第九章--机械零件设计概论教学内容

1、Northwest A&F University机械设计基础机械设计基础(jch)(jch)第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概述概述第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd) (qingd) 第三节第三节 机械零件的接触强度机械零件的接触强度第四节第四节 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第六节第六节 极限与配合、表面粗糙度和优先数极限与配合、表面粗糙度和优先数第七节第七节 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化第一页，共66页。N

2、orthwest A&F University第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 前面前面8章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括：和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括： 1) 怎样合理确定零件的形状和尺寸；怎样合理确定零件的形状和尺寸； 2) 怎样适当怎样适当(shdng)选择零件的材料；选择零件的材料； 3) 怎样使零件具有

3、良好的工艺性等。怎样使零件具有良好的工艺性等。第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第二页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 一、机械设计一、机械设计(shj)应满足的要求：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。美观等。 概括地说是：工作可靠、成本低廉。概括地说是：工作可靠、成本低廉。 二

4、、名词术语：二、名词术语： 1.失效：失效： 机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计定的功能或达不到设计(shj)要求的性能）时，称为失效。要求的性能）时，称为失效。第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第三页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论2. 失效的形式：失效的形式：因强度不够发生断裂或塑性变形；因强度不够发生断裂或塑性变形；因刚度

5、不够而产生过大的弹性变形；因刚度不够而产生过大的弹性变形；因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；或因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；或因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的松弛、摩擦因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑传动的打滑(dhu)等。等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。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

6、一种零件可能的失效形式往往有若干种。第四页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论齿轮轮齿齿轮轮齿(ln ch)断裂断裂齿轮键槽断裂齿轮键槽断裂第五页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 3.工作能力：在不发生失效的条件下，零件工作能力：在不发生失效的条件下，零件(ln ji

7、n)所能安全工作的限所能安全工作的限度（或者说在一定条件下零件度（或者说在一定条件下零件(ln jin)抵抗失效的能力）。通常，用抵抗失效的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力。载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力。 4.工作能力计算准则：为防止机械零件工作能力计算准则：为防止机械零件(ln jin)发生某种失效而应满足发生某种失效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件的条件。也可以理解为是机械零件(ln jin)不发生失效的不发生失效的“安全条安全条件件”，是设计零件，是设计零件(ln jin)时的理论依据。时的理论依据。强度条件：计算应力许用应力； 计算

8、量计算量许用量许用量刚度条件：变形量许用变形量；第六页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 5.设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生失效，设计计算与校核计算：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必要的计设计时，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）有设计计算和校核计算两种。算，常用的计算方法（过程）有设计计算和校核计算两种。 设计计算：先分析零

9、件的可能失效形式，根据该失效形式的计设计计算：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。算准则通过计算确定零件的结构尺寸。 校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足(mnz)计算准则。如不满足计算准则。如不满足(mnz)，则应修改零件的尺寸。，则应修改零件的尺寸。第七页，共66页。Northwest A&F University第一节第一节 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论三、机械零件三、机械零件(

10、ln jin)的设计步骤的设计步骤 1.拟定零件拟定零件(ln jin)的计算简图。的计算简图。 2.确定作用在零件确定作用在零件(ln jin)上的载荷。上的载荷。 3.选择合适的材料。选择合适的材料。 4.根据零件根据零件(ln jin)可能出现的失效形式，选用相应的判定可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件条件，确定零件(ln jin)的形状和主要尺寸。的形状和主要尺寸。 应当注意，零件应当注意，零件(ln jin)尺寸的计算值一般并不是最终采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用的数值，设计者还要根据制造零件(ln jin)的工艺要求的工艺要求和标准、

11、规格加以圆整。和标准、规格加以圆整。 5.绘制工作图并标注必要的技术条件。绘制工作图并标注必要的技术条件。第八页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 一、载荷一、载荷 1.载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯、弯矩矩M、扭矩、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。以及冲击能量等，统称为载荷。 2.机械零件实际承受机械零件实际承受(chngshu)的载荷：的载荷：静载荷：大

