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)3）表面質量狀態(tài)的影響）表面質量狀態(tài)的影響-表面質量系數(shù)表面質量系數(shù)見教材附錄)(kk)()(TJPU應力集中應力集中TJPU11SKSC用安全系數(shù)表示對稱循環(huán)下彎曲疲勞強度條件用安全系數(shù)表示對稱循環(huán)下彎曲疲勞強度條件：

9、其他情況下的強度條件式參見教材或手冊其他情況下的強度條件式參見教材或手冊ccmmin如：持久疲勞極限計算應力TJPU接觸應力下接觸應力下: 高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸實實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸由由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應力卻很大。該于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應力卻很大。該應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強度稱為接觸強度度稱為接觸強度. 計算依據(jù)：彈性力學的赫茲（計算依據(jù)：彈性力學的赫茲（Hertz）公式。）公式

10、。TJPUB F F b H 接觸應力下的失效：接觸應力下的失效：靜應力：靜應力：表面壓碎表面壓碎表面塑性變形表面塑性變形變應力：疲勞點蝕變應力：疲勞點蝕H強度條件：強度條件：TJPU同）（兩物體接觸面大小相拋物線分布接觸面變形受力外接觸內(nèi)接觸點接觸線接觸兩曲面接觸Bb222121211111EEbFHTJPU安全系數(shù)安全系數(shù)S： 考慮載荷計算的準確性、材料機械性能的可考慮載荷計算的準確性、材料機械性能的可靠性、計算模型的準確性和零件的重要程度等?？啃?、計算模型的準確性和零件的重要程度等。s過大零件笨重，過小不安全。過大零件笨重，過小不安全。安全系數(shù)的確定：安全系數(shù)的確定：（1）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；

11、）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；（2）經(jīng)驗數(shù)據(jù)；）經(jīng)驗數(shù)據(jù)；（3）部分系數(shù)法：）部分系數(shù)法：s=s1 s2 s3 考慮載荷的準確性考慮載荷的準確性考慮材料的可靠性考慮材料的可靠性考慮零件的重要程考慮零件的重要程度度TJPU y yyy2 2） 扭轉剛度扭轉剛度 扭轉角扭轉角 TT TJPU2 2、剛度準則、剛度準則 1 1） 彎曲剛度彎曲剛度 撓度撓度 偏轉角偏轉角3 3、耐熱性準則：、耐熱性準則： 軸承等工作溫度不要超過許用值軸承等工作溫度不要超過許用值. .4 4、振動穩(wěn)定性準則：防止共振、振動穩(wěn)定性準則：防止共振振幅振幅A A頻率頻率f0.85f f 1.15f激振頻率激振頻率 f fp p0.85f1

12、.15f1.15f TJPU5 5、壽命準則：、壽命準則： 腐蝕、磨損和疲勞。腐蝕、磨損和疲勞。 腐蝕、磨損目前尚無可靠的計算方法腐蝕、磨損目前尚無可靠的計算方法 疲勞壽命可以計算疲勞壽命可以計算TJPU6 6、可靠性準則、可靠性準則曲線稱為浴盆曲線時間失效率總件數(shù)正常數(shù)可靠度ttfeNNRtdt)(000t IIIIII失效率曲線失效率曲線可靠性-產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 可靠性設計需要基礎數(shù)據(jù)。可靠性設計有專著可靠性設計有專著美國適航審定標準中專門規(guī)定了運輸類飛機的最低安全標準，10的7次方分之一的事故率， TJPU7、精度準則、精度準則(保證機器運動精度等保證機

13、器運動精度等) 精度設計有專著。精度設計有專著。試分析車床主軸的設試分析車床主軸的設計準則。計準則。強度、剛度和振動穩(wěn)強度、剛度和振動穩(wěn)定性。定性。TJPU一、常用的機械零件材料一、常用的機械零件材料二、機械零件材料選用的原則二、機械零件材料選用的原則要考慮三個方面的要求要考慮三個方面的要求1、使用要求（首要考慮）使用要求（首要考慮）： 1）零件的受載和工況；）零件的受載和工況；2）對零件尺寸和質量的限）對零件尺寸和質量的限制；制；3）零件的重要程度。）零件的重要程度。2、工藝要求工藝要求： 1）毛坯制造；）毛坯制造；2）機械加工；）機械加工；3）熱處理。）熱處理。3、經(jīng)濟性要求經(jīng)濟性要求：

14、1）材料價格；）材料價格；2）加工批量和加工費用；）加工批量和加工費用；3）材料的）材料的利用率；利用率；4）局部品質原則）局部品質原則; ; 5）替代（盡量用廉價材料來）替代（盡量用廉價材料來代替價格相對昂貴的稀有材料）；代替價格相對昂貴的稀有材料）；6 6）供應情況。）供應情況。3-4 機械零件常用的材料及其選擇原則機械零件常用的材料及其選擇原則耐酸、耐高溫無切削等TJPU3-5 提高機械零件疲勞強度的措施提高機械零件疲勞強度的措施提高機械零件疲勞強度的措施：提高機械零件疲勞強度的措施：1.減小應力集中；減小應力集中；2.提高機械零件表面加工質量；提高機械零件表面加工質量；3.采用能提高疲

