第三章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論(2012修改)

1、 第三章第三章 機(jī)械零件機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論設(shè)計(jì)概論 3-1 3-1 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求機(jī)械零件的基本要求 1）工作可靠（不失效）；）工作可靠（不失效）； 3）便于制造、裝配）便于制造、裝配 2）經(jīng)濟(jì)性要好；）經(jīng)濟(jì)性要好； 4）質(zhì)量小，符合標(biāo)準(zhǔn)）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.TJPU3-2 3-2 機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力機(jī)械零件的載荷和應(yīng)力一、載荷的分類一、載荷的分類靜載荷：靜載荷： 變載荷：變載荷

2、：1）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化） 2）隨機(jī)（變）載荷）隨機(jī)（變）載荷載荷的頻率和載荷的頻率和幅值均隨機(jī)變化幅值均隨機(jī)變化TJPUTJPU名義載荷名義載荷-根據(jù)原動機(jī)或工作機(jī)的額定功率計(jì)算出的根據(jù)原動機(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。作用在機(jī)械零件上的載荷。載荷系數(shù)載荷系數(shù)-考慮載荷不均勻、載荷在零件上分布的不考慮載荷不均勻、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。均勻性及其他影響零件受載的因素。載荷還分為：載荷還分為：1）名義載荷；）名義載荷；2）計(jì)算載荷。）計(jì)算載荷。 計(jì)算載荷計(jì)算載荷=載荷系數(shù)載荷系數(shù)名義載荷名義載荷TJPU1 1 靜

3、應(yīng)力和變應(yīng)力靜應(yīng)力和變應(yīng)力 變應(yīng)力變應(yīng)力 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力T、 、 均不變均不變 非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 二二. 應(yīng)力種類應(yīng)力種類am穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的的的5個(gè)基本參數(shù)個(gè)基本參數(shù)和種類和種類：2)(minmaxminmaxmax mamam平平均均應(yīng)應(yīng)力力最最小小應(yīng)應(yīng)力力最最大大應(yīng)應(yīng)力力0t min max mmaxminminmax2 ra循循環(huán)環(huán)特特性性應(yīng)應(yīng)力力幅幅TJPU0t a= max min 10minmax ram 00minmaxram 對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動脈動循環(huán)變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力 不對稱循環(huán)不對稱循環(huán) （-1r+1

4、 r0-1r+1 r0）TJPU2 名義應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力名義應(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。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)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)生生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。例例: 軸軸 軸承軸承 TJPU非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力3-33-3 機(jī)械零件的常見失效和計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的常見失效和計(jì)算準(zhǔn)則一一 機(jī)械零件的常見失效（機(jī)械零件的常見失效（failure) 靜強(qiáng)度不夠造成斷裂靜強(qiáng)度不夠造成斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂2. 塑性變形塑性變形3. 斷裂斷裂1.過大的彈性變形過大的彈性變形

5、例如：例如： 天車，車床主軸。天車，車床主軸。 由于彈性變形較小由于彈性變形較小,且可逆且可逆,一般危害不大一般危害不大,扳手扳手.脆性斷裂危害極大脆性斷裂危害極大TJPU4.表面失效表面失效5. 破壞正常工作條件引起的失效破壞正常工作條件引起的失效 例：滑動軸承：油膜破壞例：滑動軸承：油膜破壞 帶傳動：打滑帶傳動：打滑 6. 共振（高速軸）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，彈性變形過大等能為：斷裂，共振，彈性變形過大等磨損磨損膠合膠合腐蝕腐蝕TJPU二二 機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則 為保證機(jī)械

6、零件不發(fā)生失效，完成其規(guī)定的功能，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，要采取夠的工作能力，避免失效，要采取各種有效措施各種有效措施，包，包括理論計(jì)算，計(jì)算所依據(jù)的條件稱為括理論計(jì)算，計(jì)算所依據(jù)的條件稱為計(jì)算準(zhǔn)則計(jì)算準(zhǔn)則。1、強(qiáng)度準(zhǔn)則、強(qiáng)度準(zhǔn)則靜應(yīng)力下靜應(yīng)力下:一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)103（104）可按靜應(yīng)力可按靜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算。TJPU單向應(yīng)力狀態(tài)：單向應(yīng)力狀態(tài)：limlimsscclimlimsssscc或或復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：

7、按強(qiáng)度理論計(jì)算按強(qiáng)度理論計(jì)算. ：安全系數(shù)、ss ssssss22見材料力學(xué)見材料力學(xué)TJPU變應(yīng)力下：變應(yīng)力下：材料的疲勞特性曲線：材料的疲勞特性曲線：maxN103時(shí)按靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)按靜強(qiáng)度計(jì)算NN0104103低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)r疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征TJPU 持久疲勞極限持久疲勞極限 r r：對應(yīng)于循環(huán)基數(shù)：對應(yīng)于循環(huán)基數(shù)N N0 0時(shí)的疲勞極限時(shí)的疲勞極限 有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)由應(yīng)力、材料而定壽命系數(shù)的疲勞極限對應(yīng)曲線方程mKKNNNconsNNNNrmrrNmrmrN00 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) N N N N0 0 由由手手

