第9章 机械零件设计概论1

本章重点：§9-2机械零件的的强度§9-3机械零件的接触强度机械零件设计的特点：1～8章讲的是机械原理部分，理论性较强。本章开始学习机械设计部分。机械设计也称为机械零件设计，其实践性、灵活性较强，综合性也强。1、六多：关系多、门类多、要求多、公式多、图形多、表格多；2、系统性较差：前后各章联系较少；3、设计结果一般不同：机械零件的学习方法这一部分实践性非常强，其系统性、理论性要差一些；要求设计出零件的每一个细节。比如：曲柄滑块机构：曲柄滑块机构Ｌ１Ｌ２机械设计则要求：形状、截面尺寸、强度、刚度、寿命、材料、加工方法强度是指某种材料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。机械零件学习的方法及要求：对公式除少数外，一般不要求记忆和推导，要求会用公式即可。重点掌握：⑴、设计思想、思路、设计准则和设计原则、设计步骤；⑵、公式中参数选择的原则及其影响因素；要求：要联系生产实际来学习，培养解决工程实际问题的能力。不强调系统的理论分析，不强调公式的推导。机械零件学习的方法及要求：注：计算虽然很重要，但不要太看中。因为计算只是设计选择的一个基础，因此计算一般不要求那么精确；9－1机械零件设计概述一、设计机械零件时的基本要求：简言之，机械零件应满足的基本要求有两个：1、工作可靠，避免在预定寿命期内失效；性能好、效率高这是最基本的要求2、成本低选材合理：精度不要太高：加工方便：二、机械零部件的设计思路工作能力失效形式设计准则强度计算三、机械零件的主要失效形式失效——指机械零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。失效并不等于破坏，多数情况下是零件没有破坏，但零件已达不到设计要求的性能时，也叫失效。失效的主要形式有：㈠、整体断裂：如轴断了，原因：σσB㈡、过大的弹性变形塑性变形：原因：σσS（屈服极限）上述两种失效形式一般是在很短时间内发生的；接触疲劳：表面破坏－－是长期作用的结果㈢、零件的表面破坏：腐蚀：氧化、生锈；磨损：有接触、摩擦，则有磨损；㈣、破坏工作条件：如忘了加润滑油；温度过高；联接螺栓松动了；打滑等；主要的失效形式不同，则采用的设计准则也不同.机械零件的失效形式虽然有很多种，但是可归纳为下列5个方面：⑴、强度⑵、刚度⑶、耐磨性⑷、温度⑸、振动稳定性对于不同的失效形式，就应采用不同的设计准则。注意：同一个零件可能同时具有几种失效形式。这时应通过分析，找出最主要的失效形式，然后按主要的失效形式进行设计。四、机械零件的工作能力－－－指在不发生失效的条件下，零件安全工作的限度。对于载荷而言，这个工作能力（安全限度）又称为承载能力。汽车载重量：8T表示……五、机械零件的设计准则机械零件设计的主要任务：•就是根据零件的主要失效形式，确定相应的设计准则，寻找能满足预定功能和性能要求的最优设计方案。•常用设计准则有以下几种：机械零件的计算准则设计准则计算公式失效形式典型零部件强度准则lim/S断裂、疲劳破坏、残余变形轴、齿轮、带轮等刚度准则y[y]弹性变形轴、蜗杆等寿命准则满足额定寿命腐蚀、磨损、疲劳滚动轴承等振动稳定性0.85ffp或1.15ffp共振产生的工作失常滚动轴承、齿轮、滑动轴承可靠性准则R=N/N0六、机械零件设计的一般步骤计算作用在零件上的载荷选择材料通过计算，确定零件的基本尺寸零件的结构设计必要时对零件进行校核计算绘制零件工作图，编写说明书零件的使用要求选择零件的类型和结构分析零件可能的失效形式确定设计准则一.载荷与应力的分类：机器所承受的载荷主要是力和力矩。1.按载荷性质（变化程度）分静载荷－－不随时间变化的载荷；如起重机吊钩的力动载荷－－随时间变化的载荷；如齿轮表面2.