12、小、作用位置和方向不随时间变化或变化静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化 缓慢缓慢的载荷。的载荷。变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。第九页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 3. 3.机械设计计算中的载荷：机械设计计算中的载荷： 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零

13、件上的载名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响）荷（不考虑动载荷的影响） 载荷系数载荷系数(xsh)(xsh)：考虑机器运转时动力参数的不稳定，：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的影响系数(xsh)K (xsh)K 。 计算载荷：载荷系数计算载荷：载荷系数(xsh)K(xsh)K名义载荷名义载荷 （代表机器或零件实际所受载荷）（代表机器或零件实际所受载荷）第十页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机

14、械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论二、应力二、应力(yngl) 1.设计计算的应力设计计算的应力(yngl)： 名义应力名义应力(yngl)：根据名义载荷求得的应力：根据名义载荷求得的应力(yngl) 计算应力计算应力(yngl)：根据计算载荷求得的应力：根据计算载荷求得的应力(yngl) 2.机械零件的实际应力机械零件的实际应力(yngl)： 静应力静应力(yngl)不随时间变化的应力不随时间变化的应力(yngl)。 变应力变应力(yngl)随时间变化的应力随时间变化的应力(yngl)。 非周期性变应力非周期性变应力(y

15、ngl)：应力：应力(yngl)的变化没有周期性。的变化没有周期性。 循环变应力循环变应力(yngl)：应力：应力(yngl)的变化具有周期性。的变化具有周期性。ttT第十一页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论3. 循环变应力的衡量指标：循环变应力的衡量指标： 平均应力平均应力m：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。 应力幅应力幅a ：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度：一

16、个应力循环中，应力偏离平均应力的程度(chngd)。 变应力循环特性变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力之比。：应力循环中最小应力与最大应力之比。Ttmaxminmamax2minmmax2minam a xm i nr第十二页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 4. 循环循环(xnhun)变应力的类型：变应力的类型：对称循环对称循环(xnhun)变应力：变应力：r-1。脉动循环脉动循环(xnhun)变应力：变应力：

17、r0。静应力：静应力：r1，可看作是变应力的特例。，可看作是变应力的特例。非对称循环非对称循环(xnhun)变应力：变应力：r0、1对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力应力应力时间时间应力应力时间时间应力应力时间时间第十三页，共66页。Northwest A&F Universityt naFaFaFFnat AFa第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论第十四页，共66页。Northwest A&F University第二节第二

18、节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论三、机械零件的强度条件：三、机械零件的强度条件：1.机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许(ynx)的限度。前的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接触强度。者称为整体强度，后者称为表面接触强度。2.机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材料的许用应力：料的许用应力：四、静应力条件下的许用应力四、静应力条件下的许用应力塑性材料制成的零件，塑性材料制成的零件，

19、主要损坏形式为主要损坏形式为塑性变形塑性变形，按不发生塑，按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极限，许用应力：限，许用应力： SSSlim第十五页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 S为安全系数。零件发生为安全系数。零件发生(fshng)塑性变形后，会影响零件的塑性变形后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对正常工作，但

20、不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。u S S安全系数安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。 脆性材料制成的零件，脆性材料制成的零件，主要损坏形式为主要损坏形式为断裂断裂，按不发生断裂条件，按不发生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力 ：SSBlim第十六页，共66页。Nort

21、hwest A&F University五、变应力下的许用应力五、变应力下的许用应力 1.失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性(cuxng)材料，主要材料，主要损坏形式都是疲劳断裂。损坏形式都是疲劳断裂。 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论2.疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：裂纹形成裂纹扩展瞬时断裂疲劳源疲劳源垄沟纹垄沟纹疲劳纹疲劳纹粗糙区粗糙区光滑区光滑区第十七页，共66页。Northwest A&F

22、 University疲劳断口(dunku)的独特性：两个区疲劳(plo)区（光滑区）脆断区（粗糙(cco)区）3. 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。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第十八页，共66页。Northwest A&F University 4. 疲劳曲线：表示应力疲劳曲线：表示应力(yngl)与应力与应力(yngl)循环次数循环次数N之间的关系曲线之间的关系曲线称为

