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第2章机械零件的设计2.1机械零件的失效形式和设计准则概述2.2机械零件设计的基本要求和一般程序2.3机械零件材料的选用原则及常用材料2.1机械零件的失效形式和设计准则概述2.1.1机械零件的主要失效形式失效:机械零件在设计预定的期间内和规定条件下，不能完成正常的功能。机械零件失效的形式:整体断裂、塑性变形、腐蚀、磨损、胶合和接触疲劳一般设计机械零件的判据:静强度、疲劳强度、摩擦磨损1．静强度失效机械零件在受拉、压、弯、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的静应力超过零件的强度极限而发生断裂或破坏。例如，螺栓受拉后被拉断和键或销的剪断或压溃等均属于此类失效。此外，当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生塑性变形。塑性变形将导致精度下降或定位不准等，严重影响零件的正常工作，因此也属于失效。2．疲劳强度失效大部分机械零件是在变应力条件下工作的，变应力的作用可以引起零件疲劳破坏而导致失效。另外，零件表面受到接触变应力长期作用也会产生裂纹或微粒剥落的现象。疲劳破坏是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式，是引起机械零件失效的重要原因。例如，轴受载后由于疲劳裂纹扩展而导致断裂、齿根的疲劳折断和点蚀以及链条的疲劳断裂等都是典型的疲劳破坏。机械零件的静强度失效是由于静力超过了屈服极限，并在断裂发生之前，往往出现很大的变形，因此静强度失效往往是可以发现，并可以预知的。疲劳强度失效逐步形成但很难事先预知，因此它危害更大。3．摩擦学失效摩擦学失效主要是腐蚀、磨损、打滑、胶合和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象，其结果将使零件表面产生锈蚀而使零件的抗疲劳能力降低。磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中，表面物质丧失或转移的现象。胶合是由于两相对运动表面间的油膜被破坏，在高速、重载的工作条件下，发生局部粘在一起的现象，当两表面相对滑动时，相粘结的部位被撕破而在表面上沿相对运动方向形成沟痕，称为胶合。接触疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。有些零件只有在满足某些工作条件下才能正常工作。例如，液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作，否则滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效，属于摩擦学失效。又如，带传动的打滑和螺纹的微动磨损也是摩擦学失效的例子。4．其他失效除了以上指出的主要失效形式，机械零件还有其他一些失效形式，如变形过大的刚度失效、不稳定失效等等。此外，机械零件的具体失效形式还取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及所产生的应力性质等多种因素。即使同一种零件，由于工作情况及机械的要求不同，也可能出现多种失效形式。例如齿轮传动可能出现轮齿折断、磨损、齿面疲劳点蚀、胶合或塑性变形等失效形式。1．静强度准则静强度是保证机械零件在静载荷工况条件下能正常工作的基本要求。零件的强度不够，就会出现整体断裂或塑性变形等失效形式而丧失其工作能力，甚至导致安全事故。2.1.2机械零件的设计准则式中，、—是零件的工作正应力和剪应力；[]（2.1a）或[]（2.1b）强度准则就是指零件中的最大应力小于或等于许用应力，即[]、[]—材料的许用正应力和许用剪应力，它们可以通过将材料的屈服极限（塑性材料）或是强度极限（脆性材料）除以适当的安全系数得到。Slim][Slim][2．疲劳强度准则疲劳强度是保证机械零件在变载荷工况条件下，能正常工作一定时间的基本要求。零件疲劳强度不够，就会在其工作寿命期间内出现疲劳断裂、疲劳点蚀等失效形式而丧失工作能力，甚至导致安全事故。（2.2a）或（2.2b）Slim][Slim][疲劳强度准则与式（2.1）类似，但是疲劳强度的许用应力要按下式计算：式中，S、、S—疲劳强度的正应力和剪应力的安全系数；lim、lim—材料的疲劳极限正应力和剪应力。