機械零件設(shè)計概論

機械零件設(shè)計概論第9章機械零件設(shè)計概論9.1機械零件設(shè)計概述一.機械設(shè)計的要求：1）在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低。2）在預(yù)定使用期限內(nèi)，安全可靠、操作方便。3）方便維修、外觀造型美觀。4）與時俱進，要有實時性。不同的機械類型要求內(nèi)容：功能要求：滿足運動、傳力、工藝動作、零部件工作可靠等。工藝性要求：結(jié)構(gòu)簡單、實用?？紤]毛坯制造、機械加工、裝配、維修、材料等，盡可能選用標準。經(jīng)濟性要求：綜合指標，貫穿于設(shè)計、運行維修等全過程。其他要求：美觀、勞動保護、操作方便、運輸……。二.幾個基本概念內(nèi)力：物體受外力而變形，其內(nèi)部各部分之間因相互位置的改變而引起的相互作用。應(yīng)力：在物體截面內(nèi)一點的應(yīng)力p為該點內(nèi)力的合力ΔF與該點微小面積ΔS的比的極限值：應(yīng)力按方向分正應(yīng)力和剪應(yīng)力。失效：機械零件在限定的期間內(nèi)，在規(guī)定條件下，不能完成正常的功能。如斷裂、變形太大等。工作能力（承載能力）：機械零件抵抗失效的能力?；驒C械零件在預(yù)定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度。含時間和載荷兩個要素。三.失效形式：1）斷裂、塑性變形；2）過大的彈性變形；3）磨損或損傷4）松弛、摩擦傳動的打滑和強烈振動等。（1）整體斷裂零件在載荷作用下，危險剖面上的應(yīng)力大于材料的極限應(yīng)力而引起的斷裂。如螺栓破斷、齒輪斷齒、斷軸等。

—靜強度斷裂、疲勞斷裂。（2）表面破壞發(fā)生在零件工作表面上。常見形式：壓潰、磨損、表面疲勞、膠合、腐蝕等?！茐谋砻婢取⒏淖儽砻嫘蚊?、摩擦、能耗增大。（3）

變形量過大—彈性變形、剛度不足。—塑性變形。（4）功能失效

不能完成預(yù)定功能。

帶傳動打滑、螺栓聯(lián)接松動、高速轉(zhuǎn)子共振等。注意：一個零件可能同時存在多種失效形式。如齒輪，可能出現(xiàn)斷裂、磨損、表面疲勞點蝕、膠合、塑性變形等。

對于一具體零件，應(yīng)根據(jù)其主要失效形式，采用相應(yīng)的設(shè)計準則，計算結(jié)構(gòu)尺寸，然后對其他失效形式進行校核。

——機械設(shè)計的工作在兩個方面：設(shè)計、校核。失效的原因：強度低、剛性差、不耐磨、溫度影響、化學(xué)變化以及設(shè)計不合理等。四.零件工作能力的計算準則判定條件：計算校核量≤許用量1.強度準則

實際應(yīng)力（計算應(yīng)力）≤[許用應(yīng)力]：σ≤[σ]2.剛度準則

變形≤[許用變形]：y≤[y]，θ≤[θ]，ψ≤[ψ]3.壽命準則：T

≥[T許]4.耐磨性準則：5.振動穩(wěn)定性準則

激振頻率fp＜0.87f（固有頻率），或fp＞1.18f6.可靠性準則

可靠度應(yīng)大于許用值五.機械零件的設(shè)計步驟擬定機械部件總圖擬定零件圖擬定零件計算簡圖選擇合適材料確定作用載荷滿足工作能力?NY確定零件尺寸的取值范圍和選材范圍范圍設(shè)計步驟(1)擬定零件的計算簡圖。選擇零件類型、簡化；