23、疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力(yngl)越小，试件能越小，试件能经受的循环次数就越多。经受的循环次数就越多。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论r-应力循环特性（应力比）；N-疲劳断裂时应力循环次数。第十九页，共66页。Northwest A&F University 疲劳极限疲劳极限 rN 对任一给定对任一给定(i dn)的应力循环特征的应力循环特征r，当应力循环，当应力循环 N0次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。次后，材料不发

24、生疲劳破坏的最大应力。 N0称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。 疲劳曲线的左半部（疲劳曲线的左半部（NN0），可近似地用下列方程式表），可近似地用下列方程式表示：示：CNNmrmrN 0 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论第二十页，共66页。Northwest A&F Universityv利用上式可以求得在一定循环利用上式可以求得在一定循环(xnhun)(xnhun)特性的变应力作特性的变应力作用下，任意循环用下，任意循环(xnhun

25、)(xnhun)次数次数N N时的疲劳极限时的疲劳极限rNmrrNKNN 0式中式中：寿命(shumng)系数；mNNNK0当当N N0 时，取时，取 NN0 ，KN=1。m为随应力为随应力(yngl)状态而不同的幂指数。状态而不同的幂指数。第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第二十一页，共66页。Northwest A&F Universityu 通常用通常用-l表示材料表示材料(cilio)在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。110mmNNNC 5. 影响机械疲劳强度的因素影响机械疲劳强度的因素(y

26、n s)：在变应力条件下，影响机械零：在变应力条件下，影响机械零件疲劳强度的因素件疲劳强度的因素(yn s)很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。状态、环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。u 对称循环对称循环(xnhun)(xnhun)变应力作用下，任意循环变应力作用下，任意循环(xnhun)(xnhun)次数次数N N时的时的疲劳极限为疲劳极限为011mNNN第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第二十二页，共66页。Northwest A&F U

27、niversity第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论应力集中的影响应力集中的影响 由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化或材料不连续处（孔、由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化或材料不连续处（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用有效应力集圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用有效应力集中系数中系数k表示（指材料、尺寸和受载情况都相似的一个无应力集中试样与一个表示（指材料、尺寸和受载情况都相似的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样

28、的疲劳极限的比值，即有应力集中试样的疲劳极限的比值，即k= -1/(-1)k绝对尺寸的影响绝对尺寸的影响 当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易疲劳裂纹容易(rngy)形成。常用绝对尺寸系数形成。常用绝对尺寸系数表示表示 =（-1）d/(-1)d0表面状态的影响表面状态的影响 包括表面粗糙度和表面处理的情况。用表面状态系数包括表面粗糙度和表面处理的情况。用

29、表面状态系数来表示来表示=（-1）/(-1)0第二十三页，共66页。Northwest A&F University00kS 6. 许用应力：许用应力：当应力是对称循环当应力是对称循环(xnhun)变化时，无限寿命下的许用应力为变化时，无限寿命下的许用应力为u 脉动循环应力时，有限脉动循环应力时，有限(yuxin)寿命下的许用应力为寿命下的许用应力为u 对称循环变应力时，有限对称循环变应力时，有限(yuxin)寿命下的许用应力为寿命下的许用应力为11NNk S 00NNkS 11kS u 当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为u K

30、 K 应力集中系数；应力集中系数； 尺寸系数；尺寸系数； 表面状态系数；表面状态系数； 0 0 脉动循环疲劳极限脉动循环疲劳极限第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第二十四页，共66页。Northwest A&F University六、安全系数六、安全系数(nqun xsh) 在保证安全的前提在保证安全的前提(qint)下，尽可能选用较小的许用安全下，尽可能选用较小的许用安全系数。原则如下：系数。原则如下： 静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。S=1.21.5,对对塑性较差的材料（

