第十章機械零件設計根底§10-1概述§10-3機械設計中常用材料的選用原那么§10-2機械設計的根本要求、機械零件的工作能力和計算準那么§10-4機械設計中的強度、許用應力和平安系數(shù)機械〔Machinery)——是機器和機構(gòu)的統(tǒng)稱。機器(Machine)—主要是指機械裝置。如內(nèi)燃機、機床、汽車、火車、飛機、輪船、起重運輸機械、冶金礦山機械、輕紡食品機械等等。機械設計(MachineDesign)——即為各種機械裝置的設計，機械設計是為了滿足機器的某些特定功能而進行的創(chuàng)造性過程，設計是創(chuàng)造性的勞動，設計的本質(zhì)在于創(chuàng)新。§10-1概述機械設計課程的特點性質(zhì)：是一門重要的設計性的技術(shù)根底課，是初步掌握機械設計能力的必然環(huán)節(jié)。研究內(nèi)容：通用機械零部件的工作原理、特點、選用及設計計算。齒輪傳動帶傳動蝸桿傳動螺紋聯(lián)接軸鍵聯(lián)接軸承聯(lián)軸器鏈傳動通用的零部件系指傳動零件軸類零件聯(lián)接零件目的：1、初步具備一般通用機械零部件設計計算的能力。2、綜合運用本課程和其他先修課程的知識，設計機械傳動裝置和一般機械。5．其他要求：環(huán)保、噪音、外觀等一、機械設計的根本要求1．實現(xiàn)預定的功能，工作可靠；2．經(jīng)濟性好：設計和制造周期短、本錢低，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、能耗低維護管理費用少；3．操作方便，運行平安；4．標準化、系列化程度高：以便簡化設計工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量；§10-2機械設計的根本要求、機械零件的工作能力和計算準那么二、機械零件的工作能力及計算準那么零件的工作能力—是指在一定的運動、載荷和環(huán)境情況下，在預定的使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的平安工作限度。二〕機械零件的主要失效形式過大彈性變形——零件的剛度不夠引起塑性變形——工作應力超過材料的屈服極限σS引起2．變形疲勞斷裂——工作應力超過零件的疲勞極限σr引起過載斷裂——工作應力超過材料的強度極限σB引起1．斷裂壓潰、過度磨損——零件接觸外表上的壓應力p過大膠

合——

零件工作溫升△t過高引起外表疲勞損壞——零件外表接觸應力σH過大引起3．表面失效機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。一〕機械零件的工作能力計算準那么—用于計算并確定零件根本尺寸的主要依據(jù)。對于具體的零件，應根據(jù)它們的主要失效形式，采用相應的計算準那么。常用的計算準那么有：三〕機械零件的計算準那么1．強度準那么——針對零件斷裂、塑性變形或外表疲勞損壞失效強度——指零件在載荷作用下抵抗斷裂或塑性變形的能力。強度是保證零件工作能力的最根本要求。假設零件的強度不夠，不僅因為零件的失效使機械不能正常工作，還可能導致平安事故。強度的計算準那么為：σ≤[σ]MPa或τ≤[τ]針對斷裂或塑性變形σH≤[σH]針對外表疲勞損壞強度計算準那么：1）或2）S——平安系數(shù)，S＞1—→S↑：安全，浪費材料S↓：經(jīng)濟，不平安σ—零件的工作正應力；—零件的工作切應力；[σ]—材料的許用正應力；—材料的許用切應力；—材料的極限正應力；—材料的極限切應力；2．剛度準那么——針對過大彈性變形剛度——指零件在一定載荷作用下抵抗過大彈性變形的能力。剛度是保證機器正常工作，提高機床加工產(chǎn)品質(zhì)量的根本要求。剛度的計算準那么為：y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]式中，y、θ和φ——分別為零件工作時的撓度、偏轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角；由剛度計算所得零件剖面尺寸，一般要比強度計算的大，所以，一般滿足剛度要求的零件往往也能同時滿足強度要求。機床主軸等彈性變形過大將影響加工精度。齒輪軸的彎曲撓度過大會影響一對齒輪的正確嚙合。3．耐磨性準那么——針對過度磨損、膠合破壞耐磨性—指零件在載荷作用下相對運動的兩零件接觸界的抗磨損能力。耐磨性是保證有相對運動的零件正常工作的根本要求。其驗算式為：p≤[p]—防止過度磨損pv≤[pv]—防止膠合破壞4．振動和噪聲準那么——針對高速機械的振動失穩(wěn)〔即共振〕當零件的固有振動頻率f等于或趨近于零件的強迫振動頻率fp時，將產(chǎn)生共振。這不僅影響機械正常工作，甚至造成破壞性事故，而振動又是產(chǎn)生噪聲的主要原因。防止共振的條件為：f≤0．87fp或f≥1．18fp式中，f—零件的固有振動頻率，取決于零件的質(zhì)量和剛度。fp—零件受激振源作用引起的強迫振動頻率。3、選擇材料；4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設計出零件的主要參數(shù)；5、繪制零件工作圖。受力分析1、擬訂零件的設計簡圖；2、確定載荷的大小及位置；四〕機械零件的設計步驟傳統(tǒng)設計方法：強度條件〔或剛度〕設計計算尺寸尺寸校核計算強度條件〔或剛度〕理論設計〔半經(jīng)驗設計〕類比設計與已有的同類產(chǎn)品進行比較來設計新產(chǎn)品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠。經(jīng)驗設計根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設計，缺乏創(chuàng)新。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等模型實驗設計把初步設計的零、部件或機器作成小模型或小尺寸樣機進行實驗。用于大型、復雜零件的設計。如：飛機、橋梁的風洞實驗?，F(xiàn)代設計方法：

