楊可楨機械設(shè)計chap9-機械零件設(shè)計概論第一頁，共18頁。9-1機械零件設(shè)計概述一、機械設(shè)計的基本要求

1滿足社會需求（最基本前提和出發(fā)點）

2可靠性的要求

（

衡量產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)）3經(jīng)濟性要求

4安全性要求

2第二頁，共18頁。二、機械設(shè)計的類型

開發(fā)性設(shè)計：機械產(chǎn)品的工作原理和具體結(jié)構(gòu)等完全未知的情況下，應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術(shù)，開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品，這是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計。適應(yīng)性設(shè)計：對現(xiàn)有機械產(chǎn)品的工作原理、設(shè)計方案不變的前提下，僅作局部變更或增加附加功能，在結(jié)構(gòu)上作相應(yīng)調(diào)整，使產(chǎn)品更能滿足使用要求。變形設(shè)計：機械產(chǎn)品的工作原理和功能結(jié)構(gòu)不變，為了適應(yīng)工藝條件或使用要求，改變產(chǎn)品的具體參數(shù)和結(jié)構(gòu)。3第三頁，共18頁。9-1機械零件設(shè)計概述三、機械設(shè)計的一般過程產(chǎn)品的開發(fā)性設(shè)計過程大致包括規(guī)劃設(shè)計、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計及改造設(shè)計等五個階段。四、零件的失效形式和計算準(zhǔn)則

為了保證零件能正常工作，在設(shè)計零件時應(yīng)首先進行零件的失效分析，預(yù)估失效的可能性，采取相應(yīng)措施，其中包括理論計算，計算所依據(jù)的條件稱為計算準(zhǔn)則，常用的計算準(zhǔn)則有：強度、剛度，接觸強度、耐磨性等。4第四頁，共18頁。9-2機械零件的強度一、強度準(zhǔn)則

強度是機械零件抵抗斷裂、表面疲勞破壞或過大塑性變形等失效的能力。強度要求是保證機械零件能正常工作的基本要求，其典型的計算公式為：σ≤[σ]，[σ]=σlim/S

τ≤[τ]，[τ]=τlim/S

式中：σ.τ——零件的工作正應(yīng)力、切應(yīng)力[σ]，[τ]——材料的許用正應(yīng)力、許用切應(yīng)力

σlim，τlim——材料的極限正應(yīng)力、極限切應(yīng)力

S——安全系數(shù)

許用應(yīng)力取決于應(yīng)力的種類、零件材料的極限應(yīng)力和安全系數(shù)等，下面只研究正應(yīng)力。τ5第五頁，共18頁。二、應(yīng)力種類1靜應(yīng)力：不隨時間變化的應(yīng)力。如擰緊螺母的應(yīng)力。2變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力。周期性變化的變應(yīng)力為循環(huán)變應(yīng)力。循環(huán)特性：平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：r=-1時，對稱循環(huán)變應(yīng)力r=0時，脈動循環(huán)變應(yīng)力r=+1時，靜應(yīng)力9-2機械零件的強度6第六頁，共18頁。三、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下材料的失效形式：斷裂或塑性變形。

2.脆性材料：取強度極限σB

為極限應(yīng)力：1.塑性材料：取屈服極限σS

為極限應(yīng)力：四、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的失效形式：疲勞斷裂現(xiàn)象：微裂紋→脆性突然斷裂疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（使用期限或壽命）有關(guān)。9-2機械零件的強度7第七頁，共18頁。1.疲勞曲線橫坐標(biāo)：N，縱坐標(biāo)：σN0

——循環(huán)基數(shù)σ-1——彎曲疲勞極限N<N0時，m—隨應(yīng)力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)，取值如下：鋼材：受彎曲疲勞和拉壓疲勞時，m=6～20，N0=（1～10）×106

