09机械设计基础第九章 机械零件设计概论

第九章
机械零件设计概论
本章主要内容 第一节 机械零件设计概述
第二节 机械零件的强度
第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 机械零件的接触强度 机械零件的耐磨性
机械制造常用材料及选择 极限与配合、表面粗糙度 机械零件的工艺性及标准化
本章重点
1、机械零件的主要失效形式、设计准则；
2、机械零件的强度分析及计算；
后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引 起振动和噪音。
油
初始疲劳裂纹 金属剥落出现小坑 裂纹的扩展与断裂
第三节 机械零件的接触强度
由弹性力学可知，最大接触应力为：
1
H
Fn 1 2 2 b 1 12 1 2 E1 E2

1
ρ1
σH σH ρ2
S↑ → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按以下原则取： 1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 铸钢件：S =1.５～２.5 2）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4 3）变应力下， S =1.3～1.7 材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7～2.5
Fn
ρ1
σH σH b
第四节 机械零件的耐磨性
运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零 件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。
磨损↑ →间隙↑、 精度↓、 效率↓、 振动↑、 冲击↑、 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。 磨损的主要类型 ： 1）磨粒磨损
硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨 粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘 土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。 加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实 际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑 性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一 个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能 相互咬死。
还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整
பைடு நூலகம்
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
第二节 机械零件的强度
名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。
名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。
然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。 计算应力-----按计算载荷计算所得之应力： 强度判 定条件：
形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就 突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。 所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。
第二节 机械零件的强度
一、疲劳曲线
平均应力: m
max min
2
变应力: σ随时间变化 应力幅: a max min
2
变应力的循环特性:
r
σ
σ=常数
min max
=
T
-1 0 +1
σa σm
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力
静应力是变应力的特例
σ σmax o

三、变应力下的许用应力
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征： 1) 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈 服极限低; 不管脆性材料或塑性材料，
2) 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂; 3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层
二、非金属材料
1. 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震 器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
第四节 机械零件的耐磨性
实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:
p ≤ [p] [p]由实验或同类机器使用经验确定
相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况下，可将 p v 值与许用的 [p v] 值进行比较。即:
p v ≤ [p v ]
第五节 机械制造常用材料及其选择
1 1.5~1.8 1.7~2.5 3 3~20 5 0.85 1.7 8~10
第五节 机械制造常用材料及其选择
3.铜合金
青铜
种类 黄铜 -含锡青铜、不含锡青铜 -铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍
轴承合金（巴氏合金） 特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和 抗腐蚀性。 零件毛坯获取方法：辗压、铸造。 应用：应用范围广泛。
3、公差与配合、表面粗糙度
第一节 机械零件设计概论
1、机械设计应满足的要求：
在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内 安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。
2、机械零件的失效：
机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。 工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限 度是对载荷而言，所以习惯上又称为： 承载能力。
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为
断裂或塑性变形; 过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤;
零件的失效形式:
发生强烈的振动；联接的松弛;
摩擦传动的打滑等。
第一节 机械零件设计概论
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。
机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
常用金属 材料 铸铁 钢 铜合金 ----含碳量>2% ----含碳量≤ 2% 铁碳合金
1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应力σ与应力循环次数N 之间的关系曲 线称为：疲劳曲线
σ
由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试 验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循 环时试件将不会断裂。
σ-1N
N
当N>N0 时,
试件将不会断裂。
σ-1
N0 N
N0 ----循环基数 N0 对应的应力称为： 疲劳极限
O
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 当N<N0 时, 有近似公式： 对应于N 的弯曲疲劳极限：
m m N 1N 1 N0 C
1N 1
m
N0 N
第二节 机械零件的强度
二、许用应力
在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件 的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力 集中系数kσ、尺寸系数ε σ 和表面状态系数β 等。 当应力是对称循环变化时，许用应力为： [ 1 ] 当应力是脉动循环变化时，许用应力为：
1
k S
[ 0 ]
0
k S
σ 0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可 机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” 有限寿命时，用σ
-1N代入得：
[ 1N ]
1 m N0
k S N
第二节 机械零件的强度
四、安全系数
安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构
钢、合金结构钢、铸钢等。
第五节 机械制造常用材料及其选择
特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其 力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 选用原则： 我国资源丰富 价格便宜且供应充分 优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。 表9-2
第二节 机械零件的强度
例9-3 一对齿轮做单向传动，轮齿的弯曲应力可看成那类循 环变应力？若主动齿轮的转速n=200 r/min，每天工作8 h， 问一年内（以250天计），该齿轮应力循环总数是多少？
第三节 机械零件的接触强度
若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处 为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称 为接触应力。这时零件强度称为接触强度。
σ、 τ
[ ] [ ]
其中
[ ]
S lim [ ] S
S -----安全系数
lim
[σ]、[τ] -----许用应力
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
第二节 机械零件的强度
一、应力的种类 静应力: σ =常数
Fn
1 2 2 E1E2 E 令: E1 E2 1 2
对于钢或铸铁取泊松比： μ1=μ2=μ=0.3 , 则有简化公式。
b
代入化简得:
Fn
ρ1 ρ2 σH σH b
H
1 Fn E Fn E 0 . 418 2 (1 2 ) b b
上述公式称为赫兹(H· Hertz)公式 “+”用于外接触，“-”用于内接触。
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 失效形式常表现为： 疲劳点蚀
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在 载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳 裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高 压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下 来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点 蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的 光滑表面，因而也降低了承载能力 。