机械设计基础 机械零件设计概论
合集下载
机械设计基础 第9章 机械零件设计概论
m —随材料和应力状态而定的幂指数，如受弯钢制零件m = 9
r —对应于N0的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如 1， 0
对应于 N 的疲劳极限：
rN
m
N0 N
r
kN r
kN
m
N0 N
kN —寿命系数； 当N ≥ N0时，取kN = 1。
2. 影响机械零件疲劳强度的主要因素
影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中、零件尺寸、 表面状况、环境介质、加载顺序和频率等，其中以前三种最为重 要（只影响应力幅，不影响平均应力）。
F
F
F
F
F
n
n
n FFs
n
F nF
Fs n
Fs F
F
m
F
m
F 2｛
｝F
F
m
F｛
m FS
FS m
2
m
F
｝ mFs m
n
Fs
n
F
Fs F
Fs
F 2
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
假设切应力在剪切面（
m-m 截面）上是均匀分布的
, 得实用切应力计算公式：
Fs
A
切应力强度条件： Fs
挤压力 Fbs= F
（2）接触面为圆柱面 Abs—直径投影面面积
预备知识 3. 剪切和挤压的实用计算
d
δ Abs d
(a
(b
d
(c
)
挤压强度条件：
)
bs
Fbs Abs
)
bs
bs 许用挤压应力，常由实验方法确定
塑性材料： bs1 .5 2 .5 脆性材料： bs0 .9 1 .5
机械设计基础机械零件设计概论
表层有很大旳接触应力，当载荷反复作用时，常 会出现表层金属呈小片状脱落而在零件表层形成 小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。 腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质发生化学 反应或电化学反应旳磨损，称为腐蚀磨损。 实用耐磨计算是限制运动副旳压强p（比压），即 p≤[p] 式中[p]是由试验或同类机器使用经验拟 定旳许用压强。速度高时用 pv≤[pv] 来校核。
鉴定条件可概括为计算量≤许用量。这种为预防 失效而制定旳鉴定条件，一般称为工作能力计算 准则。
同一零件可能发生多种不同形式旳失效
轴可能旳失效形式：
nF
强度条件： 工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件： 实际变形量≤许用变形量
y ≤[y]、 θ ≤[θ] 、φ ≤ [φ]
第一节 机械零件设计概述
Fn —作用在圆柱体上旳载荷； —综合曲率半径,
12 2 1
正号用于外接触，负号用于内接触。
第三节 机械零件旳接触强度
E 2E1E2 E1 E2
E —综合弹性模量，E1、E2 分别为 两圆柱体材料旳弹性模量。
接触强度旳鉴定条件为
式中 H lim 为由试验测得旳材料旳接触疲劳极
限，对于钢其经验公式为
第二节 机械零件旳强度
小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不 多，故本题按承受静载荷考虑，以最大起重量（涉 及小车、电动葫芦自重）作为计算载荷。
第二节 机械零件旳强度
第二节 机械零件旳强度
例9-2 一车轴9-5所示。已知Fr=F=110KN，轴旳 材料为Q275钢，σb=550MPa，σ-1=240MPa，要
求旳安全系数Smin=1.5。试较核A—A截面旳疲劳强 度。
第二节 机械零件旳强度
鉴定条件可概括为计算量≤许用量。这种为预防 失效而制定旳鉴定条件，一般称为工作能力计算 准则。
同一零件可能发生多种不同形式旳失效
轴可能旳失效形式：
nF
强度条件： 工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ]
刚度条件： 实际变形量≤许用变形量
y ≤[y]、 θ ≤[θ] 、φ ≤ [φ]
第一节 机械零件设计概述
Fn —作用在圆柱体上旳载荷； —综合曲率半径,
12 2 1
正号用于外接触，负号用于内接触。
第三节 机械零件旳接触强度
E 2E1E2 E1 E2
E —综合弹性模量，E1、E2 分别为 两圆柱体材料旳弹性模量。
接触强度旳鉴定条件为
式中 H lim 为由试验测得旳材料旳接触疲劳极
限，对于钢其经验公式为
第二节 机械零件旳强度
小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不 多，故本题按承受静载荷考虑，以最大起重量（涉 及小车、电动葫芦自重）作为计算载荷。
第二节 机械零件旳强度
第二节 机械零件旳强度
例9-2 一车轴9-5所示。已知Fr=F=110KN，轴旳 材料为Q275钢，σb=550MPa，σ-1=240MPa，要
求旳安全系数Smin=1.5。试较核A—A截面旳疲劳强 度。
第二节 机械零件旳强度
机械零件设计概论(ppt49页).pptx
p lim F dF S0 S dS
应力按方向分正应力和剪应力。
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。
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.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
5.振动稳定性准则 激振频率fp＜0.87f（固有频率），或fp＞1.18f
