第第9章 机械零件设计概论章 机械零件设计概论9.1 机械零件设计概述 一机械零件设计概述 一. 机械设计的要求：机械设计的要求： 1）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。 2）在预定使用期限内，安全可靠、操作方 便。）在预定使用期限内，安全可靠、操作方 便。 3）方便维修、外观造型美观。）方便维修、外观造型美观。 4）与时俱进 ，要有实时性。 不同的机械类型要求内容：）与时俱进 ，要有实时性。 不同的机械类型要求内容： 功能要求功能要求：满足运动、传力、工艺动作、零 部件工作可靠等。：满足运动、传力、工艺动作、零 部件工作可靠等。工艺性要求工艺性要求：结构简单、实用。考虑毛坯制 造、机械加工、装配、维修、材料等，尽可 能选用标准。：结构简单、实用。考虑毛坯制 造、机械加工、装配、维修、材料等，尽可 能选用标准。 经济性要求经济性要求：综合指标，贯穿于设计、运行 维修等全过程。：综合指标，贯穿于设计、运行 维修等全过程。 其他要求：其他要求：美观、劳动保护、操作方便、运 输美观、劳动保护、操作方便、运 输。二。二. 几个基本概念几个基本概念 内力：内力：物体受外力而变形，其内部各部分之 间因相互位置的改变而引起的相互作用。物体受外力而变形，其内部各部分之 间因相互位置的改变而引起的相互作用。应力：应力：在物体截面内一点的应力在物体截面内一点的应力p为该点内力的合力 为该点内力的合力 F与该点微小面积与该点微小面积S的比的极限值：应力按方向分的比的极限值：应力按方向分正应力正应力和和剪应力剪应力。 失效：失效：机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。机械零件在限定的期间内，在规定条件下， 不能完成正常的功能。如断裂、变形太大等。 工作能力（承载能力）：工作能力（承载能力）：机械零件抵抗失效的能 力。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效 的安全工作限度。含时间和载荷两个要素。 三机械零件抵抗失效的能 力。或机械零件在预定的使用期限内，不发生失效 的安全工作限度。含时间和载荷两个要素。 三.失效形式：失效形式： 1）断裂、塑性变形；）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形；）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。dSdF SFp S= = = 0lim（1）整体断裂（1）整体断裂 零件在载荷作用下，危险剖面上的应力大于材料 的极限应力而引起的断裂。如螺栓破断、齿轮断 齿、断轴等。零件在载荷作用下，危险剖面上的应力大于材料 的极限应力而引起的断裂。如螺栓破断、齿轮断 齿、断轴等。 静强度断裂、疲劳断裂。静强度断裂、疲劳断裂。 （2）表面破坏（2）表面破坏 发生在零件工作表面上。常见形式：压溃、磨损、 表面疲劳、胶合、腐蚀等。发生在零件工作表面上。常见形式：压溃、磨损、 表面疲劳、胶合、腐蚀等。 破坏表面精度、改变表面形貌、摩擦、能耗增 大。破坏表面精度、改变表面形貌、摩擦、能耗增 大。 （3） 变形量过大（3） 变形量过大 弹性变形、刚度不足。弹性变形、刚度不足。塑性变形。塑性变形。 （4）功能失效（4）功能失效 不能完成预定功能。 带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。不能完成预定功能。 带传动打滑、螺栓联接松动、高速转子共振等。注意：注意： 一个零件可能同时存在多种失效形式。 如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲 劳点蚀、胶合、塑性变形等。 