机械设计基础第9章 机械零件设计概论(1)

§9-2 机械零件的强度,§9-5 机械制造常用材料及其选择,第9章 机械零件设计概述,§9-1 机械零件设计概述,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。,一、机械设计应满足的要求：,机械零件设计概述,机械零件的设计也必须满足上述要求既要工作可靠，又要成本低廉。,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,二、机械零件的工作能力,三、机械零件的失效,由于某种原因零件不能正常工作时，称为失效。,（一）整体断裂,整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。,齿轮轮齿断裂,轴承内圈断裂,轴承外圈、滚动体断裂,机械零件常见的失效形式:,断裂、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。,机械零件设计概述,（二）塑性变形,当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生塑性（残余）变形。,齿轮齿面塑形变形,轴承外圈塑性变形,机械零件设计概述,轴承外圈塑性变形,轴承内圈塑性变形,机械零件设计概述,（三）零件的表面破坏,零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。,齿面接触疲劳（点蚀）,轴瓦磨损,机械零件设计概述,轴承套圈点蚀,轴承内圈点蚀,机械零件设计概述,失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等。,强度条件：计算应力<许用应力；,五、机械零件设计的步骤,5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。,计算量许用量,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。,刚度条件：变形量<许用变形量；,机械零件设计概述,四、机械零件的设计准则工作能力计算准则,1) 拟定零件的计算简图;,六、机械零件设计的计算方法,设计计算根据设计准则，确定尺寸。,校核计算先参照实物、图纸、经验数据等初步拟定结构和尺寸，然后根据设计准则进行验算。,机械零件设计概述,名义载荷：理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。 计算载荷：载荷系数与名义载荷乘积。 名义应力：按照名义载荷用力学公式求得的应力。 计算应力：按照计算载荷求得的应力。,92 机械零件的强度,机械零件的强度,机械零件的强度条件：,简单应力状态：,复杂应力状态,第三强度理论,第四强度理论,（正应力和切应力）,一、应力的种类：,变应力：随时间变化,机械零件的强度,静应力：不随时间变化或变化缓慢,2,变应力的描述,sm平均应力；,smax最大应力； smin最小应力,r 应力比（循环特性）,描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有 2 个参数是独立的。,sa应力幅,机械零件的强度,变应力,稳定变应力（m、a 、T均为常数）,规律性非稳定变应力,随机变应力,非稳定变应力,（m、a 、T之一不为常数）,机械零件的强度,对称循环变应力,脉动循环变应力,非对称循环变应力,变应力的描述,sm平均应力；,smax最大应力； smin最小应力,sa应力幅,r 应力比（循环特性）,机械零件的强度,1、非对称循环,2、对称循环,机械零件的强度,3、脉动循环,机械零件的强度,4、静应力,5、规律性非稳定变应力,6、随机变应力,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S 作为极限应力,许用应力为：,脆性材料：取强度极限B 作为极限应力,许用应力为：,机械零件的强度,三、变应力下的许用应力,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,疲劳断口的独特性：两个区,疲劳区（光滑区）,脆断区（粗糙区）,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。,疲劳源,垄沟纹,疲劳纹,粗糙区,光滑区,变应力,疲劳断裂,5,机械零件的强度,机械零件的强度,机械零件的强度,疲劳极限：在循环特性r下的变应力，经过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值，称为疲劳极限rN。,疲劳曲线是通过疲劳试验得到的，进行试验时采用的是标准试件。,标准试件：无尺寸变化表面磨削或抛光710,r-应力循环特性（应力比）；,N-疲劳断裂时应力循环次数。,1、疲劳曲线,(r一定）,机械零件的强度,A点：N=1/4,A,B,C,D,AB段：,静应力破坏。,BC段：,断口发现显著的塑性变形，属于应变疲劳，也称为低周疲劳。,CD段：,高周疲劳，多数零件的疲劳属于此类。,m-材料常数，由试验确定。,D点以后：,rN与N无关。,3,rN,机械零件的强度,A,B,C,D,讨论,N0为规定的试验次数，称为 循环基数。,KN称为寿命系数，,N1,N>N0，无限寿命区， 取N= N0 ，KN1,有限寿命,无限寿命,循环特性r不同时，材料的疲劳极限不同，疲劳曲线也不同，,6,但最大不超过,机械零件的强度,6,机械零件的强度,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、表面状态等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,应力集中的影响引入有效应力集中系数无应力集中试样和有应力集中试样疲劳极限比值,绝对尺寸的影响引入尺寸系数直径d的试样与直径d0试样疲劳极限比值,表面状态质量（主要指表面粗糙度）的影响引入表面状态系数某种表面状态下的疲劳极限和精抛光试样疲劳极限比值,2、影响机械零件疲劳强度的主要因素,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，为此引入应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等。,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：,0 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-1N代入得：,、许用应力,四、安全系数,1）静应力下，塑性材料的零件：S =1.2.5铸钢件：S =1.5,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。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁： S =34,3）变应力下， S =1.31.7 材料不均匀，或计算不准时取： S =1.72.5,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，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力 。,作用静应力时，失效形式为：塑性变形、压碎,作用变应力时，失效形式为：疲劳点蚀（接触疲劳磨损），常发生在齿轮、滚动轴承中。,机械零件的接触强度,零件表面,§95 机械制造常用材料及其选择,一、金属材料,1.铸铁,铸铁,常用金属材料,钢,铜合金,-含碳量 >2%,-含碳量 2%,铁碳合金,特点：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）成本低廉。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,§95 机械制造常用材料及其选择,2.钢,结构钢,工具钢,特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等),碳素结构钢（含碳量 0.7% ）,合金结构钢,铸钢,按用途,按化学成分, 0.25% 低碳钢,0.3% 0. 5% 中碳钢,0.5% 高碳钢,按含碳量,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。,零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。,选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,应用：应用范围极其广泛。,价格便宜且供应充分,我国资源丰富,§95 机械制造常用材料及其选择,3.铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具 有良好的减摩性和抗腐蚀性。,零件毛坯获取方法：辗压、铸造。,应用：应用范围广泛。,种类,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,二、非金属材料,橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴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衬。,§95 机械制造常用材料及其选择,2. 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日益广泛。,3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。,选材因素：,设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。,§95 机械制造常用材料及其选择,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S 作为极限应力,许用应力为：,脆性材料：取强度极限B 作为极限应力,许用应力为：,机械零件的强度,变应力下的许用应力,机械零件的接触疲劳强度的判定条件：,机械零件的耐磨性,p p p由实验或同类机器使用经验确定,p v p v ,