初步計算時，鋼制中等尺寸零件：m=9，N0=5×106

鋼制大尺寸零件：m=9，N0=107

9-2機械零件的強度8第八頁，共18頁。2.許用應(yīng)力

變應(yīng)力下的極限應(yīng)力：疲勞極限對稱循環(huán)變應(yīng)力：脈動循環(huán)變應(yīng)力：五、安全系數(shù)S除查表法，安全系數(shù)選擇原則：（1）靜應(yīng)力，塑性材料以屈服極限為極限應(yīng)力，S=1.2～1.5塑性較差或鑄鋼件，S=1.5～2.5（2）靜應(yīng)力，脆性材料以強度極限為極限應(yīng)力，如高強度鋼或鑄鐵件S=3～4（3）變應(yīng)力，以疲勞極限為極限應(yīng)力，S=1.3～1.7材料不均勻，計算不精確時，S=1.7～2.5（4）S=S1·

S2

·

S3

S1——準(zhǔn)確性；S2——性能不均勻性；S3——重要性9第九頁，共18頁。一、定義：接觸應(yīng)力：兩個琴件在受載前是點接觸或線接觸，受載后，由于變形此面積表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為接舢應(yīng)力，此時零件強度為接觸強度。如齒輪、滾動軸承等表現(xiàn)形式：20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴展→剝落→小坑→疲勞點蝕9-3機械零件的接觸強度10第十頁，共18頁。二、最大接觸強度σH

以兩柱接觸為例，中線處最大接觸應(yīng)力為：9-3機械零件的接觸強度接觸疲勞強度的判定件：σH≤[σH]，以較軟材料為準(zhǔn)。經(jīng)驗公式：＝2.76HBS一70MPa11第十一頁，共18頁。9-4機械零件的耐磨性一、定義磨損：運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。耐磨性：零伴抗磨損的能力。據(jù)統(tǒng)汁，約有80％的損壞零件是因磨損而報廢的。二、磨損種類

磨粒磨損：硬質(zhì)顆粒或硬的凸峰，在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象。

粘著磨損（膠合）：有粗糙度，材料產(chǎn)生塑性流動。接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面村料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面。

疲勞磨損（點蝕）：高副中，如凸輪、齒輪等，受載時出現(xiàn)表層金屬小片狀剝落，表面形成小坑。

腐燭磨損：化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損三、磨損準(zhǔn)則(1)實用耐磨計算是限制運動副的壓強：p≤[p]

(2)相對運動速度較高時，還應(yīng)考慮運動副的發(fā)熱量fpv，計算條件為：pv≤[pv]12第十二頁，共18頁。9-5機械零件的剛度與耐熱性剛度準(zhǔn)則：

剛度是指零件在載荷的作用下，抵抗彈性變形的能力。剛度準(zhǔn)則要求零件在載荷作用下的彈性變形y在許用的極限值[y]之內(nèi)，其表達式為：

y

≤[y]

耐熱性準(zhǔn)則:機械零部件在高溫工作條件下，由于過度受熱，會引起潤滑油失效、氧化、膠合、熱變形、硬度降低等問題，使零件失效或機械精度降低。因此，為了保證零部件在高溫下正常工作，應(yīng)合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)及合理選擇材料，必要時須采用水冷或氣冷等降溫措施。

材料力學(xué)性能見表9-113第十三頁，共18頁。一、公差與配合9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)1公差：零件兩個極限尺寸之差。2配合：同一基本尺寸的孔與軸結(jié)合有間隙、過盈、過渡配合三種。目的：保證零件互換性基孔制配合14第十四頁，共18頁。二、表面粗糙度

9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)零件表面的微觀幾何形狀誤差，主要指刀痕。表面粗糙度的評定參數(shù)之一是輪廊算術(shù)平均偏差Ra

：15第十五頁，共18頁。三、優(yōu)先系數(shù)9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)用來使型號、直徑．轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理的分級。

GB321一80規(guī)定的優(yōu)先效系有四種基本系列，

R5系列，公比為

R10系列，公比為=1.25,如齒輪的模數(shù)，P57

R20系列,公比為=1.12

R40系列,公比為=1.0616第十六頁，共18頁。一、工藝性9-6機械零