第九章機設(shè)概論

第九章機設(shè)概論第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四

例:機構(gòu)→齒輪機構(gòu)(三個構(gòu)件)齒輪1、齒輪2、機架3軸、軸承、套筒等→軸系零件構(gòu)件←零件→制造的單元齒輪→傳動件鍵→聯(lián)接件

12構(gòu)件1←(小齒輪)3(一)機械零件的簡介:最基本的通用零件機原研究對象→機構(gòu)←構(gòu)件→運動的單元前言第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四傳動零件軸系零件聯(lián)接零件附件機架第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四

機械零件→→一般尺寸參數(shù)的通用機械零件的設(shè)計總論→螺紋聯(lián)接→鍵聯(lián)接→帶傳動→鏈傳動→齒輪傳動→蝸桿傳動→滑動軸承→滾動軸承→聯(lián)軸器與離合器→軸繁雜（門類多、關(guān)系多、要求多、公式多、圖形多、表格多）(二)課程特點本課程研究對象:

講課順序:通用零件專用零件（機架、手柄、車輪......）特點：第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則失效斷裂塑性變形強度、剛度、振動穩(wěn)定性、耐磨性強烈振動打滑、過熱磨損、損傷過量的彈性變形第一節(jié)基本準(zhǔn)則、設(shè)計步驟失效:機械零件由于某種原因喪失正常工作能力第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四

計算準(zhǔn)則→┌強度準(zhǔn)則├剛度準(zhǔn)則├振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則└其它準(zhǔn)則→主要→介紹計算準(zhǔn)則:根據(jù)失效原因而制定的判定條件設(shè)計時將這些準(zhǔn)則作為防止失效和進行設(shè)計計算的依據(jù)。第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四⑴體積強度抵抗斷裂、過大的塑性變形能力1.強度體積強度表面強度強度或(9-1)(9-2)式中-----分別為正應(yīng)力和切應(yīng)力的許用安全系數(shù)-----分別為極限正應(yīng)力和極限切應(yīng)力（MPa）零件抵抗破壞的能力一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則失效形式：斷裂、過大的塑性變形第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四1、靜應(yīng)力工作下的塑性材料零件：2、靜應(yīng)力工作下的脆性材料零件：σSσlim；τSτlimσbσlim；τbτlim3、變應(yīng)力工作下的塑性材料零件：變應(yīng)力工作下的脆性材料零件：疲勞極限作為σlim和τlim極限應(yīng)力應(yīng)根據(jù)零件材料性質(zhì)及所受應(yīng)力類型作如下選擇：同時應(yīng)考慮零件尺寸、表面狀態(tài)及幾何形狀引起的應(yīng)力集中對疲勞強度的影響。失效形式：塑性變形失效形式：斷裂失效形式：疲勞斷裂一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則材料的屈服點材料強度極限第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四⑵表面強度抵抗表面損傷的能力表面擠壓強度：零件的最大擠壓應(yīng)力σbs≤[σbs]表面接觸強度：接觸應(yīng)力σH≤[σH]σH——變應(yīng)力疲勞點蝕接觸面光滑承載能力噪音振動一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則失效形式：表面損傷第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四y≤[y]；θ≤[θ]；φ≤[φ]2.剛度剛度是零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力零件剛度不足，產(chǎn)生的彈性變形過大，會影響機器的正常工作。設(shè)計時必須使零件在載荷作用下產(chǎn)生的最大變形量不超過許用變形量y、[y]

-----分別為零件的變形量和許用變形量θ、[θ]

-----分別為零件的轉(zhuǎn)角和許用轉(zhuǎn)角Ф、[Ф]

-----分別為零件的扭角和許用扭角一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四限制工作面的單位壓力和相對滑動速度過度磨損尺寸改變間隙精度振動失效抗磨損4.振動穩(wěn)定性避免使零件的固有頻率與強迫震動頻率相等或成整數(shù)倍硬度熱處理3.耐磨性潤滑選擇合適的材料組合在載荷作用下相對運動的兩零件表面抵抗磨損的能力產(chǎn)生油膜一、機械零件設(shè)計的基本準(zhǔn)則設(shè)計時應(yīng)根據(jù)零件的實際工作條件，分析主要失效形式，按其相應(yīng)的計算準(zhǔn)則進行計算；確定主要參數(shù)后，必要時在按其他準(zhǔn)則校核第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四二、機械設(shè)計的一般程序1、機器設(shè)計的一般程序

