第三章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論(2012修改)

第三章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論§3-1設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求

1）工作可靠（不失效）；3）便于制造、裝配2）經(jīng)濟(jì)性要好；4）質(zhì)量小，符合標(biāo)準(zhǔn)1.日本防衛(wèi)省航空幕僚監(jiān)部21日透露，航空自衛(wèi)隊(duì)三澤基地所屬F-2支援戰(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)行飛行訓(xùn)練時(shí)，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(guó)共計(jì)75架航空自衛(wèi)隊(duì)的F-2戰(zhàn)斗機(jī)均被停飛接受檢查。2.3.TJPU§3-2機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力一、載荷的分類(lèi)靜載荷：變載荷：1）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化）

2）隨機(jī)（變）載荷——載荷的頻率和幅值均隨機(jī)變化TJPUTJPU名義載荷----根據(jù)原動(dòng)機(jī)或工作機(jī)的額定功率計(jì)算出的作用在機(jī)械零件上的載荷。載荷系數(shù)----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。載荷還分為：1）名義載荷；2）計(jì)算載荷。

計(jì)算載荷=載荷系數(shù)×名義載荷TJPU1靜應(yīng)力和變應(yīng)力變應(yīng)力

穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力——T、、均不變非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力——

靜應(yīng)力二.應(yīng)力種類(lèi)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的的5個(gè)基本參數(shù)和種類(lèi)：0t

min

maxmTJPU0t

a=maxmin

對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力不對(duì)稱循環(huán)（-1<r<+1r≠0）TJPU2名義應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力機(jī)械零件的尺寸取決于危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力。靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。例:

軸

軸承

TJPU非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力§3-3

機(jī)械零件的常見(jiàn)失效和計(jì)算準(zhǔn)則一機(jī)械零件的常見(jiàn)失效（failure)靜強(qiáng)度不夠造成斷裂疲勞斷裂2.塑性變形3.斷裂1.過(guò)大的彈性變形例如：天車(chē)，車(chē)床主軸。由于彈性變形較小,且可逆,一般危害不大,扳手.脆性斷裂危害極大TJPU4.表面失效5.破壞正常工作條件引起的失效例：滑動(dòng)軸承：油膜破壞帶傳動(dòng)：打滑

6.共振（高速軸）同一零件可能有不同的失效形式，如軸的失效形式可能為：斷裂，共振，彈性變形過(guò)大等磨損膠合腐蝕TJPU二機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則為保證機(jī)械零件不發(fā)生失效，完成其規(guī)定的功能，機(jī)械零件要有足夠的工作能力。為使機(jī)械零件具有足夠的工作能力，避免失效，要采取各種有效措施，包括理論計(jì)算，計(jì)算所依據(jù)的條件稱為計(jì)算準(zhǔn)則。1、強(qiáng)度準(zhǔn)則靜應(yīng)力下:一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)<103（104）可按靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算。TJPU單向應(yīng)力狀態(tài)：或復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：按強(qiáng)度理論計(jì)算.見(jiàn)材料力學(xué)TJPU變應(yīng)力下：材料的疲勞特性曲線：σmaxN≤103時(shí)按靜強(qiáng)度計(jì)算NN0104103低周疲勞高周疲勞無(wú)限壽命區(qū)有限壽命區(qū)σr疲勞破壞的特征TJPU

持久疲勞極限r(nóng)：對(duì)應(yīng)于循環(huán)基數(shù)N0時(shí)的疲勞極限

有限壽命區(qū)

無(wú)限壽命區(qū)N≥N0

疲勞特性TJPU影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素：零件對(duì)稱循環(huán)扭切疲勞極限為：1）應(yīng)力集中的影響----有效應(yīng)力集中系數(shù)2）零件尺寸的影響----尺寸系數(shù)3）表面質(zhì)量狀態(tài)的影響----表面質(zhì)量系數(shù)見(jiàn)教材附錄TJPU應(yīng)力集中TJPU用安全系數(shù)表示對(duì)稱循環(huán)下彎曲疲勞強(qiáng)度條件：其他情況下的強(qiáng)度條件式參見(jiàn)教材或手冊(cè)持久疲勞極限計(jì)算應(yīng)力TJPU接觸應(yīng)力下:

高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸→實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度.

