第9章机械设计

1、第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论 一、本课程的研究对象一、本课程的研究对象 机械零件：通用零件机械零件：通用零件( (标准零件、非标准件标准零件、非标准件) ) 专用零件专用零件 本课程的设计性、综合性和实践性都较强本课程的设计性、综合性和实践性都较强 本课程的研究对象：本课程的研究对象：一般参数的通用零件的设计理论与方法一般参数的通用零件的设计理论与方法 部件：为完成特定的功能在结构上组合在一起并且协同工作部件：为完成特定的功能在结构上组合在一起并且协同工作 的零件组合的零件组合 具体内容：具体内容： 总论部分总论部分 传动部分传动部分 轴系部分轴系部分 设计的基本原则、设计计算

2、理论、材料选择等设计的基本原则、设计计算理论、材料选择等 螺纹联接、键联接、销联接等螺纹联接、键联接、销联接等 轴承、联轴器、离合器等轴承、联轴器、离合器等 螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、 链传动等链传动等 联接部分联接部分 二、本课程的任务：二、本课程的任务： 1）树立正确的设计思想）树立正确的设计思想 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律 3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范） 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能）

3、掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能 5）了解机械设计的最新动态）了解机械设计的最新动态。 三、本课程的学习方法：三、本课程的学习方法： 1、着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握。、着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握。 2、着重理解公式建立的条件和公式应用，不强调对理论公、着重理解公式建立的条件和公式应用，不强调对理论公 式的推导式的推导 3、重视公式的应用和具体设计方法的掌握，不要把主要精、重视公式的应用和具体设计方法的掌握，不要把主要精 力放在公式的记忆上力放在公式的记忆上 四、机械设计的一般程序四、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序、机器设计的一般程序 市场调市场

4、调 研研 可行性可行性 研究研究 原理原理 方案方案 设计设计 技 术技 术 设设 计计 试制试制 试验试验 小批生小批生 产试销产试销 投投 产产 设设 计计 任任 务务 书书 定定 出出 最最 佳佳 方方 案案 装配图、装配图、 零件图、零件图、 技术文件技术文件 样样 机机 评评 价价 改改 进进 考核考核 工艺工艺 性、性、 收集收集 用户用户 意见意见 产产 品品 销销 售售 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 2）选择零件的基本类型与结构）选择零件的基本类型与结构 3）选择零件的材料）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算

5、准则，并确定零件的）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的 基本尺寸，并加于标准化和圆整基本尺寸，并加于标准化和圆整 5）零件的结构设计）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书）绘制零件的工作图，并编写计算说明书 KPPca 2、机械零件设计的一般步骤、机械零件设计的一般步骤 计算载荷计算载荷 载荷系数载荷系数 名义载荷名义载荷 机械零件的设计可分为机械零件的设计可分为设计计算设计计算和和校核计算校核计算两种。两种。 o a b c e f 明显的四个阶段明显的四个阶段 1 1、弹性阶段、弹性阶段obob P 比例极限比例极限 E e 弹性极限弹性极限 tanE 2

6、2、屈服阶段、屈服阶段bcbc（失去抵（失去抵 抗变形的能力）抗变形的能力） s 屈服极限屈服极限 3 3、强化阶段、强化阶段cece（恢复抵抗（恢复抵抗 变形的能力）变形的能力） 强度极限强度极限 b 4 4、局部颈缩阶段、局部颈缩阶段efef P e s b 材料在拉伸时的机械性质材料在拉伸时的机械性质 9.1 9.1 机械零件的失效形式及设计准则机械零件的失效形式及设计准则 一、机械零件的失效形式一、机械零件的失效形式 失效失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 失效形式：失效形式： 1 1、断裂：突然断裂和疲劳断裂、断裂：突然断裂和疲劳

7、断裂 2 2、过量变形：弹性变形和塑性变形、过量变形：弹性变形和塑性变形 3 3、零件表面的破坏：腐蚀、磨损、接触疲劳、零件表面的破坏：腐蚀、磨损、接触疲劳 因因刚度刚度不够而产生过大的弹性变形；不够而产生过大的弹性变形； 因因长细比（也称柔度）长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；过大稳定性不足而发生失稳； 因失去因失去振动稳定性振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的而发生强烈的振动（或共振）、联接的 松弛、摩擦传动的打滑等。松弛、摩擦传动的打滑等。 归纳起来最主要的为归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度 的影响等几个方面的问题。的影

8、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。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。 因因强度强度不够发生断裂或塑性变形；不够发生断裂或塑性变形； 因因耐磨性耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤； 工作能力：工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作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，所以习惯上称为用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力承载能力。 二、机械零件的计算准则二、机械零