15、勞強度的熱處理和強化方法。采用能提高疲勞強度的熱處理和強化方法。 如：滲碳、滲氮以及表面冷加工，如表面滾壓、如：滲碳、滲氮以及表面冷加工，如表面滾壓、噴丸等。（提高表面強度和殘余壓應力）噴丸等。（提高表面強度和殘余壓應力）TJPU3-6 機械零件的結構工藝性和標準化（便于加工和機械零件的結構工藝性和標準化（便于加工和裝配，有利于保證零件質量）裝配，有利于保證零件質量）1.1.機械零件的結構工藝性機械零件的結構工藝性 便于加工和裝配，有利于保證零件質量。便于加工和裝配，有利于保證零件質量。 有人說：機械零件設計應包括理論分析、模型設計、有人說：機械零件設計應包括理論分析、模型設計、設計計算和設計

16、計算和結構設計和制圖結構設計和制圖；由結構設計引起的錯誤；由結構設計引起的錯誤占機械設計錯誤中較大比例。占機械設計錯誤中較大比例。 涉及到：鑄造、鍛造、沖壓、切削、熱處理和裝配等。涉及到：鑄造、鍛造、沖壓、切削、熱處理和裝配等。（查閱有關資料）（查閱有關資料）TJPU2.2.機械零件設計中的標準化機械零件設計中的標準化 標準化：標準化：在經(jīng)濟、技術、科學及管理等社會實踐中，對現(xiàn)實問題或潛在問題（重復性事物和概念）通過制定、發(fā)布和實施標準，達到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會效益。國際標準國際標準 ISOISO等等 國家標準國家標準 GBGB（強制）（強制） GB/T(GB/T(推薦）推薦）行業(yè)標準行

17、業(yè)標準 如如JB/T 10475-2004JB/T 10475-2004垂直升降類機械式停車設備垂直升降類機械式停車設備（本標準規(guī)定了垂直升降類機械式停車設備的型式、基本參數(shù)、技術要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等內(nèi)容）地方標準地方標準企業(yè)標準企業(yè)標準三化：零件標準化、部件通用化、機器系列化化：零件標準化、部件通用化、機器系列化 TJPU3-7 機械設計工具書的使用機械設計工具書的使用TJPU機械設計手冊機械設計手冊(徐灝主編徐灝主編) 全5冊 化工出版社出版機械零件設計手冊機械零件設計手冊 第三版上下冊第三版上下冊機械設計與制造簡明手冊機械設計與制造簡明手冊 機械設計師實用手冊機械設計師實用手冊TJ

18、PU傳統(tǒng)設計方法傳統(tǒng)設計方法 （一）理論設計（一）理論設計 （二）經(jīng)驗設計（二）經(jīng)驗設計 類比法或應用經(jīng)驗公式等類比法或應用經(jīng)驗公式等 （三）模型實驗（初定尺寸，制作模型或?。ㄈ┠Ｐ蛯嶒灒ǔ醵ǔ叽?，制作模型或小尺寸樣機，評估，修改完善。）尺寸樣機，評估，修改完善。） 設計計算設計計算 校核計算校核計算3-8 3-8 機械零件設計方法的新發(fā)展機械零件設計方法的新發(fā)展 計算機輔助設計（計算機輔助設計（CADCAD） Computer Aided DesignComputer Aided DesignTJPU1.有限元法有限元法隨著高速計算機的應用日益普及和數(shù)值分析在工程隨著高速計算機的應用日益普

19、及和數(shù)值分析在工程中的作用日益增長而發(fā)展起來的一種實用有效的數(shù)中的作用日益增長而發(fā)展起來的一種實用有效的數(shù)值方法。值方法?；舅悸罚簩⑦B續(xù)介質離散成小塊（單元），僅在基本思路：將連續(xù)介質離散成小塊（單元），僅在有限個指定點（節(jié)點）連接。有限個指定點（節(jié)點）連接。軟件：軟件：ANSYS等。等。現(xiàn)代設計方法現(xiàn)代設計方法 TJPU2. 最優(yōu)化設計最優(yōu)化設計一般工程設計問題都存在著許多可能的方案，在設一般工程設計問題都存在著許多可能的方案，在設計時應選擇較好的方案，即優(yōu)化。計時應選擇較好的方案，即優(yōu)化。最優(yōu)化設計是在高速計算機的應用日益普及基礎上最優(yōu)化設計是在高速計算機的應用日益普及基礎上發(fā)展起來的一種新方法。包括解析方法和數(shù)值方法。發(fā)展起來的一種新方法。包括解析方法和數(shù)值方法。主要工作：建立數(shù)學模型；采用適當方法優(yōu)化。主要工作：建立數(shù)學模型；采用適當方法優(yōu)化。軟件：軟件：matlab等。等。TJPU3.可靠性設計（機械概率設計）可靠性設計（機械概率設計）是可靠性