机械设计基础-第7章机械设计的基础知识

第7章

机械零件设计概论TheoryofMachinesandMechanisms机械设计基础第7章机械零件设计概论本章主要教学内容

机械系统的组成及基本设计参数

机械零件的设计计算

常用的机械材料及选用原则

机械零件的结构工艺性本章教学目的了解机械设计的流程掌握机械零件的工作能力及计算准则掌握变应力下机械零件强度计算方法了解机械制造中常用材料及选用了解机械零件结构一般设计方法机械设计的最终目标就是确定机械零部件的形状和尺寸，并选择合适的材料及制造工艺，从而使设计出来的机械可以完成预定的功能，并且在预定的使用期限内，性能好、效率高、成本低，而且安全可靠，操作方便、维修简单、外形美观。显然，机械设计的最基本要求是设计的机械可以完成预定的功能，而且在使用期限内不发生失效。机器的组成7.1

机械系统的组成及基本设计参数简单的机器可由上述三个基本部分组成。如图所示电动带式输送机的机构简图，其原动机为电动机5，传动装置为带传动4、两级圆柱齿轮减速器3，执行部分为卷筒2和输送胶带1，卷筒2和齿轮减速器3用联轴器6连接并安装在机架上。机械零件的分类：专用类零件：根据机械零件的作用不同，将机器中的零件分为专用类零件和通用类零件，例如水轮机叶片、活塞、曲轴等零件属于专用类零件；通用类零件：有些非常常用的零件，它们的尺寸和工作参数一般，在长期设计实践中，已经形成了成熟的基本设计理论和方法、相关的国家标准或行业标准，以及相关技术资料，这类零件即为通用类零件，例如图中的齿轮、轴、轴承和平键等零件。齿轮轴承螺栓平键机架通气螺塞轴机械零件的主要性能参数：转速、角速度和线速度当传动类零件传递回转运动时，若零件的转速为n（r/min）、回转直径为d（mm），则角速度线速度由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速n，可得传动装置总传动比为：2.传动比3.功率和转矩式中，F——驱动力（或工作阻力）（N）；T——驱动力矩（或工作阻力矩）（N·m）；n——转速（r/min）；

v——线速度（m/s）；

4.效率传动装置的总效率-----组成传动装置的各部分运动副效率之乘积工作功率Pw——执行部件所需工作功率——由电动机至执行部件主动端运输带的总效率。滚动轴承（每对）0.98～0.995滑动轴承（每对）0.97～0.99弹性联轴器0.99～0.995齿轮联轴器0.99万向联轴器0.97～0.98具有中间可动元件的联轴器0.97～0.99一、机械零件的主要设计流程机械零件的设计常按下列步骤进行：拟定零件的计算简图；确定作用在零件上的载荷；选择合适的材料；根据零件可能出现的失效形式，选择相应的设计原则，确定零件的形状和主要尺寸（注意零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者应根据制造零件的工艺要求和标准、规格进行圆整）；绘制工作图并标注必要的技术条件；最后写出相关计算说明书。7.2

机械零件的设计计算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，在预期使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。

设计机械零件应满足的要求→既要可靠,又要成本低避免在预定寿命周期内失效失效：机械零件由于某种原因不能正常工作破坏：解体或失去原有的几何形态（如塑性变形）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承载能力→对载荷而言二、机械零件的工作能力及设计计算准则机械零件的主要失效形式及计算准则:

计算准则→

┌强度准则├刚度准则├振动稳定性准则└其它准则失效形式→断裂Fracture塑性变形PlasticDeformation弹性变形表面破坏：

磨损Wear,腐蚀Corrosion,点蚀Pitting，胶合Glue破坏正常工作条件引起的失效：打滑Slip1、强度准则

强度是零件抵抗外载荷的能力。强度不足时，零件将产生断裂或产生塑性变形，使零件丧失工作能力而失效。载荷和应力1）静载荷和静应力不随时间变化或者变化缓慢的载荷和应力，称为静载荷和静应力，如零件的重力及相应的应力。（a）静应力（b）非对称循环变应力（c）对称循环变应力（d）脉动循环变应力2）变载荷和变应力

