第9章机械零件设计概论 基本内容:机械零件设计概述;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;公差与配合、表面粗糙度:;机械零件的工艺 性和标准化。 基本要求:理解机械零件设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则、材料选择的 般要求;了解机械零件的结构工艺性、公差与配合及其标准的意义 重点:机械零件设计应满足的要求和一般步骤、机械零件的工作能力和计算准则。 学时:授课时数:2学时 第一讲 §9-1机械零件设计概述 基本概念 1、机械零件的失效一一机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象 2、机械零件的失效形式: 断裂或塑性变形 B、过大的弹性变形 C、磨损 D、强烈的振动 E、其他—一联接的松弛;摩擦传动的打滑等。 3、机械零件的工作能力一一在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度 对载荷而言一—称为承载能力 对磨损而言—一称耐磨性 、机械零件设计应满足的基本要求 机械零件的设计既要工作可靠,又要成本低廉 三、机械零件设计的计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式,但归纳起来最主要的是强度、刚度、耐磨性、 稳定性和温度的影响等几个方面的问题
- 1 - 第 9 章 机械零件设计概论 基本内容：机械零件设计概述；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；公差与配合、表面粗糙度；机械零件的工艺 性和标准化。 基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则、材料选择的 一般要求；了解机械零件的结构工艺性、公差与配合及其标准的意义。 重 点：机械零件设计应满足的要求和一般步骤、机械零件的工作能力和计算准则。 学 时：授课时数：2 学时 第一讲 §9-1 机械零件设计概述 一、基本概念 1、 机械零件的失效——机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象。 2、 机械零件的失效形式： A、 断裂或塑性变形 B、 过大的弹性变形 C、 磨损 D、 强烈的振动 E、 其他——联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 3、 机械零件的工作能力——在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。 对载荷而言——称为承载能力； 对磨损而言——称耐磨性。 二、机械零件设计应满足的基本要求 机械零件的设计既要工作可靠，又要成本低廉。 三、机械零件设计的计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的是强度、刚度、耐磨性、 稳定性和温度的影响等几个方面的问题
当强度为主要问题时,按强度条件判定,即工作应力≤许用应力; 一一当刚度为主要问题时,按刚度条件判定,即变形量≤许用变形量:等 判定条件可概括为:计算量≤许用量 四、机械零件设计的一般步骤 机械零件的设计常按下列步骤进行: 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 5)确定零件的形状和主要尺寸 6)绘制工作图并标注必要的技术条件。 §9-2机械零件的强度(整体) 、计算准则 零件的强度判定条件中,常用的方式是比较危险截面处的计算应力是否小于零件材料 的许用应力。 σ≤[}o] r≤[}[ 二、载荷的种类 静载荷 变载荷(周期性、非周期性、冲击) 一一名义教荷:在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 计算教荷:载荷系数K与名义载荷的乘积 K是考虑零件受到的各种附加载荷的作用、载荷大小随时间的不均匀性、分布 的不均匀性等因素的影响
- 2 - ——当强度为主要问题时，按强度条件判定，即工作应力≤许用应力； ——当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量；等。 判定条件可概括为：计算量≤许用量。 四、机械零件设计的一般步骤 机械零件的设计常按下列步骤进行： 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 5） 确定零件的形状和主要尺寸 6） 绘制工作图并标注必要的技术条件。 §9-2 机械零件的强度（整体） 一、计算准则 零件的强度判定条件中，常用的方式是比较危险截面处的计算应力是否小于零件材料 的许用应力。 S S lim lim = = ， ， 二、载荷的种类 ——静载荷 ——变载荷（周期性、非周期性、冲击） ——名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 ——计算载荷：载荷系数 K 与名义载荷的乘积 K 是考虑零件受到的各种附加载荷的作用、载荷大小随时间的不均匀性、分布 的不均匀性等因素的影响
在机械零件的设计计算中,用计算载荷作为作用在零件上的实际载荷进行计算的。 三、应力的种类 一静应力 名义应力 变应力:周期性、非周期性 计算应力 静应力 非对称循环变应力 对称循环变应力 脉动循 环变应力 变应力的参数:σmax、0mmn、σa、σm、r、T 各参数之间的关系: σnx+a1 2 G nHx 四、工作应力的计算 对于在简单应力状态下工作的零件,可根据F/A、M/W、T/Wn,进行计算: 对于在复杂应力状态下工作的零件,则应根据材料力学中所述的强度理论进行计算 五、静应力下的许用应力 许用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。 材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的
