機(jī)械課件第9章機(jī)械零件設(shè)計概論07

機(jī)械零件部分：第九章~第十八章，著重介紹通用機(jī)械零件的工作原理、設(shè)計理論和計算方法，并介紹有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)包括兩部分：機(jī)械原理和機(jī)械零件機(jī)械原理部分：第一章~第八章，著重研究機(jī)械中的常用機(jī)構(gòu)（三大機(jī)構(gòu)）和機(jī)器動力學(xué)（機(jī)械的調(diào)速和平衡）的基本理論。機(jī)械零件部分：第九章~第十八章，著重介紹通用1第9章機(jī)械零件設(shè)計概論§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論§9－2機(jī)械零件的強(qiáng)度§9－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度§9－4機(jī)械零件的耐磨性§9－5機(jī)械制造常用材料及其選擇§9－6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系§9－7機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化第9章機(jī)械零件設(shè)計概論§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論§92§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論機(jī)械設(shè)計應(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、維修簡單和造型美觀等。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，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(xí)慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強(qiáng)烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：機(jī)械零件的3對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力判定條件強(qiáng)度條件：計算應(yīng)力<許用應(yīng)力；機(jī)械零件設(shè)計的步驟：1)擬定零件的計算簡圖;5)繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。防止失效的判定條件是：計算量<許用量----工作能力計算準(zhǔn)則。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(biāo)誰、規(guī)格加以圓整失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。剛度條件：變形量<許用變形量；對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力判定條件強(qiáng)度條件4涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟(jì)性。門類多─各類零件，各有特點，設(shè)計方法各異。公式多─計算多，有解析式、經(jīng)驗的及定義式。圖表多─結(jié)構(gòu)圖、示意圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗數(shù)表。實踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實際，要注重實踐性環(huán)節(jié)。無重點─又都是重點，設(shè)計工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計得更好五、本課程的幾個特點

零件各章具有獨立性涉及面廣實踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實際，要注重實5載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷-----在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷?！?－2機(jī)械零件的強(qiáng)度計算載荷-----載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計算應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力：名義應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力。強(qiáng)度判定條件：σ、τ[σ]、[τ]-----許用應(yīng)力S-----安全系數(shù)σlim、τ

lim-----極限應(yīng)力，由實驗方法測定。然而在機(jī)器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷---6一、應(yīng)力的種類otσ

σ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σm靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環(huán)變應(yīng)力otσ變應(yīng)力的循環(huán)特性:σmaxσminσaσa對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1otσ----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力otσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例一、應(yīng)力的種類otσσ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r7二、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。疲勞斷裂具有以下特征：

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。它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。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。所以疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關(guān)的斷裂。

不管脆性材料或塑性材料，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81、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-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。試驗表明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。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,試件將不會斷裂。N0----循環(huán)基數(shù)N0對應(yīng)的應(yīng)力稱為：當(dāng)N<N0時,有近似公式：對應(yīng)于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試92、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。同時還應(yīng)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(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)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)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(jī)械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：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10四、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(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可通過查表求得。無表可查時，按以下原則取：→零件尺寸大，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，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.5四、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）11初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋§9－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)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(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。機(jī)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(kuò)展(潤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，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。裂紋的擴(kuò)展與斷裂油失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕金屬剝落出現(xiàn)小坑后果：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。初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋§9－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度12b由彈性力學(xué)可知，應(yīng)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。ρ2ρ1FnσHσHρ1Fnbρ2σHσHb由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比：上述公式稱為13σH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)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(qiáng)度的判定條件為：bFnσH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;b------14機(jī)械零件部分：第九章~第十八章，著重介紹通用機(jī)械零件的工作原理、設(shè)計理論和計算方法，并介紹有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)包括兩部分：機(jī)械原理和機(jī)械零件機(jī)械原理部分：第一章~第八章，著重研究機(jī)械中的常用機(jī)構(gòu)（三大機(jī)構(gòu)）和機(jī)器動力學(xué)（機(jī)械的調(diào)速和平衡）的基本理論。機(jī)械零件部分：第九章~第十八章，著重介紹通用15第9章機(jī)械零件設(shè)計概論§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論§9－2機(jī)械零件的強(qiáng)度§9－3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度§9－4機(jī)械零件的耐磨性§9－5機(jī)械制造常用材料及其選擇§9－6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系§9－7機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化第9章機(jī)械零件設(shè)計概論§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論§916§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論機(jī)械設(shè)計應(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、維修簡單和造型美觀等。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，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(xí)慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強(qiáng)烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為§9－1機(jī)械零件設(shè)計概論機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：機(jī)械零件的17對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力判定條件強(qiáng)度條件：計算應(yīng)力<許用應(yīng)力；機(jī)械零件設(shè)計的步驟：1)擬定零件的計算簡圖;5)繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。防止失效的判定條件是：計算量<許用量----工作能力計算準(zhǔn)則。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(biāo)誰、規(guī)格加以圓整失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。剛度條件：變形量<許用變形量；對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力判定條件強(qiáng)度條件18涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟(jì)性。門類多─各類零件，各有特點，設(shè)計方法各異。公式多─計算多，有解析式、經(jīng)驗的及定義式。圖表多─結(jié)構(gòu)圖、示意圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗數(shù)表。實踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實際，要注重實踐性環(huán)節(jié)。無重點─又都是重點，設(shè)計工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計得更好五、本課程的幾個特點

零件各章具有獨立性涉及面廣實踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實際，要注重實19載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷-----在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷?！?－2機(jī)械零件的強(qiáng)度計算載荷-----載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計算應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力：名義應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力。強(qiáng)度判定條件：σ、τ[σ]、[τ]-----許用應(yīng)力S-----安全系數(shù)σlim、τ

lim-----極限應(yīng)力，由實驗方法測定。然而在機(jī)器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷---20一、應(yīng)力的種類otσ

σ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σm靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環(huán)變應(yīng)力otσ變應(yīng)力的循環(huán)特性:σmaxσminσaσa對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1otσ----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力otσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例一、應(yīng)力的種類otσσ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r21二、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。疲勞斷裂具有以下特征：

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。它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。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。所以疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關(guān)的斷裂。

不管脆性材料或塑性材料，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221、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-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。試驗表明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。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,試件將不會斷裂。N0----循環(huán)基數(shù)N0對應(yīng)的應(yīng)力稱為：當(dāng)N<N0時,有近似公式：對應(yīng)于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試232、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。同時還應(yīng)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(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)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)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(jī)械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：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24四、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(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可通過查表求得。無表可查時，按以下原則取：→零件尺寸大，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，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.5四、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