(2)受力分析。確定作用在零件上的載荷；

(3)選擇材料。確定許用應(yīng)力（許用應(yīng)力查手冊）；

(4)確定設(shè)計準則。失效分析→確定計算準則。

(5)理論設(shè)計計算。按設(shè)計準則公式，確定零件主要幾何尺寸。如螺栓小徑、齒輪齒數(shù)、模數(shù)等。

(6)結(jié)構(gòu)設(shè)計。除主要尺寸的其余結(jié)構(gòu)尺寸，必須考慮功能要求，加工或裝配工藝要求，減小應(yīng)力集中，尺寸小，重量輕等原則。

(7)繪制零件工作圖。尺寸、公差配合、表面粗糙度及技術(shù)條件等。

(8)編寫設(shè)計計算說明書?？煽啃杂嬎氵^程載荷分布及分布參數(shù)幾何尺寸分布及分布參數(shù)材料機械性能及分布參數(shù)應(yīng)力分析強度分析應(yīng)力分布參數(shù)強度分布參數(shù)可靠性計算滿足要求?NY重定尺寸和材料性能9.2機械零件的強度9.2.1強度準則零件危險截面處的應(yīng)力必須小于或等于材料的許用應(yīng)力。即σ≤[σ]或τ≤[τ]，其中：σ，τ——計算正應(yīng)力、剪切力。[σ]，[τ]——許用正應(yīng)力、剪切力。名義載荷：在理想的工作條件下（平穩(wěn)），零件上承受的載荷。名義應(yīng)力計算載荷：實際工作條件非常復(fù)雜，零件會承受難以計算的附加載荷，通常引入載荷系數(shù)K（或工作情況系數(shù)KA）來考慮對載荷的影響，K>1。K與名義載荷的乘積——計算載荷。計算應(yīng)力相應(yīng)地，有名義應(yīng)力、計算應(yīng)力。

式中，[σ]、[τ]——材料的許用應(yīng)力。

[σ]=σlim/S，[τ]=τlim/S

σlim——材料的極限正應(yīng)力；

τlim——材料的極限剪切應(yīng)力。S——安全系數(shù)。注意：材料的極限應(yīng)力是在簡單應(yīng)力狀態(tài)下測得的，對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作的零件的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)材料力學(xué)中所述強度理論進行。許用應(yīng)力取決于材料的極限應(yīng)力、安全系數(shù)。σe——彈性極限。σs——屈服極限。σb——強度極限。應(yīng)變:ε=Δl/lσ—應(yīng)力ε—應(yīng)變σbσeσs應(yīng)力應(yīng)變圖9.2.2應(yīng)力的類型一.基本概念靜應(yīng)力：不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力。例螺栓擰緊應(yīng)力、吊鉤應(yīng)力。變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力。

具有周期變化特性的變應(yīng)力——循環(huán)變應(yīng)力。靜應(yīng)力變應(yīng)力平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：循環(huán)特性：a.當(dāng)時，r=－1，稱為對稱循環(huán)變應(yīng)力。有：b.當(dāng)時，r=0，稱為脈動循環(huán)變應(yīng)力。有：靜應(yīng)力時：二.靜應(yīng)力作用下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力作用下零件材料的失效形式：斷裂、塑性變形。許用應(yīng)力：極限應(yīng)力：

常用金屬材料的牌號及力學(xué)性能（p123）塑性材料——屈服極限脆性材料——強度極限布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定關(guān)系：σb＝(0.3~0.4)HB，或σb＝K×HB，K為系數(shù)，例如對于低碳鋼有K≈0.36，對于高碳鋼有K≈0.34，對于調(diào)質(zhì)合金鋼有K≈0.325；HRC≈0.1HB

三.變應(yīng)力作用下的許用應(yīng)力失效形式（疲勞斷裂的形式）疲勞斷裂——在變應(yīng)力的反復(fù)作用下，材料或零件發(fā)生的破壞。特征

