第九章 机械零件设计概论

1. 第九章 机械零件设计概论 《机械零件》各章节主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性等。本章扼要阐明机械零件设计计算的共同性问题。包括： 零件的失效形式、设计准则、设计方法和步骤 零件的各种强度计算/零件的常用材料和工艺性 摩擦、摩损和润滑/公差与配合

2. 第九章 机械零件设计概论 机械零件的强度 机械零件的接触强度 机械零件的耐磨性 (机械制造常用材料及其选择) 公差配合、粗糙度和优先数系 机械零件设计概述 机械零件的工艺性及标准化

3. §9–1 机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是：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。 设计机械零件时，也同样要求零件工作可靠，成本低廉。 一、基本概念 失效: 机械零件由于某种原因不能正常工作的状态。 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。 承载能力: 机械零件在不发生失效时能承受的最大 载荷。

4. 共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或 接近时，发生的振幅急剧增大，失去振动稳定性的 现象。 零件的失效形式有：断裂或塑性变形；过大的弹性变 形；工作表面的过度磨损或损伤; 共振; 联接松弛; 摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳为：强度、刚 度、耐磨性、稳定性和温度的影响等问题。 工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条件。 强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量 计算量≤许用量

5. 参照实物(图纸) 和经验数据 拟定零件的结构和尺寸 拟定零件的计算简图 确定作用在零件上的载荷 设计计算法 校核计算法 选择合适的材料 选用相应判定条件 选用相应判定条件 验算零件结构和尺寸 确定零件形状和主要尺寸 验算，修改零件 绘制工作图，标注技术条件 二、机械零件设计类型和步骤

6. §9-2 机械零件的强度 一、基本概念 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在 零件上的载荷。 载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比值。 它考虑的是机械工作时，零件受到的各种 附加载荷。 名义应力:当载荷为名义载荷时计算出的应力。 计算应力：按计算载荷求得的应力。

7. 二、强度判定条件 σ ≤ [σ] = σlim/S τ ≤ [τ] = τlim/S 注： [σ]和[τ]为许用正应力和许用剪应力，取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。 σlim和τlim为极限正应力和极限剪应力。在简单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况在后面讨论。 S: 安全系数

8. σmax-σmin σmax+σmin σa= ———— σm= ———— 2 2 脉动循环变 应力r =0 静应力r = 0 对称循环变应力 r = -1 σm = 0 σmin r = —— σmax 表示应变力中应呼变化的情况 一般循环变应力 σmax=σmin=σm σa=0 σm =σa=σmax/2 σmin =0 σa= σmax=-σmin 三、应力的种类 静应力：不随时间变化的应力 应力 变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性变化时，称为循环变应力。 按随时间变化情况分 应力的参数 平均应力： 应力幅： 循环特性：

9. 四、静应力下的许用应力(） 静应力下，零件失效形式为：断裂或塑性变形。 塑性材料：[σ]=σs /S∵σlim= σs(材料的屈服极限) 脆性材料：[σ]=σB/S∵σlim= σB(材料的强度极限) P123表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。 五、变应力下的许用应力 变应力下．零件的失效形式是疲劳断裂。 疲劳断裂的特征有： 1)断裂时的最大应力远低于σB，甚至低于σs； 2)断口为无明显塑性变形的脆性突然断裂 3)是损伤的积累，初期只在零件表面或表层形成微裂纹。P120图9-2为轴的弯曲疲劳断裂的断口．

10. 疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度后的突然断裂，所以它与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度后的突然断裂，所以它与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。 疲劳曲线：表示应力σ(纵坐标)与应力循环次数N(横坐标) 之间的关系曲线(浴盆曲线)。 循环基数N0 : 疲劳曲线趋于水平时的循环次数。通常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断裂。 疲劳极限：对应于N0时的应力。常用σ-1表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。 当N< N0时, 疲劳曲线可表示为: σ-1NmN=σ-1mN0=C (m: 随应力状态而不同的幂指数，弯曲时m=9) 故对应于循环次数的弯曲疲劳极限为： σ-1N=σ-1√N0 /N m