市場調(diào)研可行性研究原理方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計試制試驗小批生產(chǎn)試銷投產(chǎn)設(shè)計任務(wù)書定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術(shù)文件樣機評價改進考核工藝性收集用戶意見產(chǎn)品銷售第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四2、機械零件設(shè)計的一般步驟6)繪制零件工作圖，擬定必要的工作條件，編寫計算說明書5)按結(jié)構(gòu)工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化的要求，設(shè)計零件結(jié)構(gòu)及其他尺寸4)分析零件的主要失效形式，選擇設(shè)計準(zhǔn)則，確定零件基本尺寸3)根據(jù)工作條件，選材料及熱處理的方法2)計算作用在零件上的載荷1)根據(jù)使用條件確定零件的類型、結(jié)構(gòu)，擬定計算簡圖

二、機械設(shè)計的一般程序逆向設(shè)計第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)機械零件的疲勞強度第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四r≠±1非對稱循環(huán)一、交變應(yīng)力及其類型

r=-1對稱循環(huán)r=0脈動循環(huán)循環(huán)特征r=1靜應(yīng)力最大應(yīng)力

最小應(yīng)力

平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力分為靜應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四二、疲勞問題交變力、交變應(yīng)力疲勞破壞（產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂）是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程。疲勞斷裂第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四三、疲勞斷裂的特征是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程。疲勞斷裂疲勞斷裂與靜應(yīng)力下斷裂相比有以下特征：分兩個階段在零件表面應(yīng)力較大處產(chǎn)生初始裂紋，裂紋在切應(yīng)力作用下，反復(fù)發(fā)生塑性變形，裂紋擴展到一定程度，發(fā)生突然斷裂①②斷面分兩個區(qū)表面光滑的疲勞發(fā)展區(qū)表面粗糙的脆性斷裂區(qū)③疲勞斷裂均為脆性斷裂塑性材料零件脆性材料零件④疲勞極限比同材料的屈服點低，疲勞極限的大小與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四三、疲勞曲線疲勞極限是指試件經(jīng)過一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N后，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力，常用表示。表示循環(huán)次數(shù)N和疲勞極限關(guān)系的曲線，稱為疲勞曲線（1）無限壽命區(qū)當(dāng)N≥N0時，試件的疲勞極限不再隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的增加而降低，如圖示曲線1的水平線部分，大部分中低碳鋼屬此類曲線。N0—循環(huán)基數(shù)--對應(yīng)于N0的疲勞極限對稱循環(huán)脈動循環(huán)第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四（2）有限壽命區(qū)按疲勞曲線水平部分進行的設(shè)計計算----無限壽命設(shè)計當(dāng)要求零件在無限長的使用工作期間工作而不發(fā)生疲勞破壞時，可將其工作應(yīng)力限制在疲勞極限以下，可得到理論上的無限壽命。有色金屬和高強度合金鋼的疲勞曲線，沒有無限壽命區(qū)，如圖曲線2當(dāng)N＜N0時，試件的疲勞極限隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的增加而降低，如圖示1曲線的斜線部分。按疲勞曲線斜線部分進行的設(shè)計計算，-----有限壽命設(shè)計為充分利用材料，減輕重量，在確保使用壽命的條件下，常采用超過材料疲勞極限的工作應(yīng)力來進行疲勞強度設(shè)計，在航空、汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四疲勞曲線斜線部分的方程式為對應(yīng)一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N時的有限壽命的疲勞極限為式(9-8)

式(9-9)