1.承受的應(yīng)力遠低于強度極限。σmax＜σb(σs)。

2.損傷積累，微裂紋的不斷擴展與連接。3.無明顯塑性變形，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后突然斷裂。4.斷口形貌有兩個區(qū)：疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞斷口疲勞斷口示意疲勞曲線：表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系。在給定的循環(huán)特性r的條件下，以最大應(yīng)力σmax為縱坐標，以達到疲勞破壞時的應(yīng)力循環(huán)數(shù)N為橫坐標，根據(jù)試驗結(jié)果繪制的曲線。疲勞試驗簡介：材料、試樣、循環(huán)特性、疲勞試驗機。疲勞曲線分析：

σ↑,N↓,反之σ↓,N↑。當(dāng)σ低于一定值時，曲線平行于N軸。即循環(huán)次數(shù)為為無限長，即材料不會發(fā)生破壞。

對應(yīng)的點為（N0，σr）。

N0——循環(huán)基數(shù)，一般N0取107。σr——對應(yīng)r循環(huán)特性的疲勞極限。該點的左邊——有限壽命區(qū)；該點的右邊——無限壽命區(qū)。有限壽命區(qū)疲勞曲線的描述（N<N0）σ-1——對應(yīng)于循環(huán)次數(shù)N的疲勞極限

m——隨應(yīng)力狀態(tài)不同的冪指數(shù)四.許用應(yīng)力

疲勞極限應(yīng)力：σlim=σ-1（或σr—無限壽命設(shè)計）（鋼制零件受彎）變應(yīng)力作用下的許用應(yīng)力的確定比較復(fù)雜，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時必須考慮應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀況等的影響。常引入有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ，尺寸系數(shù)εσ，表面狀態(tài)系數(shù)β。[σ-1]=εσβσ-1/KσSS——安全系數(shù);σ-1——r循環(huán)特性下對應(yīng)壽命N的疲勞極限。εσ，β，Kσ可以在機械設(shè)計手冊或教科書中查到。疲勞極限的經(jīng)驗公式五.安全系數(shù)安全系數(shù)的確定對零件尺寸的大小有影響。取得大，零件結(jié)構(gòu)尺寸大，取得小，又不安全。影響安全系數(shù)的因素:載荷和應(yīng)力計算的準確性，材料的均勻性或數(shù)據(jù)可靠性，零件的重要性等。在選取安全系數(shù)時，一般用查表法、部分系數(shù)法。若無專門安全系數(shù)表格，參考下列原則:靜應(yīng)力：塑性材料：S=1.2~1.5，塑性較差：S=1.5~2.5。脆性材料：S較大，例高強鋼，鑄鐵：S=3~4。變應(yīng)力：S=1.3~1.7，當(dāng)材料不夠均勻，S=1.7~2.5部分系數(shù)法:S=S1S2S3

S1——載荷和應(yīng)力計算準確性系數(shù)，S1=1~1.5；

S2——材料均勻性系數(shù)，對于鍛造、軋制鋼零件，S2=1.2~1.5，對于鑄鐵零件，S2=1.5~2.5；

S3——零件重要性系數(shù)，S3=1~1.5。例9-1，9-2，9-3見教材9.3機械零件的接觸強度整體強度與接觸強度的特點整體強度：零件受載在很大體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，例齒根彎曲，軸拉伸。接觸強度：兩個零件點、線接觸，受載后小面積接觸，局部應(yīng)力很大，此應(yīng)力稱接觸應(yīng)力。此時的零件強度稱為接觸強度。例如齒面、滾動軸承、輪與輪軌等。接觸破壞形式靜應(yīng)力作用：表面壓潰，如鍵，鍵槽。

變應(yīng)力作用：接觸疲勞，疲勞點蝕。接觸應(yīng)力的計算:Hertz公式最大接觸應(yīng)力:疲勞點蝕現(xiàn)象接觸應(yīng)力計算圖發(fā)生疲勞點蝕后，減少了接觸面積，降低了承載能力引起振動和噪聲軸承內(nèi)圈軸承滾珠接觸強度準則若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準例9-4見教材p－1209.4機械零件的耐磨性磨損：運動副中摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。耐磨性：零件抗磨損的能力。磨損的危害：改變零件尺寸和摩擦副表面狀態(tài)。導(dǎo)致機械精度降低、發(fā)熱和噪聲。機械零件磨損的三個階段：跑合作用圖

