第三章機械零件設計概論§3-1設計機械零件的基本要求

1）工作可靠（不失效）；3）便于制造、裝配2）經(jīng)濟性要好；4）質(zhì)量小，符合標準1.日本防衛(wèi)省航空幕僚監(jiān)部21日透露，航空自衛(wèi)隊三澤基地所屬F-2支援戰(zhàn)斗機在進行飛行訓練時，突然發(fā)生了操縱桿的握把從根部折斷的事故。為此，日本全國共計75架航空自衛(wèi)隊的F-2戰(zhàn)斗機均被停飛接受檢查。2.3.TJPU§3-2機械零件的載荷和應力一、載荷的分類靜載荷：變載荷：1）循環(huán)變載荷（載荷循環(huán)變化）

2）隨機（變）載荷——載荷的頻率和幅值均隨機變化TJPUTJPU名義載荷----根據(jù)原動機或工作機的額定功率計算出的作用在機械零件上的載荷。載荷系數(shù)----考慮載荷不均勻、載荷在零件上分布的不均勻性及其他影響零件受載的因素。載荷還分為：1）名義載荷；2）計算載荷。

計算載荷=載荷系數(shù)×名義載荷TJPU1靜應力和變應力變應力

穩(wěn)定循環(huán)變應力——T、、均不變非穩(wěn)定循環(huán)變應力——

靜應力二.應力種類穩(wěn)定循環(huán)變應力的的5個基本參數(shù)和種類：0t

min

maxmTJPU0t

a=maxmin

對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力不對稱循環(huán)（-1<r<+1r≠0）TJPU2名義應力和計算應力機械零件的尺寸取決于危險截面處的最大應力。靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應力可由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。例:

軸

軸承

TJPU非穩(wěn)定循環(huán)變應力隨機變應力§3-3

機械零件的常見失效和計算準則一機械零件的常見失效（failure)靜強度不夠造成斷裂疲勞斷裂2.塑性變形3.斷裂1.過大的彈性變形例如：天車，車床主軸。由于彈性變形較小,且可逆,一般危害不大,扳手.脆性斷裂危害極大TJPU4.表面失效5.破壞正常工作條件引起的失效例：滑動軸承：油膜破壞帶傳動：打滑

6.共振（高速軸）同一零件可能有不同的失效形式，如軸的失效形式可能為：斷裂，共振，彈性變形過大等磨損膠合腐蝕TJPU二機械零件的計算準則為保證機械零件不發(fā)生失效，完成其規(guī)定的功能，機械零件要有足夠的工作能力。為使機械零件具有足夠的工作能力，避免失效，要采取各種有效措施，包括理論計算，計算所依據(jù)的條件稱為計算準則。1、強度準則靜應力下:一般工作期內(nèi)應力變化次數(shù)<103（104）可按靜應力強度計算。TJPU單向應力狀態(tài)：或復合應力狀態(tài)：按強度理論計算.見材料力學TJPU變應力下：材料的疲勞特性曲線：σmaxN≤103時按靜強度計算NN0104103低周疲勞高周疲勞無限壽命區(qū)有限壽命區(qū)σr疲勞破壞的特征TJPU

持久疲勞極限r(nóng)：對應于循環(huán)基數(shù)N0時的疲勞極限

有限壽命區(qū)

無限壽命區(qū)N≥N0

疲勞特性TJPU影響機械零件疲勞強度的因素：零件對稱循環(huán)扭切疲勞極限為：1）應力集中的影響----有效應力集中系數(shù)2）零件尺寸的影響----尺寸系數(shù)3）表面質(zhì)量狀態(tài)的影響----表面質(zhì)量系數(shù)見教材附錄TJPU應力集中TJPU用安全系數(shù)表示對稱循環(huán)下彎曲疲勞強度條件：其他情況下的強度條件式參見教材或手冊持久疲勞極限計算應力TJPU接觸應力下:

高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應力卻很大。該應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強度稱為接觸強度.

計算依據(jù)：彈性力學的赫茲（Hertz）公式。TJPUB

F

F

b

接觸應力下的失效：靜應力：表面壓碎表面塑性變形變應力：疲勞點蝕強度條件：TJPUTJPU安全系數(shù)S：考慮載荷計算的準確性、材料機械性能的可靠性、計算模型的準確性和零件的重要程度等。s過大零件笨重，過小不安全。安全系數(shù)的確定：（1）依據(jù)行業(yè)規(guī)范；（2）經(jīng)驗數(shù)據(jù)；（3）部分系數(shù)法：s=s1s2s3

考慮載荷的準確性考慮材料的可靠性考慮零件的重要程度TJPUy2）扭轉剛度扭轉角TT'TJPU2、剛度準則

1）彎曲剛度撓度偏轉角3、耐熱性準則：軸承等工作溫度不要超過許用值.4、振動穩(wěn)定性準則：防止共振振幅A頻率f0.85ff1.15f激振頻率fp<0.85f

