机械零件设计概论

有限寿命区
无限寿命区
σ
疲劳极限
应力循环基数
用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。
m m N 1 N0 C 当N<N0 时, 有近似公式： 1N
对应于N 的弯曲疲劳极限：
-1N -1
m
N0 N -1 N
2、影响零件疲劳强度的主要因素 （1）应力集中的影响
应力幅： a
max min
2
2
max min
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。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)不管脆性材料或塑性材料，疲劳断口均表现为无明显塑性变形 的脆性突然断裂;
3）疲劳磨损(疲劳点蚀) 在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受 载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重复作用时，常会出 现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象 称为疲劳磨损或疲劳点蚀。 4） 腐蚀磨损 在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应 的磨损，称为腐蚀磨损。 实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:
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↑ 振动↑、 冲击↑、噪音↑ →间隙↑、 精度→、效率→、
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。
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 ]
§9－5 机械制造常用材料及其选择
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 铸铁 含碳量>2% 铁碳合金 常用金属 钢 含碳量≤ 2% 材料 铜合金 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。
失效形式 1. 整 体 强 度 静 应 →整体 力 破坏 整体断裂(脆性材料) 计算准则
B S
S S
r S
过大的残余变形 （塑性材料）
静 强 度 疲劳 强度
变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂 (塑、脆性材料)
2. 表面磨损 : p ≤[ p ] (比压、压强)→耐磨性 表 面 表面压溃 : σ p≤ [σp] (挤压应力) →挤压强度 强 接触疲劳: σ H≤ [σH] (接触应力) →接触强度(点蚀) 度
有限寿命时，用σ-1N代入得： [ 1 ]
1N
k S
m
N0 N
由于σ-1N> σ-1，所以可得到较大的许用应力，从而减小零件 的体积和重量。
四、安全系数
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
2）粘着磨损(胶合磨损)
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。
3) 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。初期是在零件 表面或表层形成微裂纹，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。
影响疲劳强度的主要因素2
在变应力，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。 当应力是对称循环变化时，许用应力为： [ 1 ]
1
k S
当应力是脉动循环变化时，许用应力为： [ ] 0 0
k S
σ0 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” 。
微裂纹常起始于应力最大的端口周边上，断口有明显的两个区域： 1)变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的光滑表面区； 2)最终发生脆性断裂的粗粒状区。如图。 1、疲劳曲线 表示应力σ与应力循环次 数N之间关系的曲线。
可知： 1）应力越小，所能经受的循环次 数越多。 2）循环次数超过数值N0后，趋于 水平。
2. 刚度:
(零件抵抗弹性变形的能力) 失效形式 计算准则 过大的弹性变形 ｙ≤[ｙ] 刚度
3. 振动稳定性:
(机器振幅不能超过许可值)
共振：机器内的激振源频率≈零件固有频率（重合或整数倍） →破坏
4. 其它：
破坏正常工作条件引起的失效（联接松动、带传动打 滑、腐蚀、过热......）
（四）机械零件设计类型和步骤
前
言
机械零件设计概述
机械零件的强度
机械制造中常用材料及其选择
公差与配合、表面粗糙度和优先数列
机械零件的工艺性及标准化
(一) 机械零件的简介:
机构←构件→运动的单元 研究对象 构件←零件→制造的单元 例: 机构→齿轮机构(三个构件) 齿轮1 、齿轮2、机架3 3
1
2
构件1← (小齿轮) 齿轮 →传动件 轴、轴承、套筒等 →轴系零件 键 →联接件
σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。
1.分类
静应力→不随时间变化 变应力→随时间变化
•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力
2.交变应力的特征及典型的交变应力 交变应力－随时间作周期性变化的应力
平均应力： m
§9-1 机械零件设计概述