11. 许用应力： 变应力下，许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力，同时还应考虑零件的截面突变(应力集中系数kσ)、绝对尺寸(尺寸系数 εσ)和表面状态(表面状态系数β)等影响。 对称循环应力的许用值：[σ-1]=εσβσ-1/(kσS) 脉动循环应力的许用值：[σ0]=εσβσ0/(kσS) 通常设计时, 用“有限寿命”代替“无限寿命”下零件的许用应力，以便使用较大的许用应力[σ-1N]，从而减小零件的体积和重量。 [σ-1N] = εσ βσ-1√N0 /N /(kσS) m

12. 六、安全系数

13. 七、例题(P117~P119 例9-1~3) P119 例9-3的结论: 一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力是脉功循环变应力。 单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性

14. §9–3 机械零件的接触强度 整体强度：零件在较大的体积内受载时产生应力，此应力状态下的强度称为整体强度。 接触强度：两个点、线接触的零件受载后在接触处产生的局部应力。这时零件强度称为接触强度。 疲劳点蚀：作周期性变化的接触应力使零件表面形成一些小坑的现象。疲劳点蚀使减小了接触面积，损坏了零件表面, 降低了零件承载能力, 并引起振动和噪声。它是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。

15. 接触疲劳强度的判定条件为： • σH ≤ [σH ] = σHlim/SH • (σHlim由实验测得, SH >1) • 若两零件硬度不同，常以较软零件的接触疲 • 劳极限为准。 • 接触应力的特点 • 大小相等、方向相反； • 左右对称； • 稍离接触区中线即迅速降低等。

16. §9–4 机械零件的耐磨性 磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。 耐磨性：零件抗磨损的能力。 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增大；应立即停车检修、换零件。 机械磨损的主要类型： 磨粒磨损/粘着磨损/疲劳磨损/腐蚀磨损 耐磨计算： 限制强度准则： p≤ [ p] 当相对速度大时，应校核接触面的发热：pv≤[pv]

17. §9–6 公差配合、粗糙度和优先数系 一、公差与配合(参考《互换性与测量技术基础》) 大规模生产要求零件具有互换性。互换性要求建立标准化的公差与配合。我国的公差与配合采用国际公差制。 公差：零件允许的最大尺寸与最小尺寸之差。 基本尺寸：设计给定的尺寸。

18. 配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、 过度和过盈配合三种。配合制度有基孔制和基 轴制两种。 公差带：上下偏差间的尺寸。孔与轴各有28个。 机械制造中最常用的公差等级是4~11级。4、5级用于特精密零件；6、7级用于重要零件，是生产中常用精度等级。8、9级用于中等精度零件。10、11级用于低精度零件。

19. 二、表面粗糙度 表面粗糙度： 指零件表面的微观几何形状误差。 它是零件加工后在表面留下的刀痕。用被测轮 廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值 Ra 来表示。通常精度越高，要求Ra 越小。

20. 三、优先数系 优先数系：用来使型号、直径、转速、承载 量和功率等量值得到合理分组，以便组织 生产和降低成本的一组等比数系。 GB321-80规定的优先数系有四种基本系列，即R5、R10、 R20、R40系列。在确定量值的分级时，必须最大限度地采用优先数及优先数系。 优先数：优先数系中的各数。 如：R5=101/5=1.6 优先数系：1 1.6 2.5…

21. §9–7 机械零件的工艺性和标准化 一、工艺性 零件设计时不仅要有适用性，还要有良好的工艺性。工艺性的基本要求是： (1) 毛坯选择合理 (2) 结构简单合理 (3) 规定适当的制造精度及表面粗糙度 二、标准化 标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。 标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质量，降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于维护维修。我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。