第九章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

第9章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論9-1

機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述9-2~9-4

機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則9-5

常用材料及其選擇9-6

極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)9-7

機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化基本要求:掌握零件常見的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則掌握許用應(yīng)力、安全系數(shù)的概念及確定方法了解零件的常用材料及性能機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論前言

例:機(jī)構(gòu)→齒輪機(jī)構(gòu)(三個(gè)構(gòu)件)齒輪1、齒輪2、機(jī)架3

軸、軸承、套筒等→軸系零件

構(gòu)件←零件→制造的單元齒輪→傳動(dòng)件

鍵→聯(lián)接件

12(構(gòu)件1)←小齒輪3(一)機(jī)械零件的簡介:最基本的通用零件機(jī)原研究對象→機(jī)構(gòu)←構(gòu)件→運(yùn)動(dòng)的單元機(jī)設(shè)研究對象機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論傳動(dòng)零件軸系零件聯(lián)接零件附件機(jī)架

機(jī)械零件→→一般尺寸參數(shù)的通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)總論→螺紋聯(lián)接→鍵聯(lián)接→齒輪傳動(dòng)→蝸桿傳動(dòng)→帶傳動(dòng)→鏈傳動(dòng)→軸→滑動(dòng)軸承→滾動(dòng)軸承→聯(lián)軸器與離合器繁雜（門類多、關(guān)系多、要求多、公式多、圖形多、表格多）(二)課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法研究對象:

講課順序:通用零件專用零件（機(jī)架、手柄、車輪......）分析處理問題的思路:特點(diǎn)：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論分析處理問題的思路：∵（任務(wù)）設(shè)計(jì)零件→*受力分析（*載荷及應(yīng)力分析←功用、*工作原理）↓*失效形式（*主要失效形式←分類）*計(jì)算準(zhǔn)則（公式建立的依據(jù)）↓

強(qiáng)度計(jì)算（*設(shè)計(jì)方法→先定主參數(shù)*←*許用應(yīng)力↓←材料）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尺寸及繪圖←結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)）①②③④⑤⑥⑦⑧↓∴(抓住)計(jì)算準(zhǔn)則∴學(xué)習(xí)貫穿一條線：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論9-1機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述一、機(jī)械零件分類二、機(jī)械零件設(shè)計(jì)基本要求三、機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程四、機(jī)械零件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論一、機(jī)械零件分類機(jī)器：機(jī)械、機(jī)構(gòu)的總稱構(gòu)件——運(yùn)動(dòng)的單元零件——制造的單元通用零件傳動(dòng)件：齒輪、蝸桿、帶、鏈聯(lián)接件：螺栓、鍵、花鍵支承件：軸、軸承機(jī)械零件專用零件：水輪機(jī)葉片、活塞、曲軸,飛機(jī)螺旋槳其它：聯(lián)軸器、彈簧、機(jī)架機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論二、機(jī)械零件設(shè)計(jì)基本要求1、滿足功能要求，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能2、工作可靠，在預(yù)定的工作期限內(nèi)不能失效3、經(jīng)濟(jì)性要求機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論三、機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程零件設(shè)計(jì)時(shí)的共性：過程：1、擬訂零件的設(shè)計(jì)簡圖2、確定載荷的大小及位置3、選擇材料4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計(jì)出零件的主要參數(shù)5、繪制零件工作圖工作原理、結(jié)構(gòu)、類型、應(yīng)用場合受力分析、失效形式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論四、機(jī)械零件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法理論設(shè)計(jì)(半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì))：類比設(shè)計(jì)：與已有的同類產(chǎn)品進(jìn)行比較來設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。這種方法在工程實(shí)際中用得較多，特點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間，較可靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)踐中歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏創(chuàng)新模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用于大型、復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件(或剛度)設(shè)計(jì)計(jì)算尺寸校核計(jì)算強(qiáng)度條件(或剛度)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論9-2~9-4機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則一、機(jī)械零件常見失效形式二、工作能力準(zhǔn)則三、強(qiáng)度準(zhǔn)則四、剛度準(zhǔn)則五、耐磨性準(zhǔn)則六、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則七、耐熱性準(zhǔn)則機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論一、機(jī)械零件常見失效形式失效：喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的性能，不僅僅指破壞常見主要失效形式有：斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點(diǎn)蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動(dòng)和噪聲、過熱等例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振強(qiáng)度問題剛度問題耐磨性問題Fn機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論二、工作能力準(zhǔn)則工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度這個(gè)限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為“承載能力”如：吊鉤最大起重量——50kN工作能力或承載能力——50kN工作能力準(zhǔn)則：衡量零件工作能力的指標(biāo)對零件設(shè)計(jì)，針對其主要失效形式選擇適合的工作能力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)具體有：強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則、耐熱性準(zhǔn)則50kN機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論三、強(qiáng)度準(zhǔn)則機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則強(qiáng)度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強(qiáng)度準(zhǔn)則：工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力 σ≤[σ]或τ≤[τ]針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零部件：軸、齒輪、帶輪等正應(yīng)力剪應(yīng)力機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論材料極限應(yīng)力一般在簡單應(yīng)力狀態(tài)下用實(shí)驗(yàn)方法測定,注意適用范圍許用應(yīng)力極限應(yīng)力安全系數(shù)(一)載荷及其分類