9、件的计算准则 工作能力计算准则：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。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也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件安全条件”，是设计零件时，是设计零件时 的理论依据。的理论依据。 设计计算与校核计算：设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生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）有必要的计算，常用的计算方法（过程）有设计计算和校核计设计计算和校核计 算算两种。

10、两种。 设计计算：设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式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。的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 校核计算：校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否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。满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。 1 1、强度准则、强度准则 计算安全系数 极限应力 计算安全系数 极限应力 S S lim lim 疲劳极限 静强度 塑性材料 脆性材料 )( )( )( )( limlim SS bb 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力零

11、件在载荷作用下抵抗破坏的能力 2 2、刚度准则、刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 yy y可以是挠度、偏转角或扭转角可以是挠度、偏转角或扭转角 3 3、耐磨性准则、耐磨性准则 作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力 pvpvpp 4 4、振动和噪声准则、振动和噪声准则 ffff pp 15. 1,85. 0 5 5、热平衡准则、热平衡准则 tt 6 6、可靠性准则、可靠性准则 系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成 规定功能的能力。规定功能的能力。

12、：可靠度：可靠度表示零件在规定的条件下和规定的时间表示零件在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的概率内完成规定功能的概率 t R N N N NN N N R ff t t 1 N N个相同零件在同样条件下同时工作，个相同零件在同样条件下同时工作， 在规定的时间内有在规定的时间内有N Nf f个失效，剩下个失效，剩下N Nt t个个 仍继续工作，则仍继续工作，则 1 1、机械零件实际承受的载荷：、机械零件实际承受的载荷： 静载荷：静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢 的载荷。如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等。的载荷。如锅炉的压

13、力、匀速转动的离心力、自重等。 变载荷：变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。 三、载荷与应力三、载荷与应力 进行强度计算所依据的、作用于零件上的进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力外力F F、弯矩、弯矩M M、 扭矩扭矩T T以及冲击能量以及冲击能量等，统称为载荷。等，统称为载荷。 计算载荷计算载荷 Pca KPP ca 载荷系数载荷系数 K 载荷载荷 名义载荷名义载荷 P 机械设计计算中的载荷：机械设计计算中的载荷： 名义载荷：名义载荷：根据原动机额定功率、或假定在理想的平稳工根据原动机额定功率、或假定在理想的平稳工 作条件下作用在零件上的

14、载荷（不考虑动载荷的影响）作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响） 计算载荷：计算载荷：载荷系数载荷系数K K名义载荷（代表机器或零件实际所名义载荷（代表机器或零件实际所 受载荷）受载荷） 载荷系数：载荷系数：考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力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 K 。 随机变应力随机变应力 静应力静应力: 不随时间变化或变化缓慢的应力。不随时间变化或变化缓慢的应力。 规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力 2、应力种类、应力种类 变应力：随时间变化变应力

15、：随时间变化 的应力。的应力。 一个循环 O O tt ot 稳定循环变应力稳定循环变应力 2 2、稳定循环变应力的基本参数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类 a) 基本参数基本参数: 应力循环特性（应力比）应力循环特性（应力比）: 2 minmax m 2 minmax a max min 平均应力平均应力: 应力幅应力幅: 11 am max am min 最大应力最大应力: 最小应力最小应力: 5个参数中，知道两者，其余即可求出。个参数中，知道两者，其余即可求出。 一般常用如下参数组合描述应力的特性：一般常用如下参数组合描述应力的特性： m和和a; max和和min; max和和m

16、am max am minam max am min b)b)稳定循环变应力种类：稳定循环变应力种类： = = 1 1 对称循环变应力对称循环变应力 0, 1 minmax max min ma = 0 脉动循环变应力脉动循环变应力 2 , 0, 0 max min max min ma -1-1+1 +1 不对称循环变应力不对称循环变应力 =+1 =+1 静应力静应力 am maxam min 其中，最不利的是对称循环变应力其中，最不利的是对称循环变应力 注意：注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生， 也可能由静载荷产生！也可

17、能由静载荷产生！ 名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷产生的应力 计算应力计算应力由计算载荷产生的应力由计算载荷产生的应力 )( )( caca 3、名义应力和计算应力、名义应力和计算应力 1 1、单向应力下的塑性零件、单向应力下的塑性零件 s s s ca s ca ss ss ca s ca s 强度条件：强度条件： 或：或： （失效形式：塑性变形）（失效形式：塑性变形） 静应力时零件的主要失效形式：塑性变形或断裂静应力时零件的主要失效形式：塑性变形或断裂 s、s材料的屈服极限材料的屈服极限 S、S计算安全系数计算安全系数 s、s许用安全系数许用安全系数 2、复合应力时的塑性材料

