机械设计 课件 第2章 机械零件设计的基础知识

第1章机械零件设计的基础知识本章提要机械零件设计的一般步骤，机械零件的主要失效形式和计算准则，机械零件的强度，机械零件的摩擦、磨损和润滑，机械零件的材料及选用原则，机械零件的工艺性和设计的标准化重点：静应力、对称循环应力、非对称循环应力及规律性非稳定应力下的疲劳强度计算2.5机械零件的材料及选用原则2.2机械零件的主要失效形式和计算准则2.3机械零件的强度2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.1机械零件设计的一般步骤目录2.1机械零件设计的一般步骤类型选择受力分析材料选择确定计算准则理论设计计算结构设计精确校核绘制零件工作图编写设计计算说明书2.2机械零件的主要失效形式和计算准则1.整体断裂2.表面破坏3.变形量过大4.破坏正常工作条件引起的失效2.2.1机械零件的主要失效形式1.整体断裂2.2机械零件的主要失效形式和计算准则齿轮轮齿折断断轴2.表面破坏磨料磨损腐蚀磨损胶合点蚀2.2机械零件的主要失效形式和计算准则3.变形量过大2.2机械零件的主要失效形式和计算准则弹性变形塑性变形2.2机械零件的主要失效形式和计算准则4.破坏正常工作条件引起的失效普通V带-打滑螺纹连接-松动2.2.2机械零件的计算准则1.强度准则2.刚度准则3.寿命准则4.耐磨性准则5.振动稳定性准则2.2机械零件的主要失效形式和计算准则1.强度准则2.2机械零件的主要失效形式和计算准则2.刚度准则y2.2机械零件的主要失效形式和计算准则3.寿命准则腐蚀、磨损疲劳寿命计算2.2机械零件的主要失效形式和计算准则4.耐磨性准则2.2机械零件的主要失效形式和计算准则5.振动稳定性准则(1)提高零件制造精度(2)提高回转件动平衡精度(3)增加阻尼系统(4)提高材料或结构的衰减系数(5)采用减振、隔振装置2.2机械零件的主要失效形式和计算准则2.3机械零件的强度2.3.1载荷及应力的分类①静载荷与变载荷②名义载荷与计算载荷1.载荷的分类名义载荷原动机传动机工作机额定功率在理想工作条件工作阻力力学公式名义载荷P、M、T、F1.载荷的分类2.3机械零件的强度2.3.1载荷及应力的分类计算载荷1.载荷的分类2.3机械零件的强度2.3.1载荷及应力的分类2.应力的分类应力静应力变应力稳定变应力非稳定变应力有规律非稳定变应力无规律非稳定变应力对称循环脉动循环非对称循环2.3机械零件的强度2.3.1载荷及应力的分类σmax=σmin=σmσa=0静应力：不随时间变化或缓慢变化

2.3机械零件的强度2.应力的分类2.3.1载荷及应力的分类稳定变应力2.3机械零件的强度2.应力的分类2.3.1载荷及应力的分类稳定变应力脉动循环r=0对称循环

r=-1非对称循环-1<r<1σm=σa=σmax/2,σmin=0σmax=σa=-σmin,σm=0σmax=σm+σaσmin=σm－σaσtoσtoσto2.3机械零件的强度2.应力的分类2.3.1载荷及应力的分类非稳定变应力有规律非稳定变应力无规律非稳定变应力2.3机械零件的强度2.应力的分类2.3.1载荷及应力的分类1.强度判据2.3.2静应力时机械零件的强度计算2.3机械零件的强度2.极限应力塑性材料：脆性材料：复杂应力——按强度理论计算，常用第一、三、四强度理论（表2-2）单向应力（拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转）

——危险截面处的最大应力3.计算应力2.3机械零件的强度2.3.2静应力时机械零件的强度计算4.许用安全系数与许用应力选取原则不同的机器制造部门，常制定有自己的许用安全系数或许用应力规范。在保证机器安全可靠的前提下,尽可能减小许用安全系数或提高许用应力载荷和应力计算的准确性材料机械性能数据的可靠性零件的重要性主要影响因素2.3机械零件的强度2.3.2静应力时机械零件的强度计算无规范可循时，可参考表2-3塑性材料脆性材料ReL

