第9章 机械零件设计概论分析

机械零件的设计常按下列步骤进行； 1) 拟定零件的计算简图。 2) 确定作用在零件上的载荷。 3) 选择合适的材料。 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定
零件的形状和主要尺寸。 应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，
设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。
安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数(Sσ，Sτ)是否大 于或等于许用安全系数([Sσ]，[Sτ])。计算公式可写成
SLeabharlann BaiduS
lim
lim
S
S
一、应力的种类
静应力——不随时间变化的应力(图9-1a)。 变应力——随时间变化的应力。 循环变应力——随时间作有周期性变化的应力。图9-1b所示为一
机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达 不到设计要求的性能）时，称为失效。破坏是失效，但失效并 不单纯意味着破坏。
在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作 能力。此限度对载荷而言时，又称为承载能力。
机械零件可能的失效形式归纳起来主要有以下几种： 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
考虑应力集中的影响。
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； 2) 不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂； 3) 疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。 4) 对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外
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。 利用强度准则判断零件的强度常用的方法有： ① 应力法
应力法是判断危险截面处的最大应力(σ，τ)是否小于或等于 许用应力([σ]，[τ])。计算公式为
lim
S lim
S
（9 1）
② 安全系数法
σa=σmax=-σmin，σm=0。
脉动循环变应力——循环特性r=0的循环变应力，(图9-1d )，其
σa=σm=σmax/2，σmin=0 。
静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin ，循环特性r=+1。 当-1<r<+1，并且r≠0时，称为非对称循环变应力(图b)。
注意：零件在静载荷作用下不一定产生静应力。
y y
3) 寿命准则
要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效。影响
寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。
4) 振动稳定性准则
在设计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动频率 与激振源的频率错开。通常应保证
fp<0.85f 或fp<1.15f 5) 可靠性准则
机械零件的可靠性用可靠度表示。可靠度是指零件在规定的 时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率。如有NT 个零件在规定的工作条件下使用，在t时刻后仍有NS个零件能 正常工作，则此零件在该工作条件下工作t时间的可靠度为 NT R NS
§9－2 机械零件的强度
载荷——进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯 矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。
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。 考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使
零件受到各种附加载荷而引入的影响系数称为载荷系数K 。 载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。
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、所以疲劳断裂与应 力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。
二、静应力下的许用应力
静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。
对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材
料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为
S
S
（9 3）
对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限σB作为极限应力，其
许用应力为
B
S
（9 4）
对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还应
般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。
由图可知，变应力的平均应力σm及应力幅σa分别为
m a
max max
min
2 min
2
（9 2）
循环特性——变应力的最小应力与最大应力之比，用r表示，它可用
来描述变应力的变化情况。
r min max
对称循环变应力——循环特性r＝-1的循环变应力，(图9-1c )，其
界环境等地非常敏感。 总之，疲劳破坏的最突出特点是发生突发性、高度局部性以及
对各种缺陷的敏感性。
右图所示为轴的弯曲 疲劳断裂的断口，微 裂纹常起始于应力最 大的断口周边上。在 断口上明显地有两个 区域：一个是在变应 力重复作用下裂纹两 边相互摩擦形成的表 面光滑的疲劳区；一 个是最终发生跪性断 裂的表面粗糙的断裂 区。
对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。 这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准 则。
机械零件的设计准则有
1) 强度准则
强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度，即许用应力， 用公式表示为
lim
S
lim
S
2) 刚度准则
指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值，用公 式表示为
伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发
生共振，导致振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。 共振可能在短期内使零件损坏，所以对于重要的、特别是高速 运转的轴，还应验算其振动稳定性。 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为 强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。
第9章 机械零件设计概论
§9-1 §9-2 §9-3 §9-4 §9-5 §9-6 §9-7
机械零件设计概述 机械零件的强度 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其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 机械零件的工艺性及标准化
§9－1 机械零件设计概述
机械设计应满足的要求是：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。