对于一具体零件，应根据其主要失 效形式，采用相应的设计准则，计算结 构尺寸，然后对其他失效形式进行校 核。一个零件可能同时存在多种失效形式。 如齿轮，可能出现断裂、磨损、表面疲 劳点蚀、胶合、塑性变形等。 对于一具体零件，应根据其主要失 效形式，采用相应的设计准则，计算结 构尺寸，然后对其他失效形式进行校 核。 机械设计的工作在两个方面：设 计、校核。机械设计的工作在两个方面：设 计、校核。失效的原因：失效的原因： 强度低、刚性差、不耐磨、温度影响、化学 变化以及设计不合理等。 四强度低、刚性差、不耐磨、温度影响、化学 变化以及设计不合理等。 四. 零件工作能力的计算准则判定条件：零件工作能力的计算准则判定条件： 计算校核量许用量计算校核量许用量 1.强度准则 实际应力（计算应力）许用应力：1.强度准则 实际应力（计算应力）许用应力： 2.刚度准则 变形许用变形： 2.刚度准则 变形许用变形：y yy y， 3.寿命准则： 3.寿命准则： T T许许 4.耐磨性准则： 4.耐磨性准则：5.振动稳定性准则 激振频率5.振动稳定性准则 激振频率fp0.870.87f（固有频率），或（固有频率），或fp1.181.18f6.可靠性准则 可靠度应大于许用值 五6.可靠性准则 可靠度应大于许用值 五. 机械零件的设计步骤机械零件的设计步骤拟定机械部件总图拟定机械部件总图拟定零件图拟定零件图拟定零件计算简图拟定零件计算简图选择合适材料选择合适材料确定作用载荷确定作用载荷满足工 作能力满足工 作能力?NY确定零件尺寸的取值 范围和选材范围范围确定零件尺寸的取值 范围和选材范围范围设计步骤设计步骤 (1)拟定零件的计算简图。选择零件类型、简化；拟定零件的计算简图。选择零件类型、简化； (2)受力分析。确定作用在零件上的载荷；受力分析。确定作用在零件上的载荷； (3)选择材料。确定许用应力（许用应力查手册）；选择材料。确定许用应力（许用应力查手册）； (4)确定设计准则。失效分析确定计算准则。确定设计准则。失效分析确定计算准则。 (5)理论设计计算。按设计准则公式，确定零件主要 几何尺寸。如螺栓小径、齿轮齿数、模数等。理论设计计算。按设计准则公式，确定零件主要 几何尺寸。如螺栓小径、齿轮齿数、模数等。 (6)结构设计。除主要尺寸的其余结构尺寸，必须考 虑功能要求，加工或装配工艺要求，减小应力集 中，尺寸小，重量轻等原则。结构设计。除主要尺寸的其余结构尺寸，必须考 虑功能要求，加工或装配工艺要求，减小应力集 中，尺寸小，重量轻等原则。 (7)绘制零件工作图。尺寸、公差配合、表面粗糙度 及技术条件等。绘制零件工作图。尺寸、公差配合、表面粗糙度 及技术条件等。 (8)编写设计计算说明书。编写设计计算说明书。可靠性计算过程可靠性计算过程载荷分布及 分布参数载荷分布及 分布参数几何尺寸分布 及分布参数几何尺寸分布 及分布参数材料机械性能 及分布参数材料机械性能 及分布参数应力分析应力分析强度分析强度分析应力分布参数应力分布参数强度分布参数强度分布参数可靠性计算可靠性计算 满足 要求满足 要求?NY重 定 尺 寸 和 材 料 性 能重 定 尺 寸 和 材 料 性 能9.2 机械零件的强度机械零件的强度9.2.1强度准则 零件9.2.1强度准则 零件危险截面处危险截面处的应力必须小于或等于材料的许 用应力。即的应力必须小于或等于材料的许 用应力。即或或，其中：，其中：， 计算正应力、剪切力。 计算正应力、剪切力。 ， ， 许用 正应力、剪切力。许用 正应力、剪切力。 名义载荷：名义载荷：在理想的工作条件下（平稳），零件上 承受的载荷。在理想的工作条件下（平稳），零件上 承受的载荷。