8、冊冊中中查查出出rrN 043)10(10NN 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)0NrNrN應(yīng)力疲勞特性疲勞特性TJPU影響影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素：因素：11Ke對稱循環(huán)彎曲疲勞極限寸和表面質(zhì)量后的零件考慮應(yīng)力集中、絕對尺11Ke零件對稱循環(huán)扭切疲勞極限為：1）應(yīng)力集中的影響）應(yīng)力集中的影響-有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)2）零件尺寸的影響）零件尺寸的影響-尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)3）表面質(zhì)量狀態(tài)的影響）表面質(zhì)量狀態(tài)的影響-表面質(zhì)量系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)見教材附錄)(kk)()(TJPU應(yīng)力集中應(yīng)力集中TJPU11SKSC用安全系數(shù)表示對稱循環(huán)下彎曲疲勞強(qiáng)度條件用安全系數(shù)表示對稱循環(huán)下彎曲疲勞強(qiáng)度條件：

9、其他情況下的強(qiáng)度條件式參見教材或手冊其他情況下的強(qiáng)度條件式參見教材或手冊ccmmin如：持久疲勞極限計(jì)算應(yīng)力TJPU接觸應(yīng)力下接觸應(yīng)力下: 高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸實(shí)實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸由由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大。該于接觸面積很小，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)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)度度稱為接觸強(qiáng)度. 計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲（計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲（Hertz）公式。）公式

10、。TJPUB F F b H 接觸應(yīng)力下的失效：接觸應(yīng)力下的失效：靜應(yīng)力：靜應(yīng)力：表面壓碎表面壓碎表面塑性變形表面塑性變形變應(yīng)力：疲勞點(diǎn)蝕變應(yīng)力：疲勞點(diǎn)蝕H強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件：TJPU同）（兩物體接觸面大小相拋物線分布接觸面變形受力外接觸內(nèi)接觸點(diǎn)接觸線接觸兩曲面接觸Bb222121211111EEbFHTJPU安全系數(shù)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?？啃?、計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和零件的重要程度等。s過大零件笨重，過小不安全。過大零件笨重，過小不安全。安全系數(shù)的確定：安全系數(shù)的確定：（1）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；

11、）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；（2）經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；）經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）部分系數(shù)法：）部分系數(shù)法：s=s1 s2 s3 考慮載荷的準(zhǔn)確性考慮載荷的準(zhǔn)確性考慮材料的可靠性考慮材料的可靠性考慮零件的重要程考慮零件的重要程度度TJPU y yyy2 2） 扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)剛度 扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角 TT TJPU2 2、剛度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則 1 1） 彎曲剛度彎曲剛度 撓度撓度 偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角3 3、耐熱性準(zhǔn)則：、耐熱性準(zhǔn)則： 軸承等工作溫度不要超過許用值軸承等工作溫度不要超過許用值. .4 4、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：防止共振、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：防止共振振幅振幅A A頻率頻率f0.85f f 1.15f激振頻率激振頻率 f fp p0.85f1

12、.15f1.15f TJPU5 5、壽命準(zhǔn)則：、壽命準(zhǔn)則： 腐蝕、磨損和疲勞。腐蝕、磨損和疲勞。 腐蝕、磨損目前尚無可靠的計(jì)算方法腐蝕、磨損目前尚無可靠的計(jì)算方法 疲勞壽命可以計(jì)算疲勞壽命可以計(jì)算TJPU6 6、可靠性準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則曲線稱為浴盆曲線時(shí)間失效率總件數(shù)正常數(shù)可靠度ttfeNNRtdt)(000t IIIIII失效率曲線失效率曲線可靠性-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。 可靠性設(shè)計(jì)需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？煽啃栽O(shè)計(jì)有專著可靠性設(shè)計(jì)有專著美國適航審定標(biāo)準(zhǔn)中專門規(guī)定了運(yùn)輸類飛機(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、精度準(zhǔn)則(保證機(jī)器運(yùn)動精度等保證機(jī)

13、器運(yùn)動精度等) 精度設(shè)計(jì)有專著。精度設(shè)計(jì)有專著。試分析車床主軸的設(shè)試分析車床主軸的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。計(jì)準(zhǔn)則。強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性。定性。TJPU一、常用的機(jī)械零件材料一、常用的機(jī)械零件材料二、機(jī)械零件材料選用的原則二、機(jī)械零件材料選用的原則要考慮三個(gè)方面的要求要考慮三個(gè)方面的要求1、使用要求（首要考慮）使用要求（首要考慮）： 1）零件的受載和工況；）零件的受載和工況；2）對零件尺寸和質(zhì)量的限）對零件尺寸和質(zhì)量的限制；制；3）零件的重要程度。）零件的重要程度。2、工藝要求工藝要求： 1）毛坯制造；）毛坯制造；2）機(jī)械加工；）機(jī)械加工；3）熱處理。）熱處理。3、經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求：