31、塑性较差的材料（s/B0.6）或铸钢件）或铸钢件S=1.5 2.5； 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，S=3 4； 变应力下，以疲劳极限为极限应力，变应力下，以疲劳极限为极限应力，S=1.3 1.7，若材料不够，若材料不够均匀，均匀，S=1.7 2.5。 S总总= S1S2Sn 第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第二十五页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(

32、qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论例例9-1 一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为计为W=20KN。试分析（。试分析（1）拉杆、横梁及支承）拉杆、横梁及支承B的作用力；（的作用力；（2）拉杆、横梁可能出）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定现的主要失效形式及其判定(pndng)条件。条件。解（解（1

33、）如图所示，已知尺寸）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力去横梁自重，其上作用有力W、F及支承及支承B的约束反力、，的约束反力、，这些力处于同一平面内。这些力处于同一平面内。 第二十六页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论由 =0得 kN(拉力)拉力F可分解为 和 ： =Fcos30=33.870.866=29.33kN =Fsi

34、n30=33.870.5=16.94kN由 =0 得 kN由 =0 得 kN 顺便指出，后两个方程改写成 =0和 =0，同样可以求解。 第二十七页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论2）小型起重）小型起重(q zhn)设备，一般工作不频繁，满载起重设备，一般工作不频繁，满载起重(q zhn)次数不多，故本次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重题可按承受静载荷考虑，以最大起重(q zhn)量量(包括小车、电动葫芦自重包括小

35、车、电动葫芦自重)作为计算作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用载荷。拉杆、横梁材料均选用Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：横梁上铆钉组承受的载荷及可能出现的主要失效形式，读者可自己分析横梁上铆钉组承受的载荷及可能出现的主要失效形式，读者可自己分析(即本章习题即本章习题9-7及及9-8)。 项目 载荷 可能出现的主要失效形式 判定条件 拉杆 拉力F 强度不足，出现塑性变形或断裂。 ，、为拉应力、许用拉应力。 横梁(即压杆) 主要有：移动载荷W压力F 当移动载荷W位于横梁中部时：若弯曲变形(挠度y)过大，即刚度不足，可能引起小车在横梁上行走困难。若弯

36、曲应力与由引起的压应力的合成应力过大，即强度不足，可能出现塑性变形或断裂。若压杆长细比值较大时，可能出现侧弯，即抗侧弯刚度不足，属于压杆稳定性问题。本题中，在xoz平面内，工字梁抗侧弯刚度最小，在此平面内引起侧弯的载荷只有。 yy，y、y为变形量、许用变形量。yy， 、为应力、许用应力。 为的临界载荷， 为最小安全系数。 第二十八页，共66页。Northwest A&F University第二节第二节 机械零件的强度机械零件的强度(qingd)(qingd)第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论例例9-2一车轴如图一车轴如图9-5所示。已知所示。已知=F=

37、110 kN，轴的材料为，轴的材料为Q275钢，钢，=550 MPa，=240 MPa，规定的安全系数，规定的安全系数=1.5。试校核。试校核A-A截面的疲劳强度。截面的疲劳强度。解（解（1）车轴转动时，载荷）车轴转动时，载荷F的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲(wnq)变应力，循环特性为变应力，循环特性为r=-1。 （2 2）A-AA-A截面的弯曲应力截面的弯曲应力弯矩弯矩M=110M=11010 10 82=9.0282=9.0210 Nmm10 Nmm截面系数截面系数W=d /32=W=d /32=108 /32=124108 /32=12410

38、 mm10 mm弯曲应力弯曲应力 = /W=9.02= /W=9.0210/(12410/(12410)=72.7 MPa10)=72.7 MPa（3 3）求各项系数）求各项系数( (由机械设计手册中查取由机械设计手册中查取) )由由 =550 MPa=550 MPa，D/D/d d=133/108=1.23=133/108=1.23，r/r/d d=0.185=0.185查得查得弯曲时的有效应力集中系数弯曲时的有效应力集中系数 =1.34=1.34，尺寸系数，尺寸系数 =0.68.=0.68.表面粗糙度表面粗糙度 及及 =550 MPa=550 MPa，查得表面状态，查得表面状态 系数系数