名义应力 计算载荷：名义应力 计算载荷：实际工作条件非常复杂，零件会承受难 以计算的附加载荷，通常引入载荷系数实际工作条件非常复杂，零件会承受难 以计算的附加载荷，通常引入载荷系数K（或工作 情况系数（或工作 情况系数KA A）来考虑对载荷的影响，）来考虑对载荷的影响，K1。K与名义 载荷的乘积。K与名义 载荷的乘积计算载荷计算载荷。计算应力计算应力相应地，有相应地，有名义应力名义应力、计算应力计算应力。 式中，。 式中，、材料的许用应力。材料的许用应力。 =lim/S，=lim/S lim材料的极限正应力；材料的极限正应力； lim材料的极限剪切应力。材料的极限剪切应力。 S安全系数。 注意： 材料的极限应力是在简单应力状态下测得 的，对于复杂应力状态下工作的零件的设 计，应根据材料力学中所述强度理论进行。 许用应力取决于材料的安全系数。 注意： 材料的极限应力是在简单应力状态下测得 的，对于复杂应力状态下工作的零件的设 计，应根据材料力学中所述强度理论进行。 许用应力取决于材料的极限应力、安全系极限应力、安全系 数数。e弹性极限。弹性极限。 s屈服极限。屈服极限。 b强度极限。 应变强度极限。 应变:= l/l应力应力应变应变b be es s应力应变图应力应变图9.2.2应力的类型9.2.2应力的类型 一.基本概念一.基本概念 静应力：静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力。 例螺栓拧紧应力、吊钩应力。不随时间变化或变化缓慢的应力。 例螺栓拧紧应力、吊钩应力。 变应力：变应力：随时间变化的应力。 具有周期变化特性的变应力随时间变化的应力。 具有周期变化特性的变应力循环变应 力。循环变应 力。静应力静应力变应力变应力平均应力：应力幅：循环特性：平均应力：应力幅：循环特性：a.当时，当时， r=1，称为对称循环变应 力。 有：，称为对称循环变应 力。 有： b.当时，当时，r=0，称为脉动循环变应力。有： 静应力时：，称为脉动循环变应力。有： 静应力时：2minmax + += =m2minmax = =amaxmin = =rminmax =0; 0minmax= = 0 ; minmax= = =ma max21=ma1 ; minmax+ += = =r 二二.静应力作用下的许用应力 静应力作用下零件材料的失效形式：断 裂、塑性变形。 许用应力：极限应力：常用金属材料的牌号及力学性能（静应力作用下的许用应力 静应力作用下零件材料的失效形式：断 裂、塑性变形。 许用应力：极限应力：常用金属材料的牌号及力学性能（p123）lim S = = =;lim bs 塑性材料塑性材料屈服极限屈服极限脆性材料脆性材料强度极限强度极限布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：b(0.30.4)HB ，或，或 bKHB ， K为系数，例如对于低碳钢有为系数，例如对于低碳钢有K0.36，对于高碳钢有，对于高碳钢有 K0.34，对于调质合金钢有，对于调质合金钢有K0.325；HRC0.1HB三三.变应力作用下的许用应力变应力作用下的许用应力 失效形式（疲劳断裂的形式）失效形式（疲劳断裂的形式） 疲劳断裂疲劳断裂在变应力的反复作用下，材料或 零件发生的破坏。在变应力的反复作用下，材料或 零件发生的破坏。 特征特征 1.承受的应力远低于强度极限。承受的应力远低于强度极限。maxb(s)。2.损伤积累，微裂纹的不断扩展与连接。损伤积累，微裂纹的不断扩展与连接。3.无明显塑性变形，经过一定循环次数后突然断裂。无明显塑性变形，经过一定循环次数后突然断裂。4.断口形貌有两个区：疲劳区、瞬断区。断口形貌有两个区：疲劳区、瞬断区。疲劳断口疲劳断口 疲劳断口示意疲劳断口示意疲劳曲线：疲劳曲线：表示应力与应力循环次数之间关系。 在给定的循环特性表示应力与应力循环次数之间