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
拟定机械部件总图
拟定零件图
拟定零件计算简图
选择合适材料
确定作用载荷
满足工
N
作能力
确定零件尺寸的取值 Y 范围和选材范围范围
设计步骤
(1)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； (3)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。 (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。 (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。 (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。 (8)编写设计计算说明书。
常用金属材料的牌号及力学性能（p123）
布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系： σb＝(0.3~0.4)HB ，或σb ＝K×HB ， K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34 ，对于调质合金钢有K≈0.325；HRC≈0.1HB
应力按方向分正应力和剪应力。
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。
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.失效形式： 1）断裂、塑性变形； 2）过大的弹性变形； 3）磨损或损伤 4）松弛、摩擦传动的打滑和强烈振动等。
5.振动稳定性准则 激振频率fp＜0.87f（固有频率），或fp＞1.18f
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
拟定机械部件总图
拟定零件图
拟定零件计算简图
选择合适材料
确定作用载荷
满足工
N
作能力
确定零件尺寸的取值 Y 范围和选材范围范围
设计步骤
(1)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； (3)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。 (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。 (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。 (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。 (8)编写设计计算说明书。
常用金属材料的牌号及力学性能（p123）
布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系： σb＝(0.3~0.4)HB ，或σb ＝K×HB ， K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34 ，对于调质合金钢有K≈0.325；HRC≈0.1HB
《机械设计基础》第9章 机械零件设计概论
润滑油进 造成小块金属脱 发生疲劳点蚀后的不良后果：损坏零件表面光洁 入裂纹 落，形成小坑— 度；接触面积减小；承载能力降低；传动质量下 —疲劳点蚀。 降，引起振动和噪音。
27
◆接触应力的计算： 注意：
赫兹（H.Hertz)公式 :
Fn b
ρ1
σH1 = σH2 σH σH
ρ2
σH =
Fn .
1± 1 ρ1 ρ2 1-μ12 + 1-μ22 E1 E2
注 意 失效并不一定意味着破坏（破坏的零件则 不能工作，而失效的零件不一定不能工作， 只是不能正常工作），因此，失效有更广 泛的含义。
工作能力：不发生失效的条件下，零件所能安全工作 的限度。若此限度对载荷而言，又可称承载能力。
3
◆机械零件的强度
零件设计中的载荷与应力 载荷
载荷的分类： 变载荷
名义载荷（公称载荷）——在理想的平稳工作条 件下作用在零件上的载荷。 计算载荷=K×名义载荷 静载荷
疲劳磨损（疲劳点蚀） 腐蚀磨损（腐蚀机械磨损）
37
机械零件正常运行的磨损过程（三个阶段）：
1、跑合阶段（磨合阶段） ——新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，实际接触面 积较小。在跑合阶段，表面逐渐磨平，实际接触面积 逐渐增大，磨损速度减缓。因此，人们有意利用跑合 阶段，轻微磨损，为今后正常运行创造条件。 注意 跑合结束后，及时更换润滑油。
=
σHlim
SH
其中： σHlim—材料的接触疲劳极限 对于钢材σHlim≈2.76HB-70 (MPa)
S H —安全系数， S H≥1
31
例：图示为由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成 的摩擦轮传动。 已知：D1=100mm,D2=140mm,b=50mm,小轮主动； 主动轴传递功率P=5kW、转速n1=500r/min，传 动较平稳，载荷系数K=1.25，摩擦系数,f=0.15。 试求：（1）所需的法向压紧力N；（2）两轮接 触处 最大接触应力；（3）若摩擦轮的材料硬 度HB=300,试校核接触强度。
机械的设计基础第九章 机械零件的设计概论共56页文档
• 强度 • 刚度 • 耐磨性 • 振动稳定性 • 耐热性等
