西工大机械原理第9章机械零件设计概论

[ ] lim S
S
S
§9-2 机械零件的强度
S为安全系数。零件发生塑性变形后，会影响零 件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安 全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按 相关安全系数表格选取。
② 脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发 生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强 度极限，许用应力 ：
磨损量
磨合
稳定磨损
剧烈磨损
O
时间
1. 磨合（跑合）阶段：是指新零件在运转初期的磨损。
新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，
压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以
后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，
磨损的速度逐渐减慢。
§9-4 机械零件的耐磨性
2. 稳定磨损阶段：这个阶段属于零件的正常工作阶段， 磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的 寿命。
第9章 机械零件设计概论
内容
§9-1 机械零件设计概述 §9-2 机械零件的强度（重点） §9-3 机械零件的接触强度（重点） §9-4 机械零件的耐磨性 §9-5 机械制造常用材料及其选择 §9-6 极限与配合、表面粗糙度和优先数系 §9-7 机械零件的工艺性及标准化
§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。 概括地说是：工作可靠、成本低廉。
§9-2 机械零件的强度
六、安全系数 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
§9-1 机械零件设计概述
设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失 效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。
校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零 件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的 尺寸。
§9-1 机械零件设计概述
三． 机械零件的设计步骤
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，
❖ 疲劳曲线的左半部（N＜N0），可近似地用下列方 程式表示：
m 1N
N
m 1
N0
C
❖ 利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，
任意循环次数N时的疲劳极限
1N
1 m
N0 N
KN 1
§9-2 机械零件的强度
式中：K N
m
N0 N
——寿命系数；
当N ≥ N0 时，取 KN=1。
m为随应力状态而不同的幂指数。
H
1 Fn E
2（1 2）b
0.418
Fn E
b
§9-3 机械零件的接触强度
4. 零件受接触变应力作用时接触强度条件为 σH≤[σH] 而[σH] = σHlim/SH
式中σHlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限， 若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲 劳极限为准。
对于钢，经验公式为：
§9-2 机械零件的强度
三． 机械零件的强度条件：
1. 机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的 限度。前者称为整体强度，后者称为表面接触强 度。
2. 机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应 力不大于零件材料的许用应力：
[ ]
四、静应力条件下的许用应力
① 塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形， 按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应 力为零件材料的屈服极限，许用应力：
§9-3 机械零件的接触强度
3. 两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，最大接触应力发 生在接触区中线上，其值由赫兹（H.Hertz）公式计算：
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
令
1 1 1 1 2
及 1 1 21，
E1 E2 E
对于钢或铸铁，取μ1=μ2 =μ=0.3，则上式简化为：
§9-2 机械零件的强度
③ 疲劳曲线：表示应力σ与应力循环次数N之间的关系
曲线称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出， 应力越小，试件能经受的循环次数就越多。
§9-2 机械零件的强度
❖ 疲劳极限 -1 —— 材料在对称循环变应力下的弯曲
疲劳机限。 N0称为应力循环基数。对于特定的材料， 具有标准值。
4. 工作能力计算准则： 为防止机械零件发生某种失 效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件不发 生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据。
5. 设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中 产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准 则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程） 有设计计算和校核计算两种。
H lim 2.76HBS 70MPa
安全系数SH可取为等于或稍大于1。
§9-4 机械零件的耐磨性
一． 术语和概念：
1. 磨损：运动副的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。 2. 磨损的影响：磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态,影
响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报废。 3. 磨损率：单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量。 4. 耐磨性：零件抗磨损的能力。与磨损率成倒数关系。 5. 正常磨损：除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不
3. 剧烈磨损阶段：零件经长时间工作磨损以后，表面精 度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致 磨损加剧，最终导致零件报废。
注：应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧 烈磨损的到来。
§9-4 机械零件的耐磨性
三．磨损的类型 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种 基本类型：
1.磨粒磨损，也称磨料磨损 是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对 摩擦表面的擦伤所引起的磨损。
[ ] lim B
SS
S安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人 生事故，故安全系数取值较大，或按相关的安全系 数表格选取。