第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四應(yīng)力集中、尺寸、表面狀態(tài)第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四四、安全系數(shù)的計算1、單向應(yīng)力時的安全系數(shù)的計算由式（9-2）和式（9-9）得安全系數(shù)公式為：---分別為正應(yīng)力、切應(yīng)力下的計算安全系數(shù)---分別為正應(yīng)力、切應(yīng)力下的許用安全系數(shù)1）、當(dāng)零件受對稱循環(huán)應(yīng)力作用，進行有限壽命設(shè)計時，考慮零件幾何形狀引起的應(yīng)力集中、零件尺寸及表面狀態(tài)對零件疲勞強度的影響，引入應(yīng)力集中系數(shù)（），尺寸系數(shù)（），表面狀態(tài)系數(shù)βσ（

）。（9-10）第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四2）、當(dāng)零件受非對稱循環(huán)應(yīng)力作用，進行有限壽命設(shè)計時，考慮引入應(yīng)力集中系數(shù)（），尺寸系數(shù)（），表面狀態(tài)系數(shù)βσ（

）只對應(yīng)力幅有影響；同時可把非對稱循環(huán)應(yīng)力的、

通過

轉(zhuǎn)化為對稱循環(huán)的當(dāng)量應(yīng)力幅來計算安全系數(shù)，其安全系數(shù)計算式為（9-11）式中---等效系數(shù)，是將平均應(yīng)力折算為應(yīng)力幅的系數(shù)，其值與材料的性質(zhì)有關(guān)。對于低碳鋼取=0.1~0.2;=0.05~0.1。對于合金鋼取=0.2~0.3；=0.1~0.15。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四2、復(fù)合應(yīng)力時的安全系數(shù)的計算當(dāng)零件由塑性材料制成，且在彎扭復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下工作時，其安全系數(shù)計算式為（9-12）式中---為單向應(yīng)力作用下零件的安全系數(shù)，分別按式（9-10）或式（9-11）計算；---零件的許用安全系數(shù)第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四3、許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)選擇是設(shè)計工作中一項重要工作，安全系數(shù)過大，將造成材料浪費，零件體積大且笨重；安全系數(shù)過小將使零件工作不可靠。有一階梯軸，已知：材料為40Cr，硬度為240HBS，=210MPa，=360MPa，=0.2，=0.1，

=2.87，=2.66，=65MPa（對稱循環(huán)應(yīng)力），=40MMPa(脈動循環(huán)應(yīng)力)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=6X106，許用安全系數(shù)=1.5，試校核此軸是否安全。例9-1第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四解：（1）求工作應(yīng)力的、、、由式(9-5)及式(9-6)得

，（2）求壽命系數(shù)由式(9-9)得對于硬度小于等于350HBS的鋼，N0=107；受彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力時m=9。第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四（3）求單向應(yīng)力下的安全系數(shù)、由式(9-11)得（4）求復(fù)合應(yīng)力下的安全系數(shù)S由式(9-12)得由以上計算可知此軸安全第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四使用性工藝性（各種加工性能）材料的選取原則第三節(jié)機械零件的常用材料及選擇常用材料：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬等受力環(huán)境經(jīng)濟性第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四標(biāo)準(zhǔn)件：按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件。好處：

（1）由專門化工廠大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本；

（2）選用標(biāo)準(zhǔn)件可以簡化設(shè)計工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；

（3）選用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，在機械制造過程中可以減少刀具和量具的規(guī)格；（4）具有互換性，從而簡化機器的安裝和維修。第四節(jié)機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)機械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化

通用化：在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零件、部件。

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，國際上則推行國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的標(biāo)準(zhǔn)。第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四小結(jié):1.基本概念:失效、承載能力、主要失效形式及計算準(zhǔn)則強度(整體－整體斷裂、過大的殘余變形、疲勞斷裂、表面－磨損、壓潰、點蝕)剛度－過大的彈性變形載荷(名義、計算、靜載荷、變載荷)應(yīng)力(計算、靜、變應(yīng)力)交變應(yīng)力(特征－σmax,、σmin、σa、σm、γ、N

典型的交變應(yīng)力－)tσtσtσtσ靜γ=+1非對稱對稱γ=－1脈動γ=0第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四是材料在變應(yīng)力作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程。疲勞斷裂疲勞斷裂與靜應(yīng)力下斷