名義載荷－

載荷系數(shù)－

計(jì)算載荷－

名義應(yīng)力－

計(jì)算應(yīng)力－1.基本定義:(二)應(yīng)力及分類:(三)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算(四)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度2.載荷的分類:(按大小及方向是否變化)靜載荷變載荷機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷K（或KA）載荷：作用于零件上的力或力矩計(jì)算載荷=K×名義載荷KF,KT,KM載荷系數(shù)（二）應(yīng)力及分類靜應(yīng)力：不隨時(shí)間改變或變化緩慢的應(yīng)力變應(yīng)力：隨時(shí)間作周期性或非周期性變化的應(yīng)力穩(wěn)定變應(yīng)力（隨時(shí)間作周期性）不穩(wěn)定變應(yīng)力（非周期性循環(huán)變應(yīng)力）機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論穩(wěn)定變應(yīng)力：對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變應(yīng)力tstssminsmaxsm應(yīng)力參數(shù)以正應(yīng)力s為例最大應(yīng)力:

smax=sm+sa最小應(yīng)力:

smin應(yīng)力幅:

sa機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論平均應(yīng)力:

sm循環(huán)特征:rtssminsmaxsm1靜應(yīng)力應(yīng)力表達(dá)：

s+1（t+1）最大應(yīng)力:

smax最小應(yīng)力:

smin應(yīng)力幅:

sa平均應(yīng)力:

sm循環(huán)特征:r機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論tssm2脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力表達(dá)：

s0（t0）最大應(yīng)力:

smax最小應(yīng)力:

smin應(yīng)力幅:

sa平均應(yīng)力:

sm循環(huán)特征:r機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論smts3對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力表達(dá)：

s-1（t-1）最大應(yīng)力:

smax最小應(yīng)力:

smin應(yīng)力幅:

sa平均應(yīng)力:

sm循環(huán)特征:r機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論tstσtσtσtσ非對稱～對稱～γ=－1脈動(dòng)～γ=0靜～γ=+14極限應(yīng)力（1）靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力與材料性能有關(guān)脆性材料取強(qiáng)度極限sB(tB)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論塑性材料取屈服極限sS(tS)sBes玻璃鋼灰口鑄鐵esspsSsBABCDE（2）變應(yīng)力下的極限應(yīng)力疲勞極限：依據(jù)防疲勞斷裂的準(zhǔn)則確定材料經(jīng)過N0次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值sr(tr)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論各種材料的sr可從有關(guān)手冊中查取有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)（三）

機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算通式→σ≤σlim／ｓ=[σ]（正應(yīng)力）τ≤τlim／ｓ=[τ]（切應(yīng)力）關(guān)鍵:①σ的計(jì)算②[σ]的取值失效形式：許用應(yīng)力[σ]

