九 機械零件設計概論

第九章機械零件設計概論

本章從工作原理、承載能力、構造和維護等方面論述通用機械零件的設計問題。其中包括如何確定零件的形狀和尺寸，如何適當選擇零件的材料，以及如何使零件具有良好的工藝性。本章闡明機械零件設計計算的共性問題1§9—1

機械零件設計概述1、機械零件設計的要求（1）、失效：零件失去正常工作的能力機械設計的要求是：工作可靠、成本低廉2、機械零件設計中常用名詞（2）、工作能力：在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。（3）、承載能力：對載荷而言，在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。24、計算準則：衡量零件工作能力的指標約束條件式（剛度準則）（耐磨性準則）（振動穩(wěn)定性準則）（耐熱性準則）（強度準則）為材料的許用應力（6）、摩擦傳動的打滑（5）、聯(lián)接的松弛（4）、強烈的振動（3）、工作表面的磨損（2）、過大的彈性變形（1）、斷裂或塑性變形3、零件失效的原因：3零件設計的一般方法：根據一個或幾個可能發(fā)生的失效形式，運用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。機械零件的設計步驟：1、擬訂零件的受力分析圖2、確定作用在零件上的載荷3、選擇合適的材料4、根據零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。第四步的計算值還要根據零件制造的工藝要求加以修正。5、繪制零件圖并標注必要的技術要求。4§9—2

機械零件的強度

載荷的分類

（1）循環(huán)變載荷a)穩(wěn)定循環(huán)變載荷b)不穩(wěn)定循環(huán)變載荷（2）隨機變載荷4）、靜載荷：不隨時間變化的載荷5）、變載荷：1）名義載荷：在理想平穩(wěn)的工作條件下作用在零件上的載荷2）計算載荷

：在名義載荷中加入了機械運轉時各種附加載荷對零件的影響，這種影響用載荷系數(shù)K或工作情況系數(shù)K表示3）名義載荷與計算載荷之間的關系：計算載荷=載荷系數(shù)與名義載荷的乘積5靜應力：不隨時間變化的應力一、應力的種類變應力：隨機變應力循環(huán)變應力，周期性的變應力，6穩(wěn)定循環(huán)變應力的基本參數(shù)和種類

a)基本參數(shù)

應力循環(huán)特性最大應力最小應力平均應力應力幅b)穩(wěn)定循環(huán)變應力種類：

-1<

γ<+1——不對稱循環(huán)變應力γ=+1——靜應力

γ=–1——對稱循環(huán)變應力γ=0——脈動循環(huán)變應力7-1<

γ<+1——不對稱循環(huán)變應力γ=–1——對稱循環(huán)變應力γ=+1——靜應力

γ=0——脈動循環(huán)變應力8靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。塑性材料的許用應力：材料的屈服極限和強度極限都可在材料手冊中查出三、靜應力下的許用應力為材料的屈服極限脆性材料的許用應力：為材料的強度極限91、失效形式：變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。2、疲勞破壞特征：四、變應力下的許用應力1）斷裂過程：①產生初始裂紋（應力較大處）②裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，直至產生疲勞裂紋。2）斷裂面：①光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）②粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4）破壞時的應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限103、疲勞破壞的機理：損傷的累積4、影響因素：不僅與材料性能有關，變應力的循環(huán)特性，應力循環(huán)次數(shù)，應力幅都對疲勞極限有很大影響。115、材料的疲勞曲線和極限應力圖——疲勞極限，循環(huán)變應力下應力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經歷的應力循環(huán)次數(shù)N疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線No—循環(huán)基數(shù)—疲勞極限有限壽命區(qū)NON0N無限壽命區(qū)s-1Ns-1s

1）有限壽命區(qū)當N<103(104)—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強度計算12問題：一對齒輪做單向傳動，輪齒的彎曲應力可看成哪類循環(huán)變應力？13高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產生的局部應力卻很大。該應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強度稱為接觸強度計算依據：彈性力學的赫茲公式

1、接觸應力a)兩圓柱體接觸§9-3機械零件的接觸強度14b)兩球接觸ρΣ——綜合曲率半徑說明：1）圓柱體，球∴σHmax與F不呈線性關系153）同樣的p1、p2下，內接觸時ρΣ較小，σHmax較小，約為外接觸時的48%，∴重載情況下，采用內接觸，有利于提高承載能力或降低接觸副的尺寸。

2）圓柱體，球∴ρΣ越大，σHmax越小2、失效形式

靜應力:表面壓碎——脆性材料,表面塑性變形——塑性材料變應力：疲勞點蝕——齒輪、滾動軸承的常見失效形式。163、提高接觸疲勞強度的措施1）控制最大接觸應力2）提高接觸表面硬度，改善表面加工質量3）增大綜合曲率半徑ρΣ4）改外接觸為內接觸，點接觸→線接觸5）采用高粘度潤滑油

17運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現(xiàn)象成為磨損。零件抗磨損的能力成為耐磨性磨損類型：§9-4機械零件的耐磨性4、腐蝕磨損：化學反應和電化學反應造成3、疲勞磨損（點蝕）：載荷重復作用使表層金屬小片脫落2、粘著磨損（膠合）：接觸面材料由一個表面轉移到另一個表面1、磨粒磨損：硬質顆粒或摩擦表面上硬的凸峰在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象18§9-5機械制造常用材料一、機械零件的常用材料

1、黑色金屬

鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（含碳量小于2%的鐵碳合金）鑄鋼——鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差碳鋼與合金鋼——應用最廣泛2、有色金屬a)鋁合金——重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強度鋁合金強度可與碳素鋼相近b)銅合金——黃銅：Cu與Zn合金青銅：Cu與Sn的合金無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。19