(一)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。
(二)设计机械零件应满足的要求
* 避免在预定寿命周期内失效
既要可靠, 又要成本低
失效 －机械零件由于某种原因不能正常工作 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 承载能力 →对载荷而言
（2）绝对尺寸的影响
零件的尺寸越大，其疲劳强度降低。
（ -1） d = 用绝对尺寸系数 （ ） 表示。 -1 d 0
（3）表面状态的影响
包括表面粗糙度和表面处理的情况。零件表面光滑或经过 各种强化处理课提高零件的疲劳强度。 （ -1） 用表面状态系数β表示： = （ -1） 0 3、许用应力
§2-3影响疲劳强度的因素
机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致 零件的疲劳强度下降。 常用有效应力集中系数 表示疲劳强度的真正降低程度。
-1 （ -1） k
-1和（ -1） 力集中试样的疲劳极限 。 k : 无应力集中试样和有应
注：当同一剖面上同时有几个应力集中源时，应采用其中最大的疲 有效应力集中系数进行计算。
一、应力的种类
名义应力——按名义载荷计算所得之应力：
计算应力-----按计算载荷计算所得之应力： 强度判 定条件：
[ ] [ ]
wenku.baidu.com其中
[ ]
S lim [ ] S
S-----安全系数
lim
[σ] 、[τ]-----许用应力
H [ H ],
H lim 而[ H ] SH
提高表面接触强度的主要措施 ——增大接触表面的综合曲率半径。 ——将外接触改为内接触。 ——将点接触改为线接触。 ——采用粘度较高的润滑油。 ——提高接触表面的加工质量。 ——提高零件表面硬度。
降低计算应 力 提高许用应力
§9－4 机械零件的耐磨性
(二)课程特点与学习方法
特点： 繁杂（门类多、关系多、要求多、 公式多 、图形多、表格多）
分析处理问题的思路:
分析处理问题的思路： ∵（任务）设计零件→
∴(抓住)计算准则 ∴学习贯穿一条线：
④ ① *受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理） → ⑤ *失效形式（*主要失效形式←分类） ② → ⑥ *计算准则（公式建立的依据） ⑦ → 强度计算（*设计方法→先定主参数* ←*许用应力 → ←材料） ⑧ 结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准） ③
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。
由弹性力学可知，应力为：
Fn
ρ1
σH σH ρ2 b
1
H
Fn 1 2 2 b 1 12 1 2 E1 E2
代入化简得:

1
1 2 2 E1E2 E 令: E1 E2 1 2
最基本的 通用零件
(二)课程特点与学习方法
传动零件
轴系零件 联接零件
附件 机架
机械零件→
通用零件 专用零件（机架、手柄、车轮......）
本课程研究对象: →一般尺寸参数的通用机械零件的设计 讲课顺序: 总论→螺纹联接→齿轮传动→蜗杆传动→滑动轴承 → 滚动轴承 →键联接 →联轴器与离合器 →轴→ 带传动→链传动
断裂或塑性变形; 零件的失效原因:
过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤;
发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。
(三) 机械零件的主要失效形式及计算准则 失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、耐磨性、温度等。 准则：根据各种失效形式而定。但常根据一个或几个主要失 效形式确定。
1、强度准则
Fn
ρ1 ρ2 σH σH b
1 Fn E Fn E H 0.418 2 2 (1 ) b b
对于钢或铸铁取泊松比： μ1=μ2=μ=0.3 , 则有简化公式。 上述公式称为赫兹(H· Hertz)公式
“+”用于外接触， “-”用于内接触。
H
Fn E 0.418 b
拟定零件的计算简图 参照实物(图纸) 和经验数据 拟定零件的结构和尺寸 选用相应判定条件
确定作用在零件上的载荷
选择合适的材料
选用相应判定条件
确定零件形状和主要尺寸 绘制工作图，标注技术条件 验算零件结构和尺寸
验算，修改零件
设计计算法
校核计算法
§9-2
机械零件的强度
强度→ 零件承受载荷后，抵抗发生断裂或超过容许限度的 残余变形的能力→与载荷及应力有关 零件设计中的载荷及其分类 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 名义载荷：按名义载荷计算所得之应力。 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。 载荷可分为静载荷和变载荷两类。 静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷. 变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷.
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
E 2 E1 E2 -----综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 E1 E2 圆柱体的弹性模量。
接触疲劳强度的判定条件为：
§9－3 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。
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 现象称为疲劳点蚀。