優(yōu)化設計對工程實際問題進行抽象，建立數(shù)學模型，用優(yōu)化方法求解，得出最正確設計結(jié)果。計算機輔助設計〔CAD〕包括分析計算和繪圖。概率設計〔可靠性〕將概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論運用于機械設計。

有限元設計

并行設計§10－3機械設計中常用材料的選擇原那么選用原那么：一、使用性能的要求用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經(jīng)濟性。零件材料選材因素：使用要求是指用所選材料做成的零件，在給定的工況條件下和預定的壽命期限內(nèi)能正常工作。二、工藝性能的要求工藝要求是指所選材料的冷、熱加工性能好，熱處理工藝性好。三、經(jīng)濟性的要求在滿足使用性能的前提下，盡量選用低價格的材料，減少材料的消耗，是零件材料選擇的主要原那么。各種材料的化學成分和力學性能可在相關(guān)國標、行標和機械設計手冊中查得。為了材料供給和生產(chǎn)管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。一、載荷和應力一〕載荷載荷——構(gòu)件或零件工作時所承受的外力。靜載荷——大小和方向均不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷——大小或方向隨時間變化的載荷。根據(jù)載荷性質(zhì)的不同，可分為靜載荷與變載荷?！?0-4機械設計中的強度、許用應力和平安系數(shù)循環(huán)變載荷穩(wěn)定循環(huán)載荷不穩(wěn)定循環(huán)載荷隨機變載荷名義載荷——在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷，按原動機的功率求得。計算載荷——載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。式中，P——原動機的額定功率〔kW〕，n——額定轉(zhuǎn)速〔r/min〕。式中，K——考慮各種附加載荷的載荷系數(shù)。也可分為工作載荷、名義載荷與計算載荷。工作載荷——機械正常工作時所受的載荷〔一般難以確定〕。根據(jù)名義載荷求出的應力稱為名義應力。根據(jù)計算載荷求出的應力稱為計算應力。按照應力隨時間的變化情況，應力也可分為靜應力和變應力。靜應力——不隨時間變化或變化很小的應力。二〕應力變應力——隨時間變化的應力。otσ

σ=常數(shù)穩(wěn)定循環(huán)變應力不穩(wěn)定循環(huán)變應力規(guī)律性不穩(wěn)定變應力隨機變應力隨機變應力規(guī)律性不穩(wěn)定變應力靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，變應力可能由變載荷或靜載荷產(chǎn)生。aσ0t作用在轉(zhuǎn)動心軸上的載荷是靜載荷，產(chǎn)生的應力卻屬于變應力。三〕變應力參數(shù)及典型變應力1.變應力參數(shù)最大應力：σmax

最小應力：σmin應力循環(huán)特征：用來表示應力的變化情況r=σmin/σmax平均應力：應力幅：σminσaσaσmσmaxtσ注意：五個參數(shù)具有符號，計算時要帶有符號；

σmax、σmin是指絕對值而言。應力類型a〕靜應力：r=+1變應力特例σtσ=常數(shù)b〕對稱循環(huán)變應力r=-1σtσaσmaxσminc〕脈動循環(huán)變應力r=0σtσaσaσmaxσm2.典型變應力及應力循環(huán)特征rd〕非對稱循環(huán)變應力r在〔-1～+1〕間變化σmaxσmσminσaσatσ二、機械零件的失效形式及強度條件式靜應力作用下——過載斷裂、塑性變形。二〕零件強度條件式：σ≤[σ]=σlim/S材料的極限應力安全系數(shù)脆性材料制造的零件：σlim=σB

