章機械零件設計概論

前

言機械零件設計概述機械零件的強度機械制造中常用材料及其選擇

公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)列機械零件的工藝性及標準化前

言例:機構→齒輪機構(三個構件)齒輪1

、齒輪2、機架3齒輪

→傳動件軸、軸承、套筒等→軸系零件鍵

→聯(lián)接件1構件1←(小齒輪)32(一)機械零件的簡介:最基本的通用零件研究對象：機構←構件→運動的單元構件←零件→制造的單元機械設計=機構設計+構件設計分析處理問題的思路：∵（任務）設計零件→∴(抓住)計算準則

∴學習貫穿一條線：*受力分析（*載荷及應力分析←功用、*工作原理）↓*失效形式（*主要失效形式←分類）↓*計算準則（公式建立的依據(jù)）↓強度計算（*設計方法→先定主參數(shù)*←*許用應力↓

←材料）結構設計（尺寸及繪圖←結構特點、標準）§9-1

機械零件設計概述

p.113(一)機械設計應滿足的要求設計原則：安全可靠操作維修方便技術經(jīng)濟價值高造型完美設計方法：1.強度設計：根據(jù)強度理論推導設計條件，分析結構中的幾何參數(shù)2.

：根據(jù)設計要求選用§9-1

機械零件設計概述

p.113(一)幾個基本概念載荷：靜載荷、動載荷應力：零件

單位面積上的受力；失效：機械零件不能正常工作、不在設計狀態(tài)工作；強度：零件抵抗破壞的能力；應力和許用應力剛度：零件抵抗變形的能力：載荷與變形(三)機械零件的主要失效形式及計算準則斷裂或塑性變形；彈性變形過大；表面過度磨損或損傷；強烈振動；連接的松弛；摩擦傳動的打滑失效原因→軸為例→

失效原因可能疲勞斷裂

+

過大彈性變形疲勞強度軸的剛度計算準則→(三)機械零件的主要失效形式及計算準則計算準則→┌強度準則├剛度準則├振動穩(wěn)定性準則└其它準則→主要→介紹強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性、溫度的影響失效形式→§9-2

機械零件的強度名義載荷－載荷系數(shù)－計算載荷－名義應力－計算應力－1.基本定義:理想的平穩(wěn)條件K用在零件上的載荷名義載荷與載荷系數(shù)的乘積2.強度條件判定:

許用應力法：比較

截面處的計算應力σ是否小于零件材料的許用應力[σ]ssτ

τ

τ

limσ

σ

σ

lim許用應力法或安全系數(shù)法截面處的安全系數(shù)是否大于許

Sσ

Sτ

安全系數(shù)法：用安全系數(shù)Sσ

limστσ

Sτ

τ

lim一、應力及分類:循環(huán)變應力－隨時間作周期性變化的應力*一個應力循環(huán)→構件中的應力由“最大值→最小值→最大值”的這一過程。atσ

σσm1.分類2.循環(huán)變應力的特征及典型的循環(huán)變應力靜應力→不隨時間變化

變應力→不斷隨時間變化*最大應力σmax*最小應力σmin(σmax－σmin)／2→平均值(平均應力σm)→應力幅σa*變化規(guī)律→σmin／σmax=γ

→應力循環(huán)特性當σmin＝0(或σmax＝0)當σmax＝σmin→γ=－1→對稱循環(huán)～圖9-1

.C→γ=

0

→脈動循環(huán)～

圖d→γ＝＋1

→靜應力圖a當σm＝0(σmax＝－σmin)tσtσσtσt非對稱～對稱～γ=－1脈動～γ=

0靜～γ=+1失效形式：斷裂或塑性變形二．靜應力下的許用應力σｓ－屈服極限σＢ－強度極限塑性材料→應避免塑性變形[σ]=

σs/S脆性材料→斷裂[σ]=

σB/S三．變應力作用下許用應力1.失效形式:2.疲勞斷裂的特征疲勞斷裂最大應力遠低于靜應力下材料的強度極限斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂疲勞斷裂是損傷的積累→疲勞斷裂（圖9-2p.113)疲勞斷裂是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，發(fā)生突然斷裂→與應力循環(huán)次數(shù)（使用期限或 ）密切相關。①疲勞曲線：應力與循環(huán)次數(shù)間的關系曲線當N≥N0:

kN

=1σ-1N=

σ-1當N＜N0

:1NσNN0NN0－循環(huán)基數(shù)1N

m

N

Cσ-1N：對應N的疲勞極限

σ－1:γ=－1的疲勞極限(N=N0)kN：

系數(shù)圖9-31Nm

N

m

N

C1

0

1

m

N0

N

kN

1②影響零件疲勞強度的主要因素:應力集中、尺寸、表面形狀應力集中的影響：截面形狀有突變，常用有效應力集中系數(shù)kσkσ=

σ-1/

(σ-1)k絕對尺寸的影響：尺寸↑→疲勞強度↓(出現(xiàn)缺陷的概率大）εσ=(σ-1)d/(σ-1)d0表面狀態(tài)的影響：表面光滑或經(jīng)過強化處理→疲勞強度↑β=(σ-1)β

