第9章机械零件设计概论 §9-1机械零件设计概论 §9-2机械零件的强度 §9-3机械零件的接触强度 §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公差与配合、表面粗糙度和优先数糸 §9-7机械零件的工艺性及标准化 HIGH EDUCATION PRESS
第9章 机械零件设计概论 §9－1 机械零件设计概论 §9－2 机械零件的强度 §9－3 机械零件的接触强度 §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 公差与配合、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机械零件设计概论 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。 机械零件的失效: 机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。 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。通常此限度是对载荷而言,所以习惯上 又称为:承载能力。 断裂或塑性变形: 过大的弹性变形 零件的失效形式:〈工作表面的过度磨损或损伤; 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓 带传动等。机械零件虽然有多种 发生强烈的振动;联接的松弛; 可能的失效形式,归纳起来最主 要的为 摩擦传动的打滑等
§9－1 机械零件设计概论 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。 机械零件的失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。 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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上 又称为：承载能力。 零件的失效形式: 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; 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、 带传动等。机械零件虽然有多种 可能的失效形式，归纳起来最主 要的为
失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。对各种不同的失效形式,也各有相应的工作能力判定条件 强度条件:计算应力<许用应力; 刚度条件:变形量<许用变形量; 防止失效的判定条件是: 计算量<许用量--工作能力计算准则。 机械零件设计的步骤: 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;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谁、规格加以圆整 5)绘制工作图并标注必要的技术条件
对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件 强度条件：计算应力<许用应力； 机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是： 计算量<许用量 ----工作能力计算准则。 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 ; 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谁、规格加以圆整 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。 刚度条件：变形量<许用变形量；
§9-2机械零件的强度 名义载荷--在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。然而在机器运转时,零件还会受到各种附加载荷,通常用引入 名义应力---按名义载荷计算所得之应力。 载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。 计算载荷---载荷系数与名义载荷的乘积 计算应力-按名义载荷计算所得之应力:σ、T 强度判定条件: lim S 其中 [<[G] lim G=、|τ--许用应力S--2安全系数 1in、τim--极限应力,由实验方法测定
载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。 名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。 §9－2 机械零件的强度 计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。 计算应力-----按名义载荷计算所得之应力： 名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。 强度判 定条件： 其中 [ ] [ ] σ、τ [σ]=、[τ]-----许用应力 S-----安全系数 σlim、τ lim -----极限应力，由实验方法测定。 = = S S lim lim [ ] [ ] 然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入
应力的种类 静应力:=常数变应力:随时间变化 平均应力m2应力幅:=2m 变应力的循环特性 对称循环变应力 0--脉动循环变应力 a常数 max 1--静应力 静应力是变应力的特例 0 r=+1 a max pmin mn m t o mIn 循环变应力 对称循环变应力脉动循环变应力 r=0
一、应力的种类 o t σ σ=常数 σmax 脉动循环变应力 r =0 σm 静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化 2 max min + 平均应力 m = : 2 max min − 应力幅: a = T σmax σmin σa σa σm 循环变应力 o t σ 变应力的循环特性: max min r = σmax σmin σa σa 对称循环变应力 r =-1 o t σ ----脉动循环变应力 -1 ----对称循环变应力 = 0 +1 ----静应力 o t σ σa σa σmin r =+1 静应力是变应力的特例
静应力下的许用应力 静应力下,零件材料的破坏形式:断裂或塑性变形 塑性材料,取屈服极限σ作 为极限应力,许用应力为: S 脆性材料:取强度极限σg作 B 为极限应力,许用应力为: 三、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。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; 不管脆性材料或塑性材料 2)疲劳断口均表现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。它的初期现象是 在零件表面或表层形成微裂纹,这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展,直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷 时,就突然断裂。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 疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂
二、静应力下的许用应力 静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形 塑性材料，取屈服极限σS 作 为极限应力,许用应力为： 脆性材料：取强度极限σB 作 为极限应力,许用应力为： S s [ ] = S B [ ] = 三、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。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) 疲劳断口均表现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。它的初期现象是 在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷 时，就突然断裂。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 疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。 不管脆性材料或塑性材料
1、疲劳曲线 应力o与应力循环次数N之间 的关系曲线称为:疲劳曲线 由图可知:应力越小,试件能经受的循环次数就越 多。试验表明,当N>M以后,曲线趋于水平,可认 为在无限次循环时试件将不会断裂 当MM时,试件将不会断裂。 N---循环基数 M对应的应力称为疲劳极限 用a表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 当MM时,有近似公式:amxN=OmN=C 对应于N的弯曲疲劳极限:a=0NN
1、疲劳曲线 N O σ σ-1 N0 σ-1N N 由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越 多。试验表明，当 N>N0以后，曲线趋于水平，可认 为在无限次循环时试件将不会断裂。 应力σ与应力循环次数N 之间 的关系曲线称为：疲劳曲线 当N>N0 时,试件将不会断裂。 N0 ----循环基数 N0 对应的应力称为： N N C m m 当N<N −1N = −1 0 = 0 时, 有近似公式： 对应于N 的弯曲疲劳极限： 疲劳极限 用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 m N N N0 −1 = −1
2、许用应力 在变应力,应取材料的疲劳极限作为极限应力。同 时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸 和表面状态等影晌,为此引人应力集中系数k。尺寸 系数ε和表面状态系数β等。 当应力是对称循环变化时,许用应力为:|/sB 当应力是脉动循环变化时,许用应力为:[a=≤Bn k s σo为材料的脉动循环疲劳极限,S为安全系数。以上 各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命 有限寿命时,用。1代入得:/N k_S VN
2、许用应力 在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同 时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸 和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸 系数εσ和表面状态系数β等。 k S 1 1 [ ] − 当应力是对称循环变化时，许用应力为： − = 当应力是脉动循环变化时，许用应力为： k S 0 0 [ ] = σ0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上 各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命” ， m N N k S 1 0 1 [ ] − 有限寿命时，用σ − = -1N代入得：
四、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 S↑→零件尺寸大,结构笨重。 S↓→可能不安全。 典型机械的S可通过查表求得。无表可查时,按 以下原则取: 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 2)静应力下,脆性材料,如高强度钢或铸铁: S=3~4 3)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
四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 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 S↑ 典型机械的 S 可通过查表求得。 无表可查时，按 以下原则取： → 零件尺寸大，结构笨重。 S↓ → 可能不安全。 ２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =3～4 3）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
§9-3机械零件的接触强度 若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后, 由于变形其接触处为一小面积,通常此面积甚小而表 层产生的局部应力却很大,这种应力称为接触应力。 这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 失效形式常表现为:疲劳点蚀 后果:减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面 降低了承载能力、引起振动和噪音。 VID 金属剥落出现小坑
初始疲劳裂纹 §9－3 机械零件的接触强度 若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后， 由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表 层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。 这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、凸轮、滚动轴承等。 机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的， 在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始 疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将 产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片 状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑 ，这种现象 称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积， 损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。 裂纹的扩展与断裂 油 失效形式常表现为：疲劳点蚀 金属剥落出现小坑 后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、 降低了承载能力、引起振动和噪音