§9-2 机械零件的强度
五、变应力下的许用应力
① 失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性材 料，主要损坏形式都是疲劳断裂。
② 疲劳断裂的特征：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；疲劳裂 口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂；疲劳断 裂是损伤的积累。 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（即用期限 或寿命）密切相关。
二． 应力
§9-2 机械零件的强度
1. 设计计算的应力：
① 名义应力：根据名义载荷求得的应力
② 计算应力：根据计算载荷求得的应力
2. 机械零件的实际应力：
① 静应力——不随时间变化的应力。
② 变应力——随时间变化的应力。
非周期性变应力：应力的变化没有周期性。
循环变应力：应力的变化具有周期性。
σ
四． 减小磨损的主要方法 （1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。 （2）合理选择摩擦副材料 （3）进行表面处理 （4）注意控制摩擦副的工作条件等
σ
T
t
t
§9-2 机械零件的强度
3. 循环变应力的衡量指标：
① 平均应力σm：一个应力循环中最大应力与最小应力 的平均值。
② 应力幅σa ：一个应力循环中，应力偏离平均应力的 程度。
③ 变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力
之比。
σ
T
m
max
min
2
σa
σmax σmin σm t
aห้องสมุดไป่ตู้
§9-3 机械零件的接触强度
1. 接触强度：若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后， 其表层产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件 强度称为接触强度。
承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决 于表面的接触强度。
2. 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接 触变应力，在载荷重复作用下，金属表层内产生初始疲劳裂纹、 裂纹扩展至最终金属脱落的破坏现象。
正降低程度。 有效应力集中系数定义为：材料、尺寸和受载
情况相同的一个无应力集中试样与一个有应力集中 试样的疲劳极限的比值。
§9-2 机械零件的强度
K
1 1 k
⑵ 绝对尺寸的影响
当其他条件相同时，零件剖面的绝对尺寸越大，
疲劳强度越低，剖面绝对尺寸对疲劳极限的影响，
用绝对尺寸系数εσ表示：
⑶
联接的松弛、摩擦传动的打滑等。 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。 同一种零件可能的失效形式往往有若干种。
§9-1 机械零件设计概述
3. 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（或者说在一定条件下零件抵抗失效 的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所 以习惯上称为承载能力。
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。
§9-2 机械零件的强度
一、载荷 1. 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。 2. 机械零件实际承受的载荷： ① 静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化 或变化缓慢的载荷。 ② 变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的 载荷。 ③ 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引 起的载荷。
直接接触，否则磨损总是难以避兔的。但是只要磨损速度 稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期 限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。 据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。
§9-4 机械零件的耐磨性
二． 典型宏观磨损过程 ：一个机械零件的磨损过程大体可 分为磨合、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段 。
2.粘着磨损，也称胶合 摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中， 材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨 损。
3.疲劳磨损，即疲劳点蚀 是高副（点、线接触）机械零件的常见磨损形式。
§9-4 机械零件的耐磨性
4. 腐蚀磨损 摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀 的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、 微动磨损等其他形式。
表面状态的影响
1 d 1 d0
表面状态对疲劳极限的影响用表面状况系数β来
表示：
1 1 0
§9-2 机械零件的强度
⑤ 许用应力：
当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为:
1
1
k S
■ 当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为:
0
0
k S
Kσ应力集中系数；εσ尺寸系数；β表面状态系数；σ0 脉动循环疲劳极限
§9-2 机械零件的强度
④ 影响机械疲劳强度的因素：在变应力条件下，影响 机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中系数、 零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率 等。主要为前三种。
⑴ 应力集中的影响 在零件剖面的几何形状突变之处（孔、圆角、
键槽、螺纹等），零件受载时，会产生应力集中。 常用有效应力集中系数Kσ来表示疲劳强度的真
二． 名词术语： 1. 失效： 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。
§9-1 机械零件设计概述
2. 失效的形式： 因强度不够发生断裂或塑性变形； 因刚度不够而产生过大的弹性变形； 因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或
损伤； 因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、
max
min
2
r min max
§9-2 机械零件的强度
4. 循环变应力的类型：
① 对称循环变应力：r＝-1。 ② 脉动循环变应力：r＝0。 ③ 静应力：r＝1，可看作是变应力的特例。
④ 非对称循环变应力：r≠0、±1
应力
应力
应力
时间 对称循环变应力
时间 脉动循环变应力
时间 非对称循环变应力
§9-2 机械零件的强度
3. 机械设计计算中的载荷： ① 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷（不考虑动载荷的影响） ② 计算载荷：载荷系数K×名义载荷 （代表机器或零件实际所受载荷） 载荷系数：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K 。