第十章 機械零件設(shè)計基礎(chǔ)

第十章機械零件設(shè)計基礎(chǔ)第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日§10-1機械設(shè)計中的強度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)§10-2機械設(shè)計中的摩擦、磨損和潤滑§10-3機械設(shè)計中的基本要求和一般程序§10-4機械零件的工作能力和計算準則第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日§10-1機械設(shè)計中的強度、許用應(yīng)力和安全系數(shù)一、機械設(shè)計中的載荷和應(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間變化的載荷變載荷—大小或方向隨時間變化的載荷靜應(yīng)力—大小和方向均不隨時間變化（或變化極緩慢）的應(yīng)力變應(yīng)力—大小和方向，或大小或方向隨時變化的應(yīng)力

（二）應(yīng)力

機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求很多，但強度要求是所有零件都必須滿足的首要條件，而強度計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，共三十五頁，2022年，8月28日

工作載荷機器正常工作時所承受的實際載荷（實測載荷譜）考慮各種附加載荷的影響K——載荷系數(shù)計算載荷名義載荷按原動機功率求得的載荷P——功率n——機器轉(zhuǎn)速靜應(yīng)力應(yīng)力不隨時間而變化{穩(wěn)定循環(huán)T、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅等不隨時間變化不穩(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)力隨時間而變化隨機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)部和外部附加動載荷而引入的系數(shù)）第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日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，共三十五頁，2022年，8月28日應(yīng)力類型a）靜應(yīng)力：γ=+1變應(yīng)力特例b）非對稱循環(huán)變應(yīng)力γ在（+1～-1）間變化σmaxσmσminσaσatσσtσ=常數(shù)c）對稱循環(huán)變應(yīng)力γ=-1σtσaσmaxσmind）脈動循環(huán)變應(yīng)力γ=0σtσaσaσmaxσm一）載荷和應(yīng)力的類型第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、機械零件的失效形式及強度條件式靜應(yīng)力作用下——過載斷裂、塑性變形二）零件強度條件式：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的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有影響，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)零件的重要性、零件材料的質(zhì)量、栽荷計算準確性等方面，合理選取，具體數(shù)值可參考設(shè)計資料。材料的許用應(yīng)力第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日(1)零件損壞機理靜應(yīng)力作用下：危險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、絕對尺寸、表面狀態(tài)三)零件疲勞損壞機理由于80%的零件產(chǎn)生疲勞破壞，所以先討論零件疲勞損傷機理第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日三．機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，其橫坐標為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標為疲勞極限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，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：機械零件的疲勞大多發(fā)生在s－N曲線D點以前，可用下式描述：第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日有限壽命區(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，共三十五頁，2022年，8月28日二）極限應(yīng)力線圖（等壽命疲勞曲線）機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。該曲線表達了不同應(yīng)力比時疲勞極限的特性。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)力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?jīng)Q定：對于碳鋼，ψσ≈0.1~0.2，對于合金鋼，ψσ≈0.2~0.3。

極限應(yīng)力線圖材料的疲勞特性第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日不同應(yīng)力循環(huán)特征

r

時的疲勞極限材料的極限應(yīng)力簡圖已知材料的機械性能可作簡圖折線ADG上任一點，表示在不同r時的疲勞極限對于n點(工作應(yīng)力為和)應(yīng)力循環(huán)特征：對應(yīng)的疲勞極限：等效系數(shù)第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日零件的極限應(yīng)力圖還應(yīng)考慮應(yīng)力集中、絕對尺寸、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)來考慮絕對尺寸：剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低用絕對尺寸系數(shù)來考慮表面狀態(tài)：表面光滑或強化處理、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，共三十五頁，2022年，8月28日機械零件的疲勞強度計算1四.機械零件的疲勞強度計算一）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)表示材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1與零件對稱循環(huán)彎曲疲勞極限σ-1e的比值，即在不對稱循環(huán)時，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，故不須進行修正。這樣就得到了零件的極限應(yīng)力線圖。

第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日機械零件的疲勞強度計算2二）單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算進行零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應(yīng)力σm與應(yīng)力幅σa，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標中標示出相應(yīng)工作應(yīng)力點M或N。根據(jù)零件工作時所受的約束來確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點來表示極限應(yīng)力。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)力曲線上的某一個點所代表的應(yīng)力。計算安全系數(shù)及疲勞強度條件為：