（固有頻率）或fp>1.15f

TJPU5、壽命準則：腐蝕、磨損和疲勞。腐蝕、磨損目前尚無可靠的計算方法疲勞壽命可以計算TJPU6、可靠性準則0tIIIIII失效率曲線可靠性--產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O計需要基礎數(shù)據(jù)?？煽啃栽O計有專著美國適航審定標準中專門規(guī)定了運輸類飛機的最低安全標準，10的7次方分之一的事故率，TJPU7、精度準則(保證機器運動精度等)

精度設計有專著。試分析車床主軸的設計準則。強度、剛度和振動穩(wěn)定性。TJPU一、常用的機械零件材料二、機械零件材料選用的原則要考慮三個方面的要求1、使用要求（首要考慮）：

1）零件的受載和工況；2）對零件尺寸和質(zhì)量的限制；3）零件的重要程度。2、工藝要求：

1）毛坯制造；2）機械加工；3）熱處理。3、經(jīng)濟性要求：

1）材料價格；2）加工批量和加工費用；3）材料的利用率；4）局部品質(zhì)原則;5）替代（盡量用廉價材料來代替價格相對昂貴的稀有材料）；6）供應情況?！?-4機械零件常用的材料及其選擇原則耐酸、耐高溫無切削等TJPU§3-5提高機械零件疲勞強度的措施提高機械零件疲勞強度的措施：1.減小應力集中；2.提高機械零件表面加工質(zhì)量；3.采用能提高疲勞強度的熱處理和強化方法。如：滲碳、滲氮以及表面冷加工，如表面滾壓、噴丸等。（提高表面強度和殘余壓應力）TJPU§3-6

機械零件的結構工藝性和標準化（便于加工和裝配，有利于保證零件質(zhì)量）機械零件的結構工藝性

便于加工和裝配，有利于保證零件質(zhì)量。

有人說：機械零件設計應包括理論分析、模型設計、設計計算和結構設計和制圖；由結構設計引起的錯誤占機械設計錯誤中較大比例。涉及到：鑄造、鍛造、沖壓、切削、熱處理和裝配等。（查閱有關資料）TJPU2.機械零件設計中的標準化

標準化：在經(jīng)濟、技術、科學及管理等社會實踐中，對現(xiàn)實問題或潛在問題（重復性事物和概念）通過制定、發(fā)布和實施標準，達到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會效益。國際標準ISO等國家標準GB（強制）

GB/T(推薦）行業(yè)標準如JB/T10475-2004垂直升降類機械式停車設備（本標準規(guī)定了垂直升降類機械式停車設備的型式、基本參數(shù)、技術要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等內(nèi)容）

地方標準企業(yè)標準三化：零件標準化、部件通用化、機器系列化

TJPU§3-7

機械設計工具書的使用TJPU《機械設計手冊》(徐灝主編)

全5冊化工出版社出版《機械零件設計手冊》第三版上下冊《機械設計與制造簡明手冊》

《機械設計師實用手冊》TJPU傳統(tǒng)設計方法（一）理論設計（二）經(jīng)驗設計類比法或應用經(jīng)驗公式等（三）模型實驗（初定尺寸，制作模型或小尺寸樣機，評估，修改完善。）

設計計算校核計算§3-8機械零件設計方法的新發(fā)展計算機輔助設計（CAD）

ComputerAidedDesignTJPU有限元法隨著高速計算機的應用日益普及和數(shù)值分析在工程中的作用日益增長而發(fā)展起來的一種實用有效的數(shù)值方法?；舅悸罚簩⑦B續(xù)介質(zhì)離散成小塊（單元），僅在有限個指定點（節(jié)點）連接。軟件：ANSYS等?，F(xiàn)代設計方法TJPU2.最優(yōu)化設計一般工程設計問題都存在著許多可能的方案，在設計時應選擇較好的方案，即優(yōu)化。最優(yōu)化設計是在高速計算機的應用日益普及基礎上發(fā)展起來的一種新方法。包括解析方法和數(shù)值方法。主要工作：建立數(shù)學模型；采用適當方法優(yōu)化。軟件：matlab等。TJPU可靠性設計（機械概率設計）是可靠性工程的主要內(nèi)容之一。在機械可靠性設計中，將載荷、材料性能與強度即零部件的尺寸，均視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計量，應用概率和統(tǒng)計理論及強度理論，求出在給定設計條件下零部件不產(chǎn)生破壞的概率公式。應用這些公式，可以求出給定可靠度條件下零件的尺寸?？煽啃苑峙洌核鼘⑾到y(tǒng)規(guī)定的容許失效概率合理地分配給該系統(tǒng)的零件。還有并行設計、綠色設計、動態(tài)分析設計、網(wǎng)上設計等、穩(wěn)健設計等。TJPU機械零件設計的一般步驟

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