塑性材料制造的零件：σlim=σS

1．靜應力作用下零件極限應力2．變應力作用下零件極限應力——σlim=σrN疲勞極限一〕零件的失效形式變應力作用下——疲勞破壞約占零件損壞事故中的80%。強度極限屈服極限3.平安系數(shù)——S的取值對零件的結(jié)構(gòu)尺寸、工作可靠性均有影響。1〕靜應力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機械的S可通過查表求得。無表可查時，按以下原那么?。骸慵叽绱螅Y(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不平安。２〕靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：S=3～43〕變應力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準時?。篠=1.7～2.5三、靜應力時機械零件的強度計算一〕單向應力下的塑性材料零件強度條件：或二〕復合應力時的塑性材料零件按第三或第四強度理論對彎扭復合應力進行強度計算由第三強度理論：（最大剪應力理論）由第四強度理論：（最大變形能理論）復合應力計算平安系數(shù)為：三〕脆性材料與低塑性材料脆性材料極限應力：〔強度極限〕塑性材料極限應力：〔屈服極限〕1、單向應力狀態(tài)強度條件：或

或失效形式：斷裂按第一強度條件：〔最大主應力理論〕注意：低塑性材料〔低溫回火的高強度鋼〕——強度計算應計入應力集中的影響脆性材料〔鑄鐵〕——強度計算不考慮應力集中一般工作期內(nèi)應力變化次數(shù)<104按靜應力強度計算。2、復合應力下工作的零件1、疲勞破壞特征：1〕斷裂過程：①產(chǎn)生初始裂紋〔應力較大處〕②裂紋尖端在應力作用下，反復擴展，直至產(chǎn)生疲勞裂紋。2〕斷裂面：①光滑區(qū)〔疲勞開展區(qū)〕②粗糙區(qū)〔脆性斷裂區(qū)〕3〕無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4〕破壞時的應力〔疲勞極限〕遠小于材料的強度極限一〕變應力作用下機械零件的失效特征2、疲勞破壞的機理：損傷的累積3、影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應力的循環(huán)特征、應力循環(huán)次數(shù)、應力幅都對疲勞極限有很大影響。四、機械零件的疲勞強度計算描述應力循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限σrN間關(guān)系的曲線，其橫坐標為應力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標為疲勞極限σrN疲勞曲線無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD機械零件的疲勞大多發(fā)生在σ－N曲線D點以前，可用下式描述：二〕機械零件材料的疲勞極限1、σ—

N疲勞曲線1〕有限壽命區(qū)當N<104—低周循環(huán)，疲勞極限接近于屈服極限，按靜強度計算。2〕D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：

當N>104——高周循環(huán)疲勞當104≤N≤ND時隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓無限壽命區(qū)σrN有限壽命區(qū)N0σrN1N1σrN2N2σrNNN0σrD由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞，于是有：有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限σrN的關(guān)系為：式中，σr、N0及m的值由材料試驗確定。N—應力循環(huán)次數(shù)，N=60

