西工大机械原理第9章机械零件设计概论

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。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）、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。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。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。§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，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。§9-1机械零件设计概述§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。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。§9-2机械零件的强度二．应力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。§9-2机械零件的强度σσttT§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。Tσtσmaxσminσmσamax2minmmax2minamaxminr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§9-2机械零件的强度对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力应力时间应力时间应力时间三．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：§9-2机械零件的强度[]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：SSSlim][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。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：§9-2机械零件的强度SSBlim][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。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。§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§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。疲劳曲线的左半部（N＜N0），可近似地用下列方程式表示：CNNmmN011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1011NmNKNN§9-2机械零件的强度式中：——寿命系数；mNNNK0当N≥N0时，取KN=1。m为随应力状态而不同的幂指数。§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kK11011dd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表面状态的影响表面状态对疲劳极限的影响用表面状况系数β来表示：011§9-2机械零件的强度00kS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:11kS■当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为: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典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：2）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）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§9-2机械零件的强度六、安全系数§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。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：§9-3机械零件的接触强度122212121111nHFbEE令11121及，EEE121121对于钢或铸铁，取μ1=μ2=μ=0.3，则上式简化为：210.41821nnHFEFEbb（）§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：MPaHBSH7076.2lim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。磨损量时间O磨合稳定磨损剧烈磨损二．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。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。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。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。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§9-4机械零件的耐磨性五．耐磨性计算1.实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即p≤[p]式中[p]是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。2.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fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将pv值与许用[pv]值进行比较，即pv≤[pv]§9-4机械零件的耐磨性§9-5机械制造常用材料及其选择一、常用材料铜合金铸钢：等合金钢：碳素钢根据化学成分％）高碳钢（含碳量：）中碳钢（含碳量：）低碳钢（含碳量：根据