特别需要指出：按疲劳强度设计时，因为载荷是变化的，零件的工作应力不再是简单的正应力或剪应力，除了必须考虑应力的均值和变化幅值的大小外，还必须考虑载荷变化规律的影响。另外，疲劳强度与许多因素（如载荷性质、零件尺寸、表面加工精度、应力集中情况等）有关，因此在这类机械零件的设计过程中必须根据具体工况加以修正。3．摩擦学设计准则耐磨性是指作相对运动零件的工作表面抵抗磨损的能力。机械零件磨损后，将改变其尺寸与形状，降低机械的工作精度，削弱其强度。据统计，由于磨损而导致失效的零件约占全部报废零件的80%。由于目前对磨损的计算尚无可靠、定量的计算方法，因此常采用条件性计算。验算压强p不超过许用值，以保证工作面不致产生过度磨损；验算压强和速度乘积pV值不超过许用值，以限制单位接触表面上单位时间内产生的摩擦功不致过大，可防止发生胶合破坏；验算工作速度V。p[p]（2.3a）pv[pv]（2.3b）v[v]（2.3c）以上准则可写成:式中，p—工作表面的压强，MPa；[p]—材料的许用压强，MPa；V—工作速度，m/s；[pv]—pv的许用值，MPam/s；[v]—v的许用值，m/s。4．其他准则刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。若零件刚度不够，其弯曲挠度或扭转角超过允许的限度后，将影响机械系统正常工作。例如车床主轴的弹性变形过大，将影响加工精度；齿轮轴的挠度过大，将影响一对齿轮的正确啮合，并会增加载荷沿齿宽分布的不均匀性。（1）刚度准则y[y]（2.4a）[]（2.4b）[]（2.4c）机械零件在载荷作用下所产生的弹性变形量应小于或等于机器工作时所允许的弹性变形量的极限值，即式中，y、、－零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；[y]、[]、[]－零件的许用挠度、许用偏转角和扭转角。（2）可靠性准则满足强度要求的一批完全相同的零件，在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有零件都能完成规定的功能，必有一定数量的零件会丧失工作能力而失效。可靠度：机械零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率。可靠度是衡量机械零件可靠性的一个特征量，零件的可靠度本身是一个时间的函数。为了保证所设计的零件具有所需的可靠度，就要对零件进行可靠性设计。2.2机械零件设计的基本要求和一般程序2.2.1机械零件设计的基本要求1．强度机械零件的强度不够，就会在工作中发生断裂或不允许的残余变形等。因此具有适当的强度是设计机械零件时必须满足的最基本要求。提高机械零件的强度措施：(5)提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷。(6)合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷。(1)采用强度高的材料。(2)使零件有足够的截面尺寸。(3)合理设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩。(4)采用热处理和化学处理的方法来提高材料的机械强度特性。2．刚度机械零件在工作时所产生的弹性变形量不超过允许的限度，就满足了刚度要求。通常只有当弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件（如机床主轴、导轨等），才需要满足这项要求。对于这类零件，设计时除了要作强度计算外，还必需作刚度计算。实践证明，能满足刚度要求的零件，通常其强度总是足够的。提高机械零件的刚度措施：(1)增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩。(2)缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形。(3)增大贴合面以降低压力，可提高接触刚度。(4)采用精加工以降低表面不平度。3．寿命寿命：机械零件不发生失效而正常工作所延续的时间。影响零件寿命的主要因素有：材料的疲劳、腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损等。4．可靠性对于绝大多数的机械来说，失效的发生都是随机性的。造成失效具有随机性的原因，主要是由于零件所受的载荷、环境、温度等工况条件是随机变化的，零件本身的物理及机械性能也是随机变化的，因此为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其随机变化尽可能地小。