/Rm0.45~0.550.55~0.70.7~0.9铸件[S]1.2~1.51.4~1.81.7~2.21.6~2.53~4说明如载荷和应力的计算不十分准确时,[S]值加大20%~50%计算不十分准确时，[S]值加大50%~100%2.3机械零件的强度4.许用安全系数与许用应力2.3.2静应力时机械零件的强度计算2.3.3变应力时机械零件的强度计算1.疲劳曲线及疲劳极限疲劳断裂的三个阶段1.裂纹萌生2.裂纹扩展3.瞬断金属疲劳断裂2.3机械零件的强度疲劳破坏的特点(1)循环应力多次反复作用下产生(2)无宏观的、明显的塑性变形迹象(4)对材料的组成,零件形状、尺寸、

表面状态、使用条件非常敏感(3)循环应力远小于材料的静强度极限1.疲劳曲线及疲劳极限2.3机械零件的强度2.3.3变应力时机械零件的强度计算疲劳曲线（硬度≤350HBW）（硬度>350HBW）有限寿命区无限寿命区ABCσ－1σ-1N1.疲劳曲线及疲劳极限2.3机械零件的强度2.3.3变应力时机械零件的强度计算注意(2)N>N0，KN=1(1)材料常数m与应力状态、材料性质和热处理方法有关，数值范围大，由疲劳曲线确定。一般设计中，钢制零件受弯曲应力，m=9(3)N0<103按静应力问题处理(4)近似疲劳曲线1.疲劳曲线及疲劳极限2.3机械零件的强度2.3.3变应力时机械零件的强度计算o103107Nσ-1N0.5Rm0.9Rm近似的疲劳曲线1.疲劳曲线及疲劳极限2.3机械零件的强度2.3.3变应力时机械零件的强度计算(1)应力集中(2)绝对尺寸(3)表面状态2.影响零件疲劳强度的因素2.3机械零件的强度2.3.3变应力时机械零件的强度计算A有限寿命区无限寿命区BCσ-1σ-1（103）103σ-1(103)cσ-1cA/B/C/3.对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度σ-1N有限寿命设计——A/B/段3.对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度有限寿命疲劳强度条件3.对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度无限寿命设计——B/C/段当N=103时零件的条件疲劳极限3.对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度无限寿命疲劳强度条件3.对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度Rm

a

m

-1

0/2BCA45°O

0/21）疲劳极限线图ABCσ-14.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度ReLDECA45°45°O

0/2

-1

0/2材料的谢林森折线图

a

m4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度直线AE的方程直线DE的方程4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度零件的简化疲劳极限线图直线A/E/的方程OA/C/E/DσaσmReL4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度2）非对称循环应力下疲劳强度计算DE/C/A/45°O

a

-1cM2M1M12加载方式

m

a4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度

mReL

m

aE/N1M1(

/rm,

/ra)A/DMNC(

m,

a)OOM1直线方程直线A/E/的方程2.3机械零件的强度4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度无限寿命零件疲劳强度射线与DE/相交射线与A/E/相交射线交点在E/附近，需对两种强度安全系数进行校核等效应力将非对称循环变应力从强度相等的角度等效折算成对称循环变应力

机械零件有限寿命疲劳强度4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度

m

aE/N1M1(

/rm,

/ra)A/DMNC(

m,

a)OθθP等效工作应力

4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度零件有限寿命疲劳强度计算4.非对称循环变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度5.规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算1)线性疲劳损伤积累理论

当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，而这种损伤是可以积累的，当损伤积累到临界值时即发生疲劳破坏。Miner理论材料在各个应力下的疲劳损伤是独立进行的，并且总损伤可以线性地累加起来。2.3机械零件的强度规律性非稳定变应力与σ-N曲线2.3机械零件的强度5.规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算Miner方程

小于σ-1的应力可认为对材料不起损伤作用，故计算时可不考虑；当大于σ-1的各级应力对材料的寿命损伤率之和等于1时，材料即发生疲劳破坏。2.3机械零件的强度5.规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算2)疲劳强度计算代入Miner方程2.3机械零件的强度5.规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算如果材料没达到破坏任选一应力水平为基准,如选2.3机械零件的强度疲劳强度

对于零件，用σ-1c和m/代替σ-1和m5.规律性非稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算6.双向变应力下机械零件的疲劳强度计算双向变应力ABOM/MB/A/σaτa2.3机械零件的强度σraτra零件的计算安全系数为6.双向变应力下机械零件的疲劳强度计算2.3机械零件的强度疲劳强度条件2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.1机械零件的摩擦1.金属的表层结构及表面接触表观接触面积A：A=ab真实接触面积Ar：2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.1机械零件的摩擦2.摩擦(润滑)类型及性质摩擦内摩擦和外摩擦静摩擦和动摩擦滑动摩擦、滚动摩擦和自旋摩擦滑动摩擦