14、1）材料價(jià)格；）材料價(jià)格；2）加工批量和加工費(fèi)用；）加工批量和加工費(fèi)用；3）材料的）材料的利用率；利用率；4）局部品質(zhì)原則）局部品質(zhì)原則; ; 5）替代（盡量用廉價(jià)材料來）替代（盡量用廉價(jià)材料來代替價(jià)格相對昂貴的稀有材料）；代替價(jià)格相對昂貴的稀有材料）；6 6）供應(yīng)情況。）供應(yīng)情況。3-4 機(jī)械零件常用的材料及其選擇原則機(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TJPU3-5 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；減小應(yīng)力集中；2.提高機(jī)械零件表面加工質(zhì)量；提高機(jī)械零件表面加工質(zhì)量；3.采用能提高疲

15、勞強(qiáng)度的熱處理和強(qiáng)化方法。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、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）噴丸等。（提高表面強(qiáng)度和殘余壓應(yīng)力）TJPU3-6 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）裝配，有利于保證零件質(zhì)量）1.1.機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性機(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。便于加工和裝配，有利于保證零件質(zhì)量。 有人說：機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)包括理論分析、模型設(shè)計(jì)、有人說：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)算和設(shè)計(jì)

16、計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制圖；由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的錯誤；由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的錯誤占機(jī)械設(shè)計(jì)錯誤中較大比例。占機(jī)械設(shè)計(jì)錯誤中較大比例。 涉及到：鑄造、鍛造、沖壓、切削、熱處理和裝配等。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）（查閱有關(guān)資料）TJPU2.2.機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)化：標(biāo)準(zhǔn)化：在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會實(shí)踐中，對現(xiàn)實(shí)問題或潛在問題（重復(fù)性事物和概念）通過制定、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效益。國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn) ISOISO等等 國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn) GBGB（強(qiáng)制）（強(qiáng)制） GB/T(GB/T(推薦）推薦）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行

17、業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 如如JB/T 10475-2004JB/T 10475-2004垂直升降類機(jī)械式停車設(shè)備垂直升降類機(jī)械式停車設(shè)備（本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了垂直升降類機(jī)械式停車設(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)地方標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)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)器系列化化：零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化、機(jī)器系列化 TJPU3-7 機(jī)械設(shè)計(jì)工具書的使用機(jī)械設(shè)計(jì)工具書的使用TJPU機(jī)械設(shè)計(jì)手冊機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(徐灝主編徐灝主編) 全5冊 化工出版社出版機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊 第三版上下冊第三版上下冊機(jī)械設(shè)計(jì)與制造簡明手冊機(jī)械設(shè)計(jì)與制造簡明手冊 機(jī)械設(shè)計(jì)師實(shí)用手冊機(jī)械設(shè)計(jì)師實(shí)用手冊TJ

18、PU傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 （一）理論設(shè)計(jì)（一）理論設(shè)計(jì) （二）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（二）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 類比法或應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式等類比法或應(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（三）模型實(shí)驗(yàn)（初定尺寸，制作模型或小尺寸樣機(jī)，評估，修改完善。）尺寸樣機(jī)，評估，修改完善。） 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算 校核計(jì)算校核計(jì)算3-8 3-8 機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法的新發(fā)展機(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)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CADCAD） Computer Aided DesignComputer Aided DesignTJPU1.有限元法有限元法隨著高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及和數(shù)值分析在工程隨著高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普

19、及和數(shù)值分析在工程中的作用日益增長而發(fā)展起來的一種實(shí)用有效的數(shù)中的作用日益增長而發(fā)展起來的一種實(shí)用有效的數(shù)值方法。值方法?；舅悸罚簩⑦B續(xù)介質(zhì)離散成小塊（單元），僅在基本思路：將連續(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。有限個(gè)指定點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）連接。軟件：軟件：ANSYS等。等。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 TJPU2. 最優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)化設(shè)計(jì)一般工程設(shè)計(jì)問題都存在著許多可能的方案，在設(shè)一般工程設(shè)計(jì)問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。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)展起來的一種新方法。包括解析方法和數(shù)值方法。發(fā)展起來的一種新方法。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。主要工作：建立數(shù)學(xué)模型；采用適當(dāng)方法優(yōu)化。軟件：軟件：matlab等。等。TJPU3.可靠性設(shè)計(jì)（機(jī)械概率設(shè)計(jì)）可靠性設(shè)計(jì)（機(jī)械概率設(shè)計(jì)）是可靠性