39、=0.95=0.95（4 4）疲劳强度校核）疲劳强度校核弯曲时安全系数弯曲时安全系数 安全。安全。第二十九页，共66页。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触机械零件的接触(jich)(jich)强度强度第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论 1.接触强度：若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。 承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。 2.疲劳点蚀：机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的接触变应力，

40、在载荷重复作用下，金属表层内产生初始疲劳裂纹、裂纹扩展至最终(zu zhn)金属脱落的破坏现象。第三十页，共66页。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触机械零件的接触(jich)(jich)强度强度第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 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20m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 ，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积(m

41、in j)，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。第三十一页，共66页。Northwest A&F University22212121H1111EEBF3.3.对于对于(duy)(duy)线接触的情况，其接触应线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。力可用赫兹应力公式计算。 1FB B 2H HH HFB B 1 2H HH H第三节第三节 机械零件的接触机械零件的接触(jich)(jich)强度强度第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论令令11121及及，EEE121121对于钢或铸铁，取对于钢或铸铁，取 1 1=2 2 =0.3 =0.3

42、，则上式简化为：，则上式简化为：210.41821nnHF EF Ebb（）第三十二页，共66页。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触机械零件的接触(jich)(jich)强度强度第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 4.零件受接触零件受接触(jich)变应力作用时接触变应力作用时接触(jich)强度条件为强度条件为 HH 而而H = Hlim/SH 式中式中Hlim为由实验测得的材料的接触为由实验测得的材料的接触(jich)疲劳极限，若两零件疲劳极限，若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触的硬度不同时，常以较软零

43、件的接触(jich)疲劳极限为准。疲劳极限为准。u 接触应力的特点：接触应力的特点：接触应力具有上下接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即迅对等、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应力是局部性速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力，且应力的增长与载荷的应力，且应力的增长与载荷Fn不成不成直线关系，而要缓慢得多，故直线关系，而要缓慢得多，故安全安全系数系数SH可取为等于或稍大于可取为等于或稍大于1。第三十三页，共66页。Northwest A&F University第三节第三节 机械零件的接触机械零件的接触(jich)(jich)强度强度第九章第九章 机械零

44、件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论例例9-4图图9-9所示的摩擦轮传动，由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成所示的摩擦轮传动，由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成(z chn)。已知。已知D1=100mm，D2=140mm，b=50mm，小轮主动，主动轴传递功率，小轮主动，主动轴传递功率P=5kW、转速、转速n1=500r/min，传动较平稳，载荷系数，传动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数，摩擦系数f=0.15。试求：。试求：(1)所需的法向压紧力所需的法向压紧力 ；(2)两轮接触处的最大接触应力；两轮接触处的最大接触应力；(3)若摩擦轮材料的若摩擦轮材料的硬度为硬度为300HBS，表面

45、接触强度是否足够。，表面接触强度是否足够。解解(1)法向压紧力法向压紧力 传动在接触处的最大摩擦力为传动在接触处的最大摩擦力为 f，拖动从动轮所需的圆，拖动从动轮所需的圆周力为周力为F，考虑到附加载荷的影响和保证摩擦传动的可靠性，计算，考虑到附加载荷的影响和保证摩擦传动的可靠性，计算圆周力为圆周力为KF。为了防止打滑，应使。为了防止打滑，应使 f KF。 小轮转矩 圆周力 ，法向压紧力 第三十四页，共66页。Northwest A&F University(2)接触接触(jich)应力接触应力接触(jich)应力的最大值按式（应力的最大值按式（9-10） 计算，计算， 本题中本题中 F

46、n=15900N，钢的弹性模量，钢的弹性模量E=2.06105MPa，b=50mm， 综合曲率半径综合曲率半径 = ，故，故 MPa(3)验算表面接触验算表面接触(jich)强度如前述，对于钢可取接触强度如前述，对于钢可取接触(jich)疲劳极限疲劳极限 =2.76HBS-70=2.76300-70=758 MPa取安全系数取安全系数=1.1，则则 =758/1.1 =689 MPa， 2%2%-含碳量含碳量 2% 2%铁碳合金铁碳合金u 特点：特点：具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。具有良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（灰铸铁）较好的减震性