- 3 - 在机械零件的设计计算中，用计算载荷作为作用在零件上的实际载荷进行计算的。 三、应力的种类 ——静应力 ——名义应力 ——变应力：周期性、非周期性 ——计算应力 静应力 非对称循环变应力 对称循环变应力 脉动循 环变应力 变应力的参数：σmax、σmin、σa、σm、r、T 各参数之间的关系： 四、工作应力的计算 对于在简单应力状态下工作的零件，可根据 F／A、M／W、T／Wn，进行计算； 对于在复杂应力状态下工作的零件，则应根据材料力学中所述的强度理论进行计算。 五、静应力下的许用应力 许用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。 材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的
△静应力下,零件的损坏形式:断裂或塑性变形 一一对于塑性材料:按不发生塑性变形的条件进行计算。其许用应力为 S 对于脆性材料:应取强度极限的作为极限应力,其许用应力为 —一对于组织均匀的脆性材料,如淬火后低温回火的高强度钢,还应考虑应力集中 的影响 灰铸铁虽属脆性材料,但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在,其内部组织的不均匀性 已远大于外部应力集中的影响,故计算时不考虑应力集中。 表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。 六、变应力下的许用应力 △变应力下,零件的损坏形式是疲劳断裂。与静应力下零件的断裂不同。 一一疲劳断裂具有以下特征 1)疲劳断裂的最大应力低于屈服极限 什的枝背区 2)无明显塑性变形的脆性突然断裂 前沿线 3)断口上明显地有两个区域:光滑区、粗糙区 粗糙的断裂区 4)疲劳断裂是损伤的积累的结果
- 4 - △静应力下，零件的损坏形式：断裂或塑性变形。 ——对于塑性材料：按不发生塑性变形的条件进行计算。其许用应力为 ——对于脆性材料：应取强度极限的作为极限应力，其许用应力为 ——对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢，还应考虑应力集中 的影响。 灰铸铁虽属脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在，其内部组织的不均匀性 已远大于外部应力集中的影响，故计算时不考虑应力集中。 表 9－1 列举了一些常用钢铁材料的极限应力。 六、变应力下的许用应力 △变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与静应力下零件的断裂不同。 ——疲劳断裂具有以下特征： 1） 疲劳断裂的最大应力低于屈服极限； 2） 无明显塑性变形的脆性突然断裂； 3） 断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区 4） 疲劳断裂是损伤的积累的结果
由于疲劳断裂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(使用期限或寿命)密切相关。因而许用应力就不能根据屈服极限或强度极限来确定。 1.疲劳曲线 在循环特性r下的变应力,经过N次循环后,材料 不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σrN或τrN 如图所示为表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线 (0一N或,τ一N曲线)由实验方法得出 从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知,当循环次数N超过某一数值No以后,曲线 趋向水平,即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂。 疲劳曲线可以分成两个区域:N<No为有限寿命区;N>No为无限寿命区。 No—一称为循环基数,对应于No时的极限应力称为材料的疲劳极限,通常用σr表 △在有限寿命区:103(104)<N≤No范围内 疲劳曲线方程式一一根据初等幂函数 ONN= ONo=c INo=C 当r=1时 NN=σ-n1N=C 式中m—随材料和应力状态而不同的幂指数,例如弯曲时m=9 0rN一对应于循环次数N的疲劳极限 从上式可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限 2.许用应力
- 5 - 由于疲劳断裂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（使用期限或寿命）密切相关。因而许用应力就不能根据屈服极限或强度极限来确定。 1．疲劳曲线 在循环特性 r 下的变应力，经过 N 次循环后，材料 不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σrN 或τrN。 如图所示为表示应力σ与应力循环次数 N 之间的关系曲线 （σ一 N 或，τ一 N 曲线）由实验方法得出。 从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数 N 超过某一数值 No 以后，曲线 趋向水平，即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂。 疲劳曲线可以分成两个区域：N＜No 为有限寿命区；N＞No 为无限寿命区。 No——称为循环基数，对应于 No 时的极限应力称为材料的疲劳极限，通常用σr 表 示。 △在有限寿命区： 103 （104）＜N≤No 范围内 疲劳曲线方程式——根据初等幂函数 当 r=-1 时 式中 m——随材料和应力状态而不同的幂指数，例如弯曲时 m=9。 σr N——对应于循环次数 N 的疲劳极限 从上式可求得对应于循环次数 N 的弯曲疲劳极限 2．许用应力