第8章 机械零件设计概论

--主要失效原因。
第8章机械零件设计概论 三、机械零件的计算 1、机械零件的设计计算 2、机械零件的校核计算
先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的 结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行计算。
第8章机械零件设计概论
机械零件设计的一般步骤 1) 根据使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种 零件的不同类型、优缺点、特性和使用范围等，进行综合对 比与正确选用。
“+”用于外接触， “-”用于内接触。
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H
Fn E 0.418 b
Fn
σH ——最大接触应力或赫兹应力; b ——接触长度; Fn ——作用在圆柱体上的载荷;
b
1 2 ——综合曲率半径; 1 2
2 E1 E2 ——综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 E E1 E2 圆柱体的弹性模量。
第8章机械零件设计概论 a）σ－N疲劳曲线
用参数 σmax 表征材料的疲劳极 限，通过实验，可得出如图所示的 σmax 疲劳曲线。称为： σB A B C σ－N疲劳曲线
N=1/4
N
103 104
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实践证明，机械零件的疲劳大 多发生在CD段。 可用下式描述：
m rN N C (N C N N D )
研究。 工作原理 失效形式 常用材料 承载能力计算 参数选取 结构设计
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8.2
许用应力与安全系数
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一、名词解释
1、名义载荷：
2、载荷系数K： 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载 荷称为名义载荷。 机器运转时，零件还会受到各种附加载荷， 通常引用载荷系数K的办法来估计这些因素 的影响。 载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载 荷。 按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为 名义应力。 按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。
难点：机械零件的工作能力及其计算准则。
第8章机械零件设计概论
8.1 机械零件设计概述
第8章机械零件设计概论 一、机械设计应满足的要求
1.机械设计: 规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械性能的过程。 2.设计要求: 性能好、效率高、成本低、安全可靠、 操作及维修方便等。
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接触疲劳强度的判定条件为：
H [ H ],
H lim 而[ H ] SH
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自学：
8.4、8.5
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潘存云教授研制 潘存云教授研制 机 械 零 件 失 齿轮轮齿折断 效 的 实 潘存云教授研制 例：
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
轴承外圈塑性变形
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潘存云教授研制
潘存云教授研制
轴瓦磨损
齿面点蚀
失效原因: 强度、刚度、耐磨性、稳定性、温度等原因。 统计结果显示： 断裂仅占 4.79%; 腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。
7) 绘制零件工作图，并撰写计算说明书。
第8章机械零件设计概论 选择零件类型、结构
计算零件上的载荷
确定计算准则
零件的设计流程图：
选择零件的材料 确定零件的基本尺寸
结构设计 校核计算
画出零件工作图 写出计算说明书
第8章机械零件设计概论 四、机械零件的研究方法
一般机械零件教材，对通用机械零件进行六 Nhomakorabea方面的3、计算载荷： 4、名义应力： 5、计算应力：
第8章机械零件设计概论 二、强度条件 比较危险截面处的计算应力σ 、 是否小于零件 材料的许用应力[σ]、 [ ]。即：
σ ≤[σ]
[σ]= σlim/S
[ ]
[ ] lim / S
σlim 、 lim 分别为极限正应力 和极限切应力。
2) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3) 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如高温环境等)选 择适当的材料。 4) 根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通过计算，确 定零件的基本尺寸。 5) 根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。
6) 细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计算，以判定结 构的合理性。
二、 机械零件的主要失效形式
1、机械零件的失效 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。 集中表现为——强度、刚度、耐磨性、稳定性等方面的问题。 2、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。 整体断裂 零件的失效形式 过大的弹性变形 工作表面的过度磨损或损伤 破坏正常的工作条件 例如：发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。
σ σmax o 循环变应力 T σa σmin
静应力是变应力的特例
σ=常数 o t σmax to r =0 σa
σa σm
σ
r =+1 r =-1 σmax σa σmin σa 对称循环变应力
σ
t o
σmin
σm
σa t
脉动循环变应力
第8章机械零件设计概论 2、许用应力 1）静应力下的许用应力 即： σ ≤[σ] σlim ----材料的极限应力
代入化简得:

1
b
1 2 2 E1E2 E 令: E1 E2 1 2
Fn
ρ1 ρ2 b
对于钢或铸铁取泊松比： μ1=μ2=μ=0.3 , 则有简化公式
1 Fn E Fn E H 0.418 2 H 2 (1 ) b b σ σ
H
上述公式称为赫兹(H.Hertz)公式
[σ] = σlim/S
脆性材料： σlim = σB (强度极限) 塑性材料： σlim = σS (屈服极限)
S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节 省材料，但趋于危险。
2）变应力下的许用应力
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变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 疲劳断裂过程： ▲零件表层产生微小裂纹；
第8章
机械零件设计概论
本章内容
8.1 机械零件设计概述 8.2 许用应力与安全系数 8.3 机械零件的接触强度 8.4 机械零件的工艺性及标准化 8.5 机械零件常用材料
第8章机械零件设计概论
本章重点、难点
重点：机械零件应满足的要求、机械零件设计的一般步骤； 机械零件的工作能力及其计算准则； 机械制造常用材料的选用原则及许用应力。
第8章机械零件设计概论 1、应力的种类 静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化 平均应力: m
max min
2
应力幅: a
σ
max min
2
变应力的循环特性: -1 —对称循环变应力 min r = 0 —脉动循环变应力 max +1 —静应力
初始疲劳裂纹 裂纹的扩展与断裂 金属剥落出现小坑
接触失效形式常表现为： 疲劳点蚀
ρ ρ 22
sH 2b
O2
F
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。
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由弹性力学可知，应力为：
ρ1
σH σH ρ2
Fn
1
H
Fn 1 2 2 b 1 12 1 2 E1 E2
机械零件中各零件之间力的传递，总是通过两个零件的接 触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接 触。
B
如齿轮、凸轮、滚动轴承等。
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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 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 度。 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 F 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 ，这种现象称为疲劳点蚀。 F B ρ 11 O ρ 油 1 O1 ω2 变形量 ω1
表面光滑
▲随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展； ▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。
表面粗糙
疲劳断裂具有以下特征：
▲ 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; ▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂; ▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 ▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。
于是有：
m rN N rm N 0 C
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σB 试 验 结 果 表 明 在 CD 区 间 内，后，总会发生疲劳破坏。 而 D 点以试件经过相应次数的 σrN 变应力作用之后，如果作用的 σr 变应力最大应力小于 D 点的应 力（σmax<σr），则无论循环多 N=1/4 103 104 N 少次，材料都不会破坏。 将N0称为应力循环基数。 σmax AB C
σB
σmax AB C
D N
σrN D点以后的疲劳曲线呈一水平线， σr 代表着无限寿命区其方程为：
rN r （ N N D )
N=1/4 103 104 N
N0≈107
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数 N0(称为循环基数 )，用N0及其相对应的疲劳极限 σr来近似代表 ND 和 σr∞。
D
N N0≈107
钢： N0=107~25×107
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b) 疲劳极限
零件在变载下工作，能长期工作而不发生疲劳裂纹的极 限应力值。
c) 许用应力