47、、耐磨性、切削性（灰铸铁） 成本低廉。成本低廉。u应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁合金铸铁合金铸铁第四十二页，共66页。Northwest A&F University2.2.钢钢结构钢结构钢工具钢工具钢特殊钢特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸不锈钢、耐热钢、耐酸(nai sun)钢等钢等)碳素结构钢（碳素结构钢（含碳量含碳量 0.7% ）合金合金(hjn)结构钢结构钢铸钢铸钢(zh n)按用途按用途按化学成分按化学成分 0.25% 低碳钢低碳钢0.3% 0. 5% 中碳钢中碳钢0.5

48、% 高碳钢高碳钢按含碳量按含碳量u 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十三页，共66页。Northwest A&F Universityu 零件毛坯获取方法：锻造零件毛坯获取方法：锻造(dunzo)(dunzo)、冲压、焊接、铸造等。、冲压、焊接、铸造等。u 选用选用(xunyng)(xunyng)原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类

49、原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类u 合金钢。合金钢。u 应用：应用范围极其应用：应用范围极其(jq)(jq)广泛。广泛。表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆钢热轧圆钢 碳素结构钢碳素结构钢Q235 Q235 （ 3342 3342） 1 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950 2950） 1.51.8 1.51.8 合金结构钢（合金结构钢（ 2950 2950） 1.72.5 1.72.5 滚动轴承钢（滚动轴承钢（ 2950 2950） 3 3 合金工具钢（合金工具钢（ 2950 2950） 320

50、320 4Cr9Si24Cr9Si2耐热钢（耐热钢（ 2950 2950） 5 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810810第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十四页，共66页。Northwest A&F University3.铜合金铜合金-铜锌合金，并含有铜锌合金，并含有(hn yu)少量的锰、铝、镍少量的锰、铝、镍u特点：具有特点：具有(jyu)良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具

51、 u 有良好的减摩性和抗腐蚀性。有良好的减摩性和抗腐蚀性。u零件毛坯获取零件毛坯获取(huq)方法：辗压、铸造。方法：辗压、铸造。u应用：应用范围广泛。应用：应用范围广泛。u种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十五页，共66页。Northwest A&F University2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有

52、不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用所以近年来在机械制造中其应用(yngyng)(yngyng)日益广泛。日益广泛。 3.3.其它非金属材料：皮革其它非金属材料：皮革(pg)(pg)、木材、纸板、棉、丝等。、木材、纸板、棉、丝等。二、非金属材料二、非金属材料橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击(chngj)能量。常用作联轴能量。常用作联轴 器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承

53、衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十六页，共66页。Northwest A&F University详细详细(xingx)说明说明 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零件的尺寸(ch cun)及重量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 在做设计的时候在做设计的时候(sh hou)，根据实际情况，

54、在保证经济最优的情况，根据实际情况，在保证经济最优的情况下，查阅下，查阅机械工程材料机械工程材料等手册，选取合适的材料。等手册，选取合适的材料。第五节第五节 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十七页，共66页。Northwest A&F University第六节第六节 极限极限(jxin)与配合、表面粗糙度和优与配合、表面粗糙度和优先数系先数系第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论 一、极限一、极限(jxin)与配合与配合 1.互换性：机器是由独立制造的零件装配而成的。为了降低生产成互换性：机

55、器是由独立制造的零件装配而成的。为了降低生产成本，在大规模生产的情况下，希望制造的零件具有这样的性质：本，在大规模生产的情况下，希望制造的零件具有这样的性质：装配时不加选择及附加的加工，就能达到预期的装配技术要求。装配时不加选择及附加的加工，就能达到预期的装配技术要求。该性质称为互换性。该性质称为互换性。 互换性的好处：具有互换性的机器，当它们的零、部件损坏时，互换性的好处：具有互换性的机器，当它们的零、部件损坏时，就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证机器工作的连续性和持久性，提高机器的使用率。机器工作的连续性和持久性