按设计时的用途或来源分⑴、名义载荷F、T－－在理想情况下，根据原动机功率，按理论力学、机械原理等理论方法计算出来的载荷。是没有考虑工作情况影响的理论计算值。比如：已知原动机功率P，可计算出零件的转矩T：9-2机械零件的强度⑵、计算载荷：是对名义载荷的修正Fc＝K*FTc＝k*TK－－是考虑到机器振动、冲击、速度波动等引起的附加载荷而引入的修正系数，称为载荷系数。K值可查表。nP.T610559转矩P－－原动机功率KWn－－原动机的转速T－－转矩，N.mm由P＝F*V＝F*ω*R=T*ω=T*2πn/60,T－N.m名义应力：与名义载荷相对应AFAFCC3、应力的分类：按计算过程（用途）分计算应力：与计算载荷相对应二、零件强度的概念及分类㈠、强度的分类强度－－是零、部件抵抗整体断裂或表面破裂和过大的塑性变形的能力。1、按载荷性质分为：静应力强度：静载荷作用下的强度问题，如机座、螺栓截面、锅炉的强度；一般认为在整个工作寿命周期内应力变化次数小于1000次的通用零件，均近似按静应力强度进行设计。变应力强度：即疲劳强度，是变载荷作用下的强度问题。如齿轮表面出现裂纹，滚动轴承的钢珠出现小黑点，属于疲劳强度不够。2、按载荷作用范围分为：来工作的零件,它们都是依靠表面接触来工作的，其应力主要产生在接触表面上，属于局部应力。因为其接触面积很小，所以其应力很大。我们把依靠表面接触来工作的零件，其强度称为表面强度。整体强度：指零件受载时，是在较大的体积内产生应力，这时的零件强度称为整体强度：如吊钩强度。我们一般讲的强度都是指的整体强度。表面强度（局部强度）：通过两个零件的表面接触根据接触状态和工作条件的不同,表面强度分为：⑴、表面接触强度⑵、表面挤压强度⑶、表面磨损强度㈡、判断危险截面处强度的方法（强度条件）一般是判断危险截面处的计算（最大）应力:极限应力slim静应力时：塑性材料取：脆性材料取：Blim变应力时取：rNlim疲劳极限实际计算正应力：slimslim许用安全系数许用应力极限应力的取值方法：1.判断危险截面处的计算（最大）应力:2.判断危险截面处的实际安全系数：实际计算的正应力安全系数：）－（22limsslimslimsslim极限应力许用安全系数危险截面处的计算应力sslims注意：1、上述两种方法,都可以判断强度是否满足要求。具体采用哪一种要根据可以利用的数据和计算惯例来决定.2、上面两个公式是等价的。具有周期性变化的变应力称为循环变应力。如果应力变化周期T、应力幅和平均应力均不随时间而变者则称为稳定（循环）变应力。三、应力的种类和特点按照应力随时间变化的情况分：静应力：不随时间变化的应力，如吊钩应力变应力：随时间变化的应力，如轮胎稳定（循环）变应力的分类：可分为：1非对称循环变应力2脉动循环变应力3对称循环变应力稳定变应力可用五个参数描述：rammaxmin和、、、10minmaxramamamamrminmaxmaxminminmaxminmax22非对称循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力循环特性或应力比注意：计算循环特性r时：maxminr确定最小应力σmin很重要；选取σmin的方法：取绝对值最小的拉应力或压应力为最小应力σmin；取绝对值最大的拉应力或压应力为最大应力σmax。但是，在计算时又要带＋、－号（拉应力取“＋”）；这样就保证了－1≤r≤＋1。五个参数中任意的两个来表示，常用的有：σm和σa、σmax和σmin。如果已知其中任意两个参数，就可计算出其它三个参数值。循环变应力的特性可用rammaxmin和、、、另外：当循环特性r＝1时为静应力1maxmin＝这时rmaxmin即10minmaxram注：变应力一般由动载荷产生，但也可由静载荷产生。