18、零件、复合应力时的塑性材料零件（失效形式：塑性变形）（失效形式：塑性变形） 设单向正应力和切应力分别为设单向正应力和切应力分别为和和 /4 22 s sca /3 22 s sca 由第三强度理论：由第三强度理论： （最大剪应力理论）（最大剪应力理论） 由第四强度理论：由第四强度理论： （最大变形能理论）（最大变形能理论） 第三强度理论取第三强度理论取: :2 s s 第四强度理论取第四强度理论取: :3 s s )( ss s s s ca 222 22 s ss ss sca 复合应力计算安全系数为：复合应力计算安全系数为： 3 3、脆性材料与低塑性材料、脆性材料与低塑性材料 l脆性材料极

19、限应力：脆性材料极限应力： 强度极限强度极限 b s b ca ss ca b s b ca ss ca b （失效形式：断裂）（失效形式：断裂） 或：或： （1 1）单向应力状态）单向应力状态 强度条件：强度条件：或：或： 按第一强度条件：（最大主应力理论）按第一强度条件：（最大主应力理论） )4( 2 1 22 s b ca 4 2 22 ss b ca （2 2）复合应力下工作的零件）复合应力下工作的零件 注意：注意： (1) (1) 低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响。低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响。 (2) (2) 脆性材料强度计算不考虑应力集中。脆性材料强度计算不考虑应

20、力集中。 1、变应力作用下机械零件的失效特征、变应力作用下机械零件的失效特征 （1 1）失效形式：疲劳断裂）失效形式：疲劳断裂 （2 2）疲劳破坏特征：）疲劳破坏特征： 1 1）断裂过程断裂过程：产生初始裂纹产生初始裂纹 （应力较大处）（应力较大处） 裂纹尖端在切应力作用下反复裂纹尖端在切应力作用下反复 扩展，直至产生疲劳裂纹。扩展，直至产生疲劳裂纹。 2 2）断裂面断裂面：光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区） 3 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的）破坏时的应力（疲劳极限）

21、远小于材料的 屈服极限屈服极限max max b b 或 或 max max S S 塑性材料拉伸断口形貌塑性材料拉伸断口形貌 脆性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌 塑性材料疲劳断口形貌塑性材料疲劳断口形貌 光滑的疲劳发展区光滑的疲劳发展区 粗糙的脆性断裂区粗糙的脆性断裂区 （3 3）疲劳破坏的机理：损伤的累积）疲劳破坏的机理：损伤的累积 （4 4）影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，变应力的）影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，变应力的循环特循环特 性，应力循环次数，应力幅性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。都对疲劳极限有很大影响。 当当m m、一定时，一定时， a a越小，

22、越小，N N越少，疲劳强度越高。越少，疲劳强度越高。 )( NN 疲劳极限，应力循环特性疲劳极限，应力循环特性下应力循环下应力循环N次次 后材料不发生疲劳破坏时的最大应力。后材料不发生疲劳破坏时的最大应力。 疲劳寿命（疲劳寿命（N N） 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N N。 （1 1）疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应）疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应 力循环次数之间关系的曲线。力循环次数之间关系的曲线。 O N N0N N 有 限 寿 命 区 N 无 限 寿 命 区 O N N0N N 有限寿命区 N 无限寿命区 有限寿命

23、区有限寿命区 当当103 N 104低周循环，疲劳极限接近于屈服极限。低周循环，疲劳极限接近于屈服极限。 当当 时随循环次数时随循环次数疲劳极限疲劳极限 0 3 10NN 当当N25x107时时,近似为无限寿命区。近似为无限寿命区。 m 与应力与材料的种类有关。与应力与材料的种类有关。 lm =9 拉、弯曲应力、剪应力。拉、弯曲应力、剪应力。 lm =6 接触应力。接触应力。 lm =9 弯曲应力。弯曲应力。 lm =8 接触应力。接触应力。 钢：钢： 青铜：青铜： N m N K N N 0 应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越有利。应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件

24、强度越有利。 n对称循环（应力循环特性对称循环（应力循环特性=1）最不利！）最不利！ 2 HmaxHmax F 2 a b F 1 ) 1 () 1 ( ) 1 ( 2 2 2 1 2 1 max EE b F H 高副零件工作时，理论上是点接触或线接触高副零件工作时，理论上是点接触或线接触实际上由实际上由 于接触部分的局部弹性变形而形成面接触于接触部分的局部弹性变形而形成面接触由于接触面积很由于接触面积很 小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力接触应力。 在表面接触应力作用下的零件强度称为在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度接触强度