56、，提高机器的使用率。 互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化。互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化。第四十八页，共66页。Northwest A&F University 加工精度加工精度指零件经加工后的尺寸、形状及各加工面的相互指零件经加工后的尺寸、形状及各加工面的相互位置等技术参数的实际值同设计位置等技术参数的实际值同设计(shj)给定的数值相符合的程度。给定的数值相符合的程度。加工质量加工质量加工精度加工精度表面质量表面质量尺寸精度尺寸精度 20个个形状精度形状精度 8个个 位置精度位置精度6个个用各自的公差来表示。用各自的公差来表示。用表面粗糙度来衡量。用表面粗糙度来衡量

57、。公差与配合的基本知识公差与配合的基本知识 1）术语与定义）术语与定义 基本尺寸：设计基本尺寸：设计(shj)给定的尺寸。如给定的尺寸。如 D，d 实际尺寸：测量所得的尺寸。实际尺寸：测量所得的尺寸。极限极限(jxin)尺寸：允许变化的界限值。如：尺寸：允许变化的界限值。如：Dmax、dmin第六节第六节 极限与配合、表面粗糙度和优先数系极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第四十九页，共66页。Northwest A&F University第六节第六节 极限极限(jxin)(jxin)与配合、表面粗糙度和优与配合、表面粗糙度和优先数系先数系第

58、九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概概论论Th = Dmax - D min= ES EI （绝对值）（绝对值）Ts= dmax - d min = es - ei （绝对值）（绝对值） 公差与偏差公差与偏差(pinch)是有区别的：偏差是有区别的：偏差(pinch)是代是代数值，有负有正；而公差则是绝对值。数值，有负有正；而公差则是绝对值。 上偏差：上偏差：最大极限值。最大极限值。如：如：ES = Dmax-D、es = dmax- d 下偏差：下偏差：最小极限值。最小极限值。如：如：EI = Dmin-D、 ei = dmin- d 尺寸公差：尺寸公差：允许尺寸的变动

59、量允许尺寸的变动量第五十页，共66页。Northwest A&F University第六节第六节 极限与配合、表面极限与配合、表面(biomin)粗糙度粗糙度和优先数系和优先数系第九章第九章 机械零件设计机械零件设计(shj)(shj)概论概论2）标准公差）标准公差公差带大小的标准化。公差带大小的标准化。 国标规定，尺寸精度是用标准公差等级来确定的。国标规定，尺寸精度是用标准公差等级来确定的。 用用IT表示，分表示，分20个等级：个等级：IT01、IT0、IT1、IT18。 数字越大，等级越低。选用公差，既要满足设计又要满足工数字越大，等级越低。选用公差，既要满足设计又要满足工艺性和

60、经济性。尽量艺性和经济性。尽量(jnling)选用低等级，以降低成本，提高生选用低等级，以降低成本，提高生产率。不同的基本尺寸，同一公差等级，其公差值不同。如：产率。不同的基本尺寸，同一公差等级，其公差值不同。如：基本尺寸基本尺寸公差等级公差等级公差值公差值10IT56m100IT515m500IT527m 公差带公差带由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。其大小由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。其大小由标准公差确定，其位置由基本偏差确定。由标准公差确定，其位置由基本偏差确定。 第五十一页，共66页。Northwest A&F University3）基本偏差）基本偏差公差带位置公差带位置(wi zhi)的标准化。的标准化。 指公差带相对于零线位置指公差带相对于零线位置(wi zhi)的上偏差或下偏差（国标的上偏差或下偏差（国标规定靠近零线的那个偏差）。规定靠近零线的那个偏差）。 基本偏差系列基本偏差系列孔和轴各有孔和轴各有28个基本偏差。分别为个基本偏差。分别为A、B、C、CD、D、E、EF、 F、FG、G、H（孔的下偏差）、（