小结r=0:r=－1:r＝－1～1：r的取值范围为：r＝＋1：脉动循环变应力对称循环变应力静应力非对称循环变应力－1≤r≤＋1•例1、一对齿轮啮合时从动轮2齿根a、b两点处所受的力属于什么变应力其循环特性r＝？答：属于脉动循环变应力a点受拉，b点受压r＝0；主动被动2abFba四、静应力下的许用应力slimsSslim静应力时：塑性材料取：脆性材料取：BlimsssBsB许用安全系数可查手册五、变应力下的许用应力在变应力作用下，零件的失效形式主要是疲劳破坏。疲劳断裂的形成过程•可分为两个阶段：⑴、产生初始裂纹（形成疲劳源）：在表面应力大、刀痕处⑵、裂纹扩大断裂：断裂有效面积裂纹扩大裂纹尖端一张一闭注：疲劳断裂与一般的静力作用下的断裂完全不同静应力作用下机械零件的损坏，是由于在危险截面中产生过大的塑性变形而最终断裂。疲劳断裂是在初始裂纹扩展到一定程度后，因为有效截面积减小，应力太大，才突然断裂的。1、疲劳极限的概念：在变应力作用下，零件的失效形式主要是疲劳破坏，其强度条件为：ssrNlim疲劳极限σrN－－是指用一组标准试件进行疲劳试验，在应力循环特性为r（如r＝－1）时，试件受“N”次变应力循环作用而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限。疲劳极限许用安全系数－－是表示在标准试验条件下，某一种材料的疲劳极限σrN或τrN与极限循环次数N之间的关系曲线。2、材料的疲劳曲线：注：疲劳曲线是通过实验得出来的。若已知材料的疲劳曲线，则可根据N查得疲劳极限σrNrN极限循环次数标准试验条件：σrN－N或τrN－N曲线。σrN1N1N00N②、对同一种材料，当N疲劳极限有限寿命区无限寿命区r疲劳曲线极限循环次数①、N＝0时，σrN＝σs（σB，静应力）由图可以看出：④、疲劳曲线分为两个区域：有限寿命区和无限寿命区③、当N≥No时，曲线变成水平直线，这时当N继续增加时，σrN＝常数，记为σr，No叫循环基数σrN持久疲劳极限rNNo次循环对应的疲劳极限记为：σrσr称为持久极限。例如：当r＝－1时对应的疲劳极限记为：σ－1当r＝0时对应的疲劳极限记为：σ0当r＝0.5时对应的疲劳极限记为：σ0.5有限寿命区：N＜No的区域；No叫循环基数在这个区域，当NσrN无限寿命区：当N≥No的区域，在这个区域，当NσrN＝常数，②、循环基数No：是由试验测出来的如钢的硬度≤350HB时，次76010~10N次7010*)25~10(N钢的硬度＞350HB时，N∞时，材料也不会疲劳破坏，所以叫无限寿命区注：①、当实际工作应力σ≤σr时：常数NmrNrNrmrNKNN0可以推出由试验得出：在有限寿命区内（CD），疲劳曲线可以近似用下列公式表示：0NrrN3、疲劳极限的计算公式：称为寿命系数0mrN当N≥No时，取KN＝1m－－是与材料性能有关的指数，如对于钢：当为拉、弯曲应力时，取m＝9；当为接触应力时取m＝8mNNNK0•例1、某材料r＝－1，m＝9。求当N＝、、次时的Mpa2801次10360N510610710rN解：⑴、当N＝时，∵NNo510rmNrNNN01所以，Mpa6.4081010*39561疲劳曲线的主要作用是：•求出循环次数N=No循环基数时，对应的疲劳极限r⑵、同理，N＝时，NNo610Mpa4.316rN⑶、当N=时710MpaKNrN28011•然后再用公式计算出所以，N在无限寿命区，故KN＝1（易出错）因为NNormrNNN04、变应力下的许用应力强度条件：ssrNlimssrNlim许用应力:材料的疲劳极限4、变应力下的许用应力对于零件，还要考虑尺寸大小、应力集中（尺寸、形状突变）和表面加工质量的影响。故要引入三个系数。sKrNrN当N＜N0时当N≥N0时sKrr尺寸系数表面