計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲（Hertz）公式。TJPUB

F

F

b

接觸應(yīng)力下的失效：靜應(yīng)力：表面壓碎表面塑性變形變應(yīng)力：疲勞點(diǎn)蝕強(qiáng)度條件：TJPUTJPU安全系數(shù)S：考慮載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性、材料機(jī)械性能的可靠性、計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和零件的重要程度等。s過(guò)大零件笨重，過(guò)小不安全。安全系數(shù)的確定：（1）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；（2）經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）部分系數(shù)法：s=s1s2s3

考慮載荷的準(zhǔn)確性考慮材料的可靠性考慮零件的重要程度TJPUy2）扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)角TT'TJPU2、剛度準(zhǔn)則

1）彎曲剛度撓度偏轉(zhuǎn)角3、耐熱性準(zhǔn)則：軸承等工作溫度不要超過(guò)許用值.4、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：防止共振振幅A頻率f0.85ff1.15f激振頻率fp<0.85f

（固有頻率）或fp>1.15f

TJPU5、壽命準(zhǔn)則：腐蝕、磨損和疲勞。腐蝕、磨損目前尚無(wú)可靠的計(jì)算方法疲勞壽命可以計(jì)算TJPU6、可靠性準(zhǔn)則0tIIIIII失效率曲線可靠性--產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計(jì)需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？煽啃栽O(shè)計(jì)有專(zhuān)著美國(guó)適航審定標(biāo)準(zhǔn)中專(zhuān)門(mén)規(guī)定了運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，10的7次方分之一的事故率，TJPU7、精度準(zhǔn)則(保證機(jī)器運(yùn)動(dòng)精度等)

精度設(shè)計(jì)有專(zhuān)著。試分析車(chē)床主軸的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性。TJPU一、常用的機(jī)械零件材料二、機(jī)械零件材料選用的原則要考慮三個(gè)方面的要求1、使用要求（首要考慮）：

1）零件的受載和工況；2）對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限制；3）零件的重要程度。2、工藝要求：

1）毛坯制造；2）機(jī)械加工；3）熱處理。3、經(jīng)濟(jì)性要求：

1）材料價(jià)格；2）加工批量和加工費(fèi)用；3）材料的利用率；4）局部品質(zhì)原則;5）替代（盡量用廉價(jià)材料來(lái)代替價(jià)格相對(duì)昂貴的稀有材料）；6）供應(yīng)情況?！?-4機(jī)械零件常用的材料及其選擇原則耐酸、耐高溫?zé)o切削等TJPU§3-5提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施：1.減小應(yīng)力集中；2.提高機(jī)械零件表面加工質(zhì)量；3.采用能提高疲勞強(qiáng)度的熱處理和強(qiáng)化方法。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(qiáng)度和殘余壓應(yīng)力）TJPU§3-6

機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化（便于加工和裝配，有利于保證零件質(zhì)量）機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性

便于加工和裝配，有利于保證零件質(zhì)量。

有人說(shuō)：機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)包括理論分析、模型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制圖；由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的錯(cuò)誤占機(jī)械設(shè)計(jì)錯(cuò)誤中較大比例。涉及到：鑄造、鍛造、沖壓、切削、熱處理和裝配等。（查閱有關(guān)資料）TJPU2.機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化：在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會(huì)實(shí)踐中，對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題或潛在問(wèn)題（重復(fù)性事物和概念）通過(guò)制定、發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會(huì)效益。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB（強(qiáng)制）

GB/T(推薦）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如JB/T10475-2004垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備（本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的型式、基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容）

地方標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三化：零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化、機(jī)器系列化

TJPU§3-7

機(jī)械設(shè)計(jì)工具書(shū)的使用TJPU《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》(徐灝主編)

全5冊(cè)化工出版社出版《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版上下冊(cè)《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè)》

《機(jī)械設(shè)計(jì)師實(shí)用手冊(cè)》TJPU傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（一）理論設(shè)計(jì)（二）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)類(lèi)比法或應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式等（三）模型實(shí)驗(yàn)（初定尺寸，制作模型或小尺寸樣機(jī)，評(píng)估，修改完善。）

設(shè)計(jì)計(jì)算校核計(jì)算§3-8機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法的新發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）

ComputerAidedDesignTJPU有限元法隨著高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及和數(shù)值分析在工程中的作用日益增長(zhǎng)而發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)用有效的數(shù)值方法?；舅悸罚簩⑦B續(xù)介質(zhì)離散成小塊（單元），僅在有限個(gè)指定點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）連接。軟件：ANSYS等。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法TJPU2.最優(yōu)化設(shè)計(jì)一般工程設(shè)計(jì)問(wèn)題都存在著許多可能的方案，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇較好的方案，即優(yōu)化。最優(yōu)化設(shè)計(jì)是在高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(xué)模型；采用適當(dāng)方法優(yōu)化。軟件：matlab等。TJPU可靠性設(shè)計(jì)（機(jī)械概率設(shè)計(jì)）是可靠性工程的主要內(nèi)容之一。在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中，將載荷、材料性能與強(qiáng)度即零部件的尺寸，均視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量，應(yīng)用概率和統(tǒng)計(jì)理論及強(qiáng)度理論，求出在給定設(shè)計(jì)條件下零部件不產(chǎn)生破壞的概率公式。應(yīng)用這些公式，可以求出給定可靠度條件下零件的尺寸。可靠性分配：它將系統(tǒng)規(guī)定的容許失效概率合理地分配給該系統(tǒng)的零件。還有并行設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)、網(wǎng)上設(shè)計(jì)等、穩(wěn)健設(shè)計(jì)等。TJPU機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟

使用要求選擇