25、。 计算依据：弹性力学的赫兹公式。计算依据：弹性力学的赫兹公式。 1、接触应力、接触应力 a) 两圆柱体接触两圆柱体接触 b FE EEE H 418. 0, 3 . 0 max2121 b)b)两球接触两球接触 3 2 2 2 1 2 1 max 11 1 6 1 EE F H 3 2 2 max2121 388. 0, 3 . 0 FE EEE H 时 Hmax 2 F Hmax 2 c 1 F 综合曲率半径综合曲率半径 内接触 外接触 21 111 说明：说明：1）圆柱体：）圆柱体： ，球：，球： Hmax 与与F不呈线性关系。不呈线性关系。 2 1 max F H 3 1 max F

26、H 3）同样的）同样的1、2下，内接触时下，内接触时较大，较大， Hmax 较小，较小， 约约 为外接触时的为外接触时的48%。 重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或 降低接触副的尺寸。降低接触副的尺寸。 2）圆柱体：）圆柱体： ，球：，球： 越大，越大， Hmax 越小。越小。 2 1 1 max p H 3 2 1 max p H 2、失效形式、失效形式 静应力静应力: :表面压碎表面压碎 脆性材料脆性材料 表面塑性变形表面塑性变形 塑性材料塑性材料 变应力：疲劳点蚀变应力：疲劳点蚀齿轮、滚动轴承的常见失效形式。齿轮、滚动轴承的常见失效形

27、式。 疲劳点蚀机理疲劳点蚀机理 齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀 3、提高接触疲劳强度的措施、提高接触疲劳强度的措施 1）控制最大接触应力）控制最大接触应力 。 2）提高接触表面硬度，改善表面加工质量。）提高接触表面硬度，改善表面加工质量。 3）增大综合曲率半径）增大综合曲率半径 。 。 4）改外接触为内接触，点接触）改外接触为内接触，点接触线接触。线接触。 5）采用高粘度润滑油）采用高粘度润滑油 。 HH max 9.2 9.2 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择 一、常用材料一、常用材料 铜铜合合金金 铸铸钢钢： 等等合合金金钢钢： 碳碳素素钢钢 根根据据化化学学成成分分 ） 高高碳

28、碳钢钢（含含碳碳量量： ） 中中碳碳钢钢（含含碳碳量量： ） 低低碳碳钢钢（含含碳碳量量： 根根据据含含碳碳量量 工工具具钢钢、特特殊殊钢钢 等等普普通通： 等等优优质质： 结结构构钢钢 根根据据用用途途分分 钢钢 等等；）：铸铸铁铁（含含碳碳量量 金金属属 ZQ42SiMn500ZG270 20CrMnTi20Cr18CrMnMo 0.70.55% 0.50.3% 0.25% 、Q275 Q235 45201510 15QT400HT2002 、 、 、 、 高分子材料高分子材料： 复合材料复合材料： 陶瓷陶瓷： 塑料、橡胶、合成纤维塑料、橡胶、合成纤维 强如钢、轻如铝、硬如金刚石强如钢、轻

29、如铝、硬如金刚石 强度高、弹性模量大、质量轻强度高、弹性模量大、质量轻 非金属非金属 二、机械零件材料的选用需要考虑的因素二、机械零件材料的选用需要考虑的因素 载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 零件的结构及加工性零件的结构及加工性 材料的经济性材料的经济性 材料的供应状况材料的供应状况 9.3 9.3 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化 1 1、在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加、在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加 工费用又很低，则这样的零件就称为工费用又很低，则这样的零件就称

30、为具有良好的工艺性具有良好的工艺性 1 1）毛坯选择合理：）毛坯选择合理：机械制造中毛坯制备的方法有：机械制造中毛坯制备的方法有： 直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛 坯的选择与具体的生产技求条件有关，一般取决坯的选择与具体的生产技求条件有关，一般取决 于生产批量、材料性能和加工可能性等于生产批量、材料性能和加工可能性等 2 2）结构简单合理：设计零件的结构形状时，最好采）结构简单合理：设计零件的结构形状时，最好采 用最简单的表面及其组合，同时还应当尽量使加用最简单的表面及其组合，同时还应当尽量使加 工表面数目最少和加工面积最小。工表面数目最少

31、和加工面积最小。 有关工艺性的基本要求是；有关工艺性的基本要求是； 一、工艺性一、工艺性 3 3）规定适当的制造精度及表面粗糙度：零件的加工费用）规定适当的制造精度及表面粗糙度：零件的加工费用 随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这 种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追 求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合 表面的实际需要，作出适当的规定。表面的实际需要，作出适当的规定。 二、标准化二、标准化 1 1、标准化：、标准化：就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性就是要通过对零件的尺寸