此外，在使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性。5．结构工艺性机械零件应具有良好的结构工艺性，以便于加工和装配。为此，应对机械零件进行合理而正确的结构设计；此外零件的结构工艺性还应从毛坯制造、机械加工和装配几个生产环节来综合考虑。6．经济性机械零件的经济性主要表现在零件本身的生产成本上。设计时应力求设计出成本最低的零件。零件的成本包括材料的消耗、零件的加工制造等。设计时尽量采用简单的零件结构以减少加工工时；选择适当的材料（如用廉价材料代替贵重材料）和合理的工艺；尽量采用标准件等，都将对降低零件成本有显著的作用。2.2.2机械零件设计的一般程序不同种类的机械零件，其设计计算方法不同，设计步骤亦不同，通常可按图2.1所示的设计步骤进行：选择类型受力分析选择材料确定计算准则理论设计结构设计绘制工作图编写设计说明书图2.1机械零件设计步骤1．选择类型2．受力分析3.选择材料根据零件工况条件及受载情况，选择合适的材料及热处理方法，确定材料的硬度和许用应力。通过受力分析求出作用在零件上的载荷的性质、大小、方向，以便进行设计计算。主要根据工况条件、载荷性质及尺寸大小选择零件的类型。4．确定计算准则分析机械零件的失效形式，确定其设计计算准则。5．设计计算6．结构设计根据设计准则得到设计或校核计算公式，确定机械零件的主要几何尺寸及参数。如螺栓的小径，齿轮的齿数、模数，轴的最小直径等。结构设计即将机械零件的功能转化为具体结构的设计过程。设计中应考虑零件的强度、刚度、加工和装配工艺性等要求。使设计的零件满足尺寸小、重量轻、结构简单等基本要求。7．绘制工作图8．编写设计计算说明书工作图必须符合制图标准，要求尺寸齐全并标上必要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度及技术条件。将设计计算资料整理成设计计算说明书，作为技术文件存档。2.3机械零件材料的选用原则及常用材料2.3.1机械零件材料的选用原则从各种各样的材料中选择出合用的材料，是一个较复杂的技术经济问题，通常主要考虑以下三方面的要求。1．使用要求满足使用要求是选择材料的最基本原则。使用要求通常包括零件所受载荷大小、性质及其应力状况。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到限制时，应选用强度较高的材料或强度极限与密度的比值较高的材料；承受拉伸载荷的零件宜选钢材；承受压缩载荷的零件宜选铸铁；受冲击载荷的零件，宜选用韧性好的材料；承受静应力的零件，宜选用屈服极限较高的材料；在变应力条件下工作的零件，宜选用疲劳强度较高的材料。若零件尺寸取决于刚度，且尺寸重量受到限制时，应选用弹性模量较大的材料或弹性模量与密度之比值较高的材料。若零件的尺寸取决于接触强度时，应选用可进行表面强化处理的材料，如齿轮齿面经渗碳、氮化或碳氮共渗等热处理后，其接触强度比正火或调质处理的钢大为提高。对在滑动摩擦条件下工作的零件，应选用减摩性能好的材料。在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀的材料。对于重要零件，应选用综合性能较好的材料。2．工艺要求所选材料应与机件结构的复杂程度、尺寸大小以及毛坯的制造方法相适应。如外形复杂、尺寸较大的机件，若考虑用铸造毛坯，则应选用适合铸造的材料，若考虑用焊接毛坯，则应选用焊接性能较好的材料；尺寸小、外形简单、批量大的机件，适于冲压或模锻，应选用塑性较好的材料。3．经济性要求在机械的成本中，材料费用约占30%以上，有的甚至达到50%，可见选用廉价材料有重大的意义。选用廉价材料，节约原材料，特别是贵重材料，是机械设计的一个基本原则。为了使零件的综合成本最低，除了要考虑原材料的价格外，还要考虑零件的制造费用。例如铸铁虽比钢材价廉，但对一些单件生产的机座，采用钢板型材焊接往往比用铸铁铸造快而且成本低。(1)尽量采用高强度铸铁（如球墨铸铁）来代替钢材；(2)采用热处理、化学处理或表面强化处理（如喷丸、滚压）等工艺，以充分发挥材料的潜在机械性能。(3)合理采用表面处理方式（如镀铬、镀铜、发黑等）以延缓和减轻腐蚀或磨损，延长零件的使用寿命。(4)在很多情况下，机件在其不同部位对材料有不同要求，可采用组合式结构，使零件的工作部分采用贵重材料，其它非直接工作部分则可采用廉价的材料。(5)改善工艺方法，实现少或无切削加工，