随时间作周期性变化的载荷和应力，称为变载荷和变应力。变应力可以是由变载荷产生，也可以由静载荷产生，强度计算通式关键:①σ的计算②[σ]的取值1.失效形式：

2.许用应力[σ]

塑性材料→过大的残余变形(正确运用材力有关公式)：②复合应力：→材料力学基本强度理论一．静应力作用下的强度计算

脆性材料→断裂σｓ/S－屈服极限σＢ/S－强度极限

①简单应力:（单向应力）→拉σ＝Ｆ／Ａ；弯σＦ＝Ｍ／Ｗ;剪τ＝Ｆ／Ａ;扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ3.计算应力疲劳破坏特征：1）断裂过程：①产生初始裂纹。（应力较大处）②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳断裂。2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）②粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。二．变应力作用下的强度计算1.失效形式:

疲劳断裂←与应力性质、大小、Ｎ有关）影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。疲劳破坏的机理：损伤的累积。

[σ]=σr/S

；[τ]=τr/Sσr、τr2.许用应力:零件本身应力集中(ｋσ有效应力集中系数)绝对尺寸(εσ尺寸系数)表面质量(β表面状态系数)

Ｎ→（σ－Ｎ）疲劳曲线r→σ-1、σ0、σ+1(应力性质)①疲劳曲线②零件本身③许用应力疲劳极限=?疲劳曲线：NOσσ-1N0σ-1NN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：当N<N0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。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。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：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”，有限寿命时，用σ-1N代入得：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=1.５～２.5S↑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=3～43）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初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹

机械零件的接触应力

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，这种现象称为疲劳点蚀。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。由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+”用于外接触，“-”用于内接触。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFnσH-最大接触应力或赫兹应力;b-接触长度;Fn

-作用在圆柱体上的载荷;-----综合曲率半径;-----综合弹性模量;E1、

E2

分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：bFn第6页2、刚度准则

刚度——零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。y——可以是挠度、偏转角或扭转角。3、耐磨性准则

磨损性——作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。4、振动和噪声准则

机器工作时不能发生超过容许的振动现象。f：固有频率fp:受迫振动频率5、耐热性准则

温度升高零件承载能力降低。引起热变形及附加热应力，蠕变。破坏正常的润滑条件，改变联接零件间的间隙，降低机器的精度。7-3机械制造中常用材料及其选择2、钢:含Ｃ量＜2％钢具有较高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。按照用途分：结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件按照化学成分：碳素钢

→普通、优质碳素钢；含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低；

低碳钢(C)0.1～0.25,中碳钢0.3～0.5,高碳钢＞0.55合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢……(一)金属材料1、铸铁：含Ｃ量>2％

灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁（二）、非金属材料橡胶

常用作联轴器或减振器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬；塑料

塑料的密度小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等其他非金属材料，如皮革、木材、纸板、棉、丝等。（三）、复合材料复合材料是由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料，按设计要求进行定向处理或复合而得的一种新型材料。复合材料除已普遍用于各种容器外，在汽车、航空航天工业也被采用。7-4机械零件的结构工艺性机械零件结构工艺性贯穿于零件的材料选择、毛坯制作、热处理、切削加工、机器装配及维修等生产过程的各个阶段，并与这些阶段相适应，选择合理的毛坯类型受力较小的小型零件，可用圆钢直接车制。结构简单、批量较大的小型零件，可采用冲压或模锻。受力较大、较为重要的零件也可采用锻件零件结构复杂，尺寸较大，大批量生产箱体零件时，采用铸造毛坯较为合理；单件小批量生产箱体零件时，采用焊接毛坯可省去铸造模型费用。2.结构设