n

th

ɑ每轉(zhuǎn)受載次數(shù)使用壽命（h）轉(zhuǎn)速（r/min）用疲勞曲線求疲勞極限σrN的方法：kN—壽命系數(shù)有限壽命區(qū)〔N＜N0)疲勞極限:無限壽命區(qū)〔N≥N0〕疲勞極限：σrN=σr，kN=1幾點說明：①N0硬度≤350HBS鋼，N0=106~107≥350HBS鋼，N0=25x107有色金屬(無水平局部)，規(guī)定當N0>25x107時，近似為無限壽命區(qū)②m—指數(shù)，與應力與材料的種類有關(guān)。鋼：m=9——拉、彎應力、剪應力，m=6——接觸應力；青銅：m=9——彎曲應力，m=8——接觸應力。③應力循環(huán)特征越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強度越有利。對稱循環(huán)〔應力循環(huán)特征=-1〕最不利。2、極限應力圖同一種材料在不同的應力循環(huán)特征下的疲勞極限圖〔σm—σa圖〕。對任何材料〔標準試件〕而言，每種應力循環(huán)特征下都對應著該材料的最大應力σ’max=σr，再由應力循環(huán)特征可求出σ’min=rσ’max和σ’m、σ’a。以σm為橫坐標、σa為縱坐標，即可得材料在不同應力循環(huán)特征下的極限σm和σa的關(guān)系圖。1〕材料的極限應力圖曲線上的點對應著不同應力循環(huán)特征下的材料疲勞極限。對稱極限點強度極限點脈動疲勞極限點屈服極限點簡化極限應力線圖：——簡化極限應力圖ABDG作法：考慮材料的最大應力不超過疲勞極限，得AB及延長線考慮塑性材料的最大應力不超過屈服極限，得DG。AD：疲勞極限直線DG：屈服極限直線ψσ——等效系數(shù)〔折算系數(shù)〕對碳鋼：ψσ=0.1~0.2對合金鋼：ψσ=0.2~0.3材料的簡化極限應力圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)σ-1、σ0和σS而作出。折線以內(nèi)為疲勞和塑性平安區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應力點離折線越遠，平安程度越高。AD上各點：DG上各點：如果σmax<σmax’，不會疲勞破壞如果σmax<σs，不會屈服破壞折線ADG上任一點，表示在不同r時的疲勞極限。求不同應力循環(huán)特征r時的疲勞極限：由材料的極限應力簡圖對于n點(工作應力為σm和σa〕應力循環(huán)特征：對應的疲勞極限：影響零件疲勞強度的因素，除材料性能、r、N外，還有：應力集中：零件剖面幾何形狀突變處(如孔、圓角、鍵槽、螺紋等〕局部應力遠大于名義應力，使疲勞極限降低用應力集中系數(shù)Kσ(Kτ)來考慮，Kσ(Kτ)越小越好絕對尺寸：零件剖面絕對尺寸大、出現(xiàn)缺陷概率大、疲勞極限降低用絕對尺寸系數(shù)εσ(ετ)來考慮，εσ(ετ)越大越好外表狀態(tài)：零件外表光滑或強化處理、能提高疲勞極限用外表狀態(tài)系數(shù)β來考慮用綜合影響系數(shù)或考慮以上因素影響綜合影響系數(shù)越小越好。鋼的強度越高，(Kσ)D或(Kτ)D值越大。所以對于用高強度鋼制造的零件為了得到提高強度的效果必須特別注意減少應力集中和提高外表質(zhì)量。2〕零件的極限應力圖注意：由試驗得知，有效應力集中系數(shù)、絕對尺寸系數(shù)和外表狀態(tài)系數(shù)，只對變應力的應力幅局部產(chǎn)生影響。因而，計算時可用綜合影響系數(shù)對變應力的應力幅局部進行修正。綜合影響系數(shù)表示了材料極限應力幅與零件極限應力幅的比值：零件的對稱循環(huán)疲勞極限：用(Kσ)D或(Kτ)D修正縱坐標〔應力幅局部〕：零件對稱循環(huán)疲勞點零件脈動循環(huán)疲勞點零件屈服極限點直線A’D’方程:直線D’G方程:A’D’——許用疲勞極限直線，D’G——屈服極限直線D’G是靜強度極限，其不受(Kσ)D的影響，所以該段不必修正，仍用135o的直線表示。三〕單向穩(wěn)定變應力時機械零件的疲勞強度計算進行零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應力σm與應力幅σa，然后，在極限應力線圖的坐標中標示出相應工作應力點M〔或N〕。應力比為常數(shù)：r=C例如絕大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應力狀態(tài)

平均應力為常數(shù)σm

=C例如振動著的受載彈簧中的應力狀態(tài)

最小應力為常數(shù)σmin=C例如緊螺栓連接中受軸向變載荷時的應力狀態(tài)相應的疲勞極限應力應是極限應力曲線上的某一個點〔σme’，σae’〕所代表的應力。用哪一點來表示極限應力才算適宜,要根據(jù)零件應力可能發(fā)生的變化規(guī)律來確定。通常機械零件可能發(fā)生的典型的應力變化規(guī)律有以下三種：

∴過原點與工作應力點M或N作連線交A’D’G于M′和N′點，由于直線上任一點的應力循環(huán)特征均相同，M′和N′點即為所求的極限應力點。討論：當ｒ＝C時，單向變應力狀態(tài)下的強度計算。對于塑性材料，當應力在疲勞破壞區(qū)對應于M點的零件的極限應力a〕當工作應力點位于OA’D’內(nèi)極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算。對應于N點的極限應力點N’位于直線D’G上。其強度計算式為b〕當工作應力點位于OD’G內(nèi)極限應力為屈服極限，按靜強度計算。注意：1〕假設零件所受應力變化規(guī)律不能肯定，一般采用r=C的情況計算。2〕上述計算均為