第9章机械零件设计概论 §9一1机械零件设计概论 §9一2机械零件的强度 §9一3机械零件的接触强度 §9一4机械零件的耐磨性 §9一5机械制造常用材料及其选择 §9一6公差与配合、表面粗糙度和优先数象 §9一7机械零件的工艺性及标准化 HIGHER EDUCATION PRESS
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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
§9一1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： 机械零件曲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。 轴、齿轮、 轴瓦、轴、螺栓、带 断裂或塑性变形； 传动等。机械零件虽然有多种可能的 效形式，归纳起来最 主要的为 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； 发生强烈的振动；联接的松弛； 摩擦传动的打滑等
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 §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： 机械零件曲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； 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 5)绘制工作图并标注必要的技术条件
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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；
§9一2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： 0、T 强度判定条件： o] O lim [o S 其中 T≤[] [z]= S [σ=、I-许用应力 S-安全系数 Olim T lim 极限应力，由实验方法测定。 作者：潘存云教型
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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
一、应力的种类 静应力： 0=常数 变应力：σ随时间变化 平均应力： 0m 应力幅： 2 变应力的循环特性： 对称循环变应力 O min 脉动循环变应力 0=常数 静应力 变应力的特例 三十 Omin Om Omax Omin Omin 循环变应力 对称循环变应力 脉动循环变应力 r=-1 r=0
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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
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¤5 作为极限应力，许用应力为： 脆性材料：取强度极限oB 作为极限应力，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； 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 积不足以承受外载荷 生的突然斯裂。所以
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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σ与应力循环次数N之间 的关系曲线称为：疲劳曲线 由图可对：应力越小 试件能经受的循环次数就越多。试 哈表明， 当>N,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W>W时，试件将不会断裂。 W一-一循环基数 N%对应的应力称为：疲劳极限 用σ，表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 当WW时，有近似公式： oN=o%N=C 对应于N的弯曲疲劳极限： O-IN =0
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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 和表面状态等影响，为此引人应力集中系数k。尺寸 系数e。和表面状态系数B等。 当应力是对称循环变化时，许用应力为：[o]= 6。Bo- kS 当应力是脉动循环变化时，许用应力为： [oo]= EBoo kaS o。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。以上所选为“无限寿命” 有限寿命时，用o-w代入得：[a]=Ba
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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小有很大影响 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
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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
§9一3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。 金属剥落出现小坑 作者：潘存云教型
新疆大学专用 作者： 潘存云教授 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