磨損過程中的磨損量和磨損率

a）磨損過程

b）磨損率磨損的類型磨損現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，涉及物理、化學(xué)、機械等多方面因素。磨損還可按摩擦副相對運動的要素和類型進行分類:１.磨粒磨損

硬質(zhì)顆粒，雜質(zhì)，材料凸峰脫落。2.粘著磨損（膠合）

粗糙度→部分尖峰接觸→塑性流動→粘著→材料轉(zhuǎn)移。

（輕微磨損→涂抹→劃傷→撕脫→咬死）3.接觸疲勞磨損（點蝕）4.腐蝕磨損

在摩擦過程中，表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)→腐蝕物→剝落→磨損。5.復(fù)合磨損磨損可按摩擦副相對運動的要素和類型進行分類耐磨性計算目前尚無簡單的理論計算公式1.驗算壓強

2.相對滑動速度較大時，必須防止溫升過高。

現(xiàn)在任何一個技術(shù)領(lǐng)域,都是越來越多地利用計算機或與計算機技術(shù)相結(jié)合。研究一個領(lǐng)域的發(fā)展,是要研究其現(xiàn)在和過去差異的特殊性,而不能滿足于把共同的趨勢來代替各個領(lǐng)域特點的研究。實際上,如果一味到計算機中去尋求解決現(xiàn)代設(shè)計中問題的方法,結(jié)果就會形成一種誤導(dǎo)。——謝友柏院士9.5機械零件常用材料及選擇金屬材料：鑄鐵、鋼、銅合金、鋁合金等。特點及應(yīng)用。非金屬材料：橡膠、塑料。材料的選擇原則：1.使用原則

滿足使用要求?？紤]零件工作狀況、受載情況、零件重要性、對零件尺寸和重量的限制等。2.工藝性原則

選用冷、熱加工性能好的材料。

例如：箱體，采用鑄件還是焊接件？取決于批量大小。鑄件→流動性好，焊接件→可焊性好。輪子，毛坯采用鑄件、鍛件還是焊接件？取決于尺寸大小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及生產(chǎn)批量大小。單件、小批量→焊接件；尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、批量大→模鍛；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大批量→鑄件。3.經(jīng)濟性要求

在滿足上述兩方面要求的情況下，盡可能選擇價格低廉的材料。9.6公差與配合、表面粗糙度及優(yōu)先數(shù)系一.公差與配合按國家標準：批量生產(chǎn)→互換性加工必然存在誤差，為了實現(xiàn)互換性→公差、配合國家標準（GB1800~1803-79、GB/T1804-92）孔與軸的公差與配合尺寸標注（基本尺寸，上、下偏差，極限尺寸，公差帶）配合：同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合。配合種類：間隙、過渡、過盈配合制度：基孔制，下偏差為零。配合特性靠改變軸的公差帶實現(xiàn)。

基軸制，上偏差為零。配合特性靠改變孔的公差帶實現(xiàn)。

一般設(shè)計時，廣泛采用基孔制?；S制二.表面粗糙度(老標準稱為光潔度)表面粗糙度零件表面的微觀幾何形狀誤差。產(chǎn)生原因：加工后零件表面留下的微細且凸凹不平的刀痕。評定參數(shù)之一：輪廓算術(shù)平均偏差Ra，指在零件表面取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值。9.7機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性及標準化一.結(jié)構(gòu)工藝性在一定生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費的勞動量最小，加工、裝配及維修費用最少。就認為這樣的零件具有好的工藝性。1.毛坯選擇合理。

2.結(jié)構(gòu)簡單合理。

3.適合進行熱處理。

4.零件結(jié)構(gòu)應(yīng)保證加工的可能性，方便性和精確性。

5.零件結(jié)構(gòu)應(yīng)保證裝拆的可能性和方便性