塑性材料→過大的殘余變形(正確運(yùn)用材力有關(guān)公式)：②復(fù)合應(yīng)力：→材料力學(xué)基本強(qiáng)度理論1．靜應(yīng)力作用下的強(qiáng)度計(jì)算

脆性材料→斷裂σｓ/S－屈服極限σＢ/S－強(qiáng)度極限二．變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度計(jì)算

①簡單應(yīng)力:（單向應(yīng)力）→拉σ＝Ｆ／Ａ；彎σＦ＝Ｍ／Ｗ;剪τ＝Ｆ／Ａ;扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ計(jì)算應(yīng)力機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論（常用材料表9-1）2．變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度計(jì)算（P113~114）

（1）失效形式:

[σ]=σr/S

；[τ]=τr/S疲勞極限=?σr→τr（2）許用應(yīng)力:零件本身應(yīng)力集中(ｋσ有效應(yīng)力集中系數(shù)）絕對尺寸(εσ尺寸系數(shù))表面狀態(tài)(β表面狀態(tài)系數(shù))

Ｎ→（σ－Ｎ）疲勞曲線

→疲勞斷裂→與應(yīng)力性質(zhì)、大小、Ｎ有關(guān)）γ→σ-1、σ0、σ+1(應(yīng)力性質(zhì))①疲勞曲線②零件本身③許用應(yīng)力（3）計(jì)算應(yīng)力（4）安全系數(shù)（圖9-2p.114)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論Ｋσ、εσ、β→p.115公式(9-8)(9-9)（9-10）②零件本身:①疲勞曲線：當(dāng)N≥N0:σrN=σ-1

→當(dāng)σ＜σ-1→無限循環(huán)不破壞當(dāng)N＜N0:σNσ－1N0σrNNN0－循環(huán)基數(shù)σrN：對應(yīng)N的疲勞極限圖9-3p.114N↑→σrN↓σ－1:γ=－1的疲勞極限(N=N0)③許用應(yīng)力:對稱:γ=－1脈動(dòng):γ=0機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論（3）計(jì)算應(yīng)力:(σmax、σmin)

①簡單應(yīng)力→σ＝σmax；τ＝τmax

②復(fù)合應(yīng)力→材料力學(xué)基本強(qiáng)度理論（4）安全系數(shù):機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論①靜應(yīng)力

塑性材料：屈服極限為極限應(yīng)力，S=1.2~1.5

脆性材料：強(qiáng)度極限為極限應(yīng)力，S=3~4②交變應(yīng)力→疲勞極限作為極限應(yīng)力，S=1.3~1.7（材料不均勻時(shí)S=1.7~2.5）③部分系數(shù)法：S=S1×S2×S3

S1：考慮載荷、應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性（1~1.5)

S2：考慮材料力學(xué)性能的均勻性（鑄鐵:1.5~2.5,鋼:1.2~1.5）

S3：考慮零件的重要性（1~1.5)安全系數(shù)↑→許用應(yīng)力↓→結(jié)構(gòu)笨重安全系數(shù)↓→許用應(yīng)力↑→不夠安全1接觸應(yīng)力的產(chǎn)生——點(diǎn)或線接觸所產(chǎn)生的應(yīng)力（四）機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度接觸應(yīng)力局部應(yīng)力不同與擠壓應(yīng)力2接觸應(yīng)力的性質(zhì)（1）接觸應(yīng)力呈半橢圓形分布，接觸點(diǎn)處應(yīng)力最大機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論赫茲公式P119（9-14）（2）兩物體上應(yīng)力大小相等3接觸應(yīng)力的計(jì)算公式影響接觸應(yīng)力的因素：曲率半徑材料接觸線長度機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論四、剛度準(zhǔn)則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準(zhǔn)則：實(shí)際變形量≤許用變形量彎曲剛度：撓度條件：y≤[y]傾角條件：θ≤[θ]扭曲剛度：扭角條件：j≤[j]針對失效形式：過大的彈性變形典型零部件：軸、蝸桿等機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論五、耐磨性準(zhǔn)則耐磨性：零件抗磨損的能力磨損是相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動(dòng)速度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)等具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損耐磨性準(zhǔn)則：

P高速時(shí)，應(yīng)滿足針對失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)