/(σ-1)β

0③許用應力:在變應力下確定許用應力，應取材料的疲勞極限為極限應力，還考慮應力集中、尺寸和表面狀態(tài)的影響k

S

11k

S

00

對稱循環(huán)變應力時脈動循環(huán)變應力時注意:以上為無限

條件下的許用應力。若使用期限內，循環(huán)次數(shù)N小于循環(huán)基數(shù)N0時，應取對應于N的疲勞極限。四．安全系數(shù)安全系數(shù)過大→結構笨重；否則，不安全安全系數(shù)沒有專門表格，可參考的原則1

靜應力下，塑性材料以屈服極限為極限應力，可取1.2-1.5；對于塑性較差的材料或鑄鋼件可取1.5-2.5。2靜應力下，脆性材料以強度極限為極限應力，應選取較大安全系數(shù)。變應力下，以疲勞極限作為極限應力，可取1.3-1.7。也可用部分系數(shù)法來確定。例題（1）載荷的大小方向不變，軸內彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，循環(huán)特性-1。（2）A-A截面的彎曲應力彎矩：MA

=FL，截面系數(shù)：W=πd3/32，彎曲應力σb=MA/W（3）求各項系數(shù)：有效應力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)、表面狀態(tài)系數(shù)（4）疲勞強度校核：max

1kS

例題哪類循環(huán)變應力？§9-3

機械零件的接觸強度若兩個零件在受載前后由點接觸或線接觸變?yōu)樾”砻娣e接觸，且其表面產(chǎn)生很大的局部應力（稱為接觸應力），這時零件的強度稱為接觸強度）。表面強度不夠，會發(fā)生表面損傷。

F

EEEE2E1n

1

2

b( 1

2

)1

2

1

21

F

1 n

ZE n

b

( 1

2

)1

2

1

2

b

F(

1

1

)

H

Fn

Eb

H

0.418122

1

最大接觸應力或

應力接觸長度綜合曲率半徑綜合彈性模量接觸疲勞強度的判定條件：HHS]

Hlim]，且[

[

H

H鋼的經(jīng)驗公式：

Hlim

2.76HBS

70MPa§9-4

機械零件的耐磨性磨損：運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現(xiàn)象→改變尺寸和摩擦表面形狀→運動副間隙↑，精度↓，效率↓，振動噪音↑磨損的主要類型：1234磨粒磨損粘著磨損（膠合）疲勞磨損（點蝕）腐蝕磨損實用耐磨計算：

p≤[p]運動速度較高時，還應考慮單位時間接觸面積的發(fā)熱量pv≤[pv]§9-5

機械制造中常用材料及其選擇

p.122一.金屬材料鑄鐵:含Ｃ＞2％，易溶性、良好的液態(tài)流動性→鑄造減震性、耐磨性、切削性好且成本低常見鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵鋼:含Ｃ量＜2％，具有較高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理改善其性能按用途分：結構鋼、工具鋼和特殊鋼按化學成分：碳素鋼和合金鋼；碳素鋼的性能主要取決于含碳量，含碳量越高，鋼的強度高，塑性越低常用材料：鋼和鑄鐵、其次有色金屬合金碳素結構鋼:含Ｃ不超過0.7<0.25%的低碳鋼，強度和屈服極限低，塑性高，適于沖壓、焊接，螺釘、螺母、墊圈等0.3%<C<0.5%的中碳鋼，綜合力學性能較好，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸0.55%<C<0.7%的高碳鋼，具有較高的強度和彈性，常用作普通的板彈簧、螺旋彈簧和鋼絲繩等合金結構鋼:Ｃ鋼中添加合金元素來改善鋼的性能鑄鋼:液態(tài)流動性比鑄鐵差3.

銅合金二.非金屬材料：橡膠、塑料工藝：調制、淬火、退火、回火、正火§9-6公差與配合、表面粗糙度一.極限與配合：p.124

→互換性公差：零件尺寸的兩個極限尺寸之差上偏差下偏差基本尺寸：設計給定的尺寸，零線代表基本尺寸的位置公差帶：代表上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域同一基本尺寸的孔與軸的結合→┌間隙配合→孔＞軸│過渡配合→孔＜軸或孔＞軸└過盈配合→孔＜軸配合：?35H7/r7→靜聯(lián)?35H7/k7接→動聯(lián)接?35H7/f7配合制度公差等級:(尺寸精度等級):1～20級，常用4～11級公差代號：軸→小寫孔→大寫拉丁字母－f、k、r－H、G、K→置于公差代號之后軸(f7

、k7、r7);孔(F7、H7

、K7)配合制度:0基孔制→孔的下偏差＝0

40H

7(

0.025))0

0.025→常用基孔制基軸制→軸的上偏差＝0

40h7(→零件表面的微觀幾何形狀誤差→（評定）輪廓算術平均偏差(表面粗糙度Ｒａ)二.表面粗糙度

p.126

手冊P.175§9-7

機械零件的工藝性及標準