第九章--机械零件设计概论

NorthwestA&FUniversity《机械设计基础》第一节机械零件设计概述第二节机械零件的强度第三节机械零件的接触强度第四节机械零件的耐磨性第五节机械制造常用材料及其选择第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数第七节机械零件的工艺性及标准化NorthwestA&FUniversity第九章机械零件设计概论前面8章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括：1)怎样合理确定零件的形状和尺寸；2)怎样适当选择零件的材料；3)怎样使零件具有良好的工艺性等。第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论一、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。第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论2.失效的形式：①因强度不够发生断裂或塑性变形；②因刚度不够而产生过大的弹性变形；③因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；④或因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；⑤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。NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论齿轮轮齿断裂齿轮键槽断裂NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论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。强度条件：计算应力许用应力；计算量≤许用量刚度条件：变形量许用变形量；NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论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。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。NorthwestA&FUniversity第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论三、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。NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论一、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：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。变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论3.机械设计计算中的载荷：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）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。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）NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论二、应力1.设计计算的应力：名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力2.机械零件的实际应力：静应力——不随时间变化的应力。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。σtσtTNorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论3.循环变应力的衡量指标：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。应力幅σa：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。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NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论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NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论三、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：SSSlim][NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论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。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：SSBlim][NorthwestA&FUniversity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。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论2.疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：•裂纹形成•裂纹扩展•瞬时断裂疲劳源垄沟纹疲劳纹粗糙区光滑区NorthwestA&FUniversity疲劳断口的独特性：两个区疲劳区（光滑区）脆断区（粗糙区）3.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)疲劳断口均为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity4.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。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论r-----应力循环特性（应力比）；N-----疲劳断裂时应力循环次数。NorthwestA&FUniversity•疲劳极限rN——对任一给定的应力循环特征r，当应力循环N0次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。N0称为循环基数。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：CNNmrmrN0第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity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rNmrrNKNN0式中：——寿命系数；mNNNK0当N≥N0时，取N＝N0，KN=1。m为随应力状态而不同的幂指数。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity通常用σ-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。110mmNNNC5.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。对称循环变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限为011mNNN第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论应力集中的影响由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化或材料不连续处（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用有效应力集中系数kσ表示（指材料、尺寸和受载情况都相似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，即kσ=σ-1/(σ-1)k绝对尺寸的影响当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易形成。常用绝对尺寸系数εσ表示εσ=（σ-1）d/(σ-1)d0表面状态的影响包括表面粗糙度和表面处理的情况。用表面状态系数β来表示β=（σ-1）β/(σ-1)β0NorthwestA&FUniversity00kS6.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脉动循环应力时，有限寿命下的许用应力为对称循环变应力时，有限寿命下的许用应力为11NNkS00NNkS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脉动循环疲劳极限第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity六、安全系数在保证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。原则如下：•静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。S=1.2～1.5,对塑性较差的材料（σs/σB＞0.6）或铸钢件S=1.5～2.5；•静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，S=3～4；•变应力下，以疲劳极限为极限应力，S=1.3～1.7，若材料不够均匀，S=1.7～2.5。S总=S1•S2•••Sn第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论例9-1一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为W=20KN。试分析（1）拉杆、横梁及支承B的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。解（1）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力W、F及支承B的约束反力、，这些力处于同一平面内。NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论由=0得kN(拉力)拉力F可分解为和：=Fcos30°=33.87×0.866=29.33kN=Fsin30°=33.87×0.5=16.94kN由=0得kN由=0得kN顺便指出，后两个方程改写成=0和=0，同样可以求解。NorthwestA&FUniversity第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论2）小型起重设备，一般工作不频繁