第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日在（Kσ）Ｄ，（Ｋι）Ｄ修正極限應(yīng)力圖上OG線將圖形分為兩個區(qū)域當工作應(yīng)力點落在△OAG內(nèi)線OG對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)特性r為當工作應(yīng)力點落在△OGC內(nèi)零件產(chǎn)生疲勞破壞零件產(chǎn)生塑性變形當零件由中低碳鋼制造（塑性材料）第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日單向應(yīng)力狀態(tài)下（當ｒ＝常數(shù)時）機械零件的疲勞強度計算對于塑性材料即時即時以上正應(yīng)力公式，用替代則對剪應(yīng)力同樣適用當應(yīng)力在疲勞破壞區(qū)當應(yīng)力在靜強度區(qū)第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日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，共三十五頁，2022年，8月28日解：

(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，共三十五頁，2022年，8月28日4四）雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力σa和τa時，經(jīng)過實驗可得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：式中τa′及σa′為同時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點表示，則由于此工作應(yīng)力點在極限以內(nèi)，未達到極限條件，因而是安全的。由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€AM'B上任何一個點即代表一對極限應(yīng)力σa′及τa′。計算安全系數(shù)：第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日其中計算安全系數(shù)：第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日§10-2機械設(shè)計中的摩擦、磨損和潤滑一、機械中的摩擦１、干摩擦：表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦，摩擦系數(shù)一般大于0.1２、邊界摩擦：表面間被極薄的潤滑膜所隔開，且摩擦性質(zhì)與潤滑劑的粘度無關(guān)而取決于兩表面的特性和潤滑油油性的摩擦，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0.001～0.008第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日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)時的摩擦二、機械中的磨損

１、磨損的定義：由于表面的相對運動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，共三十五頁，2022年，8月28日

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)力作用到達一定程度時，就會在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展與相互連接，會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，共三十五頁，2022年，8月28日(1)正確選用材料

(2)進行有效的潤滑

(3)采用適當?shù)谋砻嫣幚?/p>

(4)改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，共三十五頁，2022年，8月28日

潤滑起著十分重要的作用，可歸納為如下幾點：

(1)降低機器的摩擦功耗，節(jié)約能源；

(2)減少或防止機器摩擦副零件的磨損；

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

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

(5)潤滑能起緩沖和吸振作用。利用潤滑膜的彈性和阻尼作用；

(6)起密封防塵的作用。三、機械中的潤滑

第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日§10-3機械設(shè)計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．機械設(shè)計的基本要求1．實現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；2．經(jīng)濟性好：設(shè)計和制造周期短、成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低,維護管理費用少；3．操作方便，運行安全；4．標準化、系列化程度高：以便簡化設(shè)計工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、機械設(shè)計的一般程序設(shè)計過程一般可以分為四個階段可行性設(shè)計階段認識需要技術(shù)任務(wù)書可行性研究初步設(shè)計階段方案構(gòu)思方案評價參數(shù)定量及優(yōu)化詳細設(shè)計階段總體設(shè)計零、部件設(shè)計改進設(shè)計階段樣機試制與試驗綜合評價生產(chǎn)設(shè)計小批量生產(chǎn)產(chǎn)品定型第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日§10-4機械零件的工作能力和計算準則一）機械零件的工作能力零件的工作能力

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是指在一定的運動、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)力超過材料的強度極限σB引起1．斷裂壓潰、過度磨損——零件接觸表面上的壓應(yīng)力p過大失效——機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，共三十五頁，2022年，8月28日計算準則—用于計算并確定零件基本尺寸的主要依據(jù)。對于具體的零件，應(yīng)根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應(yīng)的計算準則。常用的計算準則有：三）機械零件的計算準則1．強度準則性

—針對零件斷裂、塑性變形或表面疲勞損壞失效強度—指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強度是保證零件工作能力的最基本要求。若零件的強度不夠，不僅因為零件的失效使機械不能正常工作，還可能導(dǎo)致安全事故。強度的計算準則為：σ≤[σ]MPa

或τ≤[τ]針對斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對表面疲勞損壞第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日2．剛度準則

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

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

防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日4．振動和噪聲準則

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針對高速機械的振動失穩(wěn)（即共振）當零件的固有振動頻率f等于或趨近于零件的強迫振動頻率fp時，將產(chǎn)生共振。