干摩擦

边界(润滑)摩擦

流体(润滑)摩擦

混合(润滑)摩擦2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.1机械零件的摩擦3.影响摩擦的主要因素1)摩擦副表面膜2)摩擦副材料性质3)摩擦副表面粗糙度4)润滑介质5)摩擦副表面硬度2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.2机械零件的磨损1.磨损过程磨损三个阶段跑合磨损阶段Ⅰ(初期磨损阶段)稳定磨损阶段Ⅱ(正常磨损阶段)剧烈磨损阶段Ⅲ(耗损磨损阶段)2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.2机械零件的磨损2.磨损的类型按磨损机理磨粒磨损黏着磨损疲劳磨损腐蚀磨损冲蚀磨损微动磨损2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.2机械零件的磨损3.磨损的主要影响因素和降低措施主要影响因素1)表面接触应力2)相对滑动速度3)摩擦副材料4)摩擦界面润滑状态1)摩擦副配副材料正确选择2)实现有效的润滑3)摩擦副表面处理4)改进结构设计，提高加工和装配精度5)正确使用、维护与保养措施2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.2机械零件的磨损3.磨损的主要影响因素和降低措施主要影响因素1)表面接触应力2)相对滑动速度3)摩擦副材料4)摩擦界面润滑状态1)摩擦副配副材料正确选择2)实现有效的润滑3)摩擦副表面处理4)改进结构设计，提高加工和装配精度5)正确使用、维护与保养措施2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑1.润滑剂1)润滑油黏度黏温特性黏压特性油性极压性能氧化安定性2)润滑脂锥入度滴点油性极压性能3)固体润滑剂石墨、二硫化钼、氮化硼石蜡、聚四氟乙烯、酚醛树脂锑Pb、锡Sn、锌Zn金属化合物2.4.3机械零件的润滑2.4机械零件的摩擦、磨损和润滑2.4.3机械零件的润滑2.添加剂作用：提高承载能力、降低摩擦、减少磨损分类：物理性能—降凝剂、黏度指数改进剂、增黏剂、消泡剂

化学性能—抗氧剂、清净分散剂、油性剂、极压抗磨剂3.选择原则1)工作载荷2)运动速度3)工作温度4)特殊要求2.5机械零件的材料及选用原则1)使用要求2)工艺要求3)经济性要求机械零件常用材料金属材料—钢、铸铁、铜合金非金属材料——高分子材料、陶瓷材料、复合材料选用原则2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.1机械零件的工艺性1.造型简单合理结构和形状越复杂，制造、装配和维修越困难，成本越高。在满足使用要求的情况下，几何形状应尽量简单，最好为平面或圆柱面。2.合理选择毛坯种类零件毛坯可用铸造、锻造、轧制、焊接等方法制造。如大件、结构复杂且批量生产，宜采用铸件。3.铸件结构的工艺性1)设计中壁厚要均匀，过渡要平缓，以防止产生缩孔及裂纹2)应有适当的结构斜度及拔模斜度以便于取模，保证铸件质量3)铸件各个面的交界处应采用圆角结构4)为了加强刚度，在受力点处常采用加强肋2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.1机械零件的工艺性4.机械加工工艺性2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.1机械零件的工艺性5.零部件的装配工艺性2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.1机械零件的工艺性6.零部件的维修工艺性1）可达性——易于观察维修部位，手易于达到维修处2）易于装拆——能装、能拆，而且装拆都很方便3）便于更换——损坏的零部件能方便更换（方法：尽量采用标准件；模块化设计）4）便于修理——对损坏的部分容易修配或更换2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.1机械零件的工艺性标准化、系列化、通用化2.6机械零件的工艺性和设计的标准化2.6.2机械设计的标准性标准化使用优势1)设计新产品时按系列设计，尽量使用标准件和通用件，可

以减少设计工作量，缩短设计周期，精力用于关键件设计2)可集中成功经验，减少设计、制造上的技术差错3)扩大互换性，便于维修工作4)有利于增加产品品种，扩大生产批量，易收到优质高产、

低消耗的经济效果5)为专业化生产创造了有利条件例题例1

某静止构件材料为35钢，其强度极限，屈服极限为，所受弯曲应力为，扭剪应力。试校核其静强度。例题例题例2

某钢制零件，其σB=770MPa，σs=400MPa，σ-1=250MPa。承受对称循环变应力，其σmax=80MPa。已知kσ=1.65，εσ=0.81，β=0.95，N0=107，m=9。若取许用安全系数[S]=1.5，试校核此零件的疲劳强度（有限寿