如：轴的失效
• 疲劳断裂； • 弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。
承载能力
• 取决于轴的疲劳强度；
y
• 取决于轴的刚度；
θ
两者中的较小值决定了轴的承载能力 此外，还可能因轴颈过度磨损而失效；
对高速运转的轴，还应验算其振动稳定性；
§9-2 机械零件的强度
强度准则：
lim
s
lim
s
[]、[] 取决于应力种 类、材料极限应力和安 全系数等。
• 、 —危险截面处的计算正应力、剪应力； • []、[]—材料的许用应力； • lim、lim—材料的极限应力； • S—安全系数。
一、应力的分类
不随时间变化的应力。
静应力
机械零件设计应满足： 足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。
判定条件可概括为： 计算量 许用量 如：强度为主要问题，按强度判定：应力许用应力
刚度为主要问题，按刚度判定：变形量 许用变形量 . …..
机械零件设计步骤
• 1）拟定计算简图； • 2）确定零件工作载荷大小； • 3）选材； • 4）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸； • 5）绘制零件图； • 6）编制技术文件。 ———设计计算
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a
max
min 2
循环特性 r min max
max min r min
max
静应力
对称循环
1.
应力
种
类 脉动循环
非周期性变应力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
机械零件设计概论
机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。
工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工
作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又
称为： 承载能力。
如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带
断裂或塑性变形;
传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为
过大的弹性变形;
2
变应力的循环特性:
σ
-1 = r min 0
+1 max
T
σ
σa
σa
σmax σmin σm o
----对称循环变应力 ----脉动循环变应力
----静应力
静应力是变应力的特例
σ
r =+1
σmax
σmin to
σa σa
σ=常数
o
t
σ
σmax
σa
σa
σm
t o σmin
t
循环变应力
对称循环变应力 r =-1
材料
种类规格
相对价格
碳素结构钢Q235 （φ 33~42）
1
优质碳素钢 （φ 29~50）
热轧圆滚合钢动金轴结承构钢钢（（φφ292~95~05）0）
合金工具钢（φ 29~50） 4Cr9Si2耐热钢（φ 29~50）
1.5~1.8 1.7~2.5
3 3~20
5
灰铸铁铸件 碳素铸钢件铸件
铜合金、铝合金铸件
磨损↑ →间隙↑、 精度↓、效率↓、振动↑、 冲击↑、噪音↑
据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。
磨损的主要类型 ：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨 粒磨损 。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘 土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。
《机械设计基础》第9章 机械零件设计概论
主要是加工后在零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。
三、优先数系：是用来使型号、直径、转速、承载量和
功率等量值得到合理的分级。有四种基本系列：R5、 R10、 R20、 R40。
§9－7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性
工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 2) 结构简单合理 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 4) 尽量减小零件的加工量
有限寿命区
无限寿命区
N
N0
N
图9-3 疲劳曲线
有限寿命区：
m 1N
N
m 1
N
0
C
有限寿命区
无限寿命区
1N 1
1N
1 m
N0 N
O
N
N0
图9-3 疲劳曲线
N
C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数， 如钢制零件弯曲时：m=9。
4、许用应力
在变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时
还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面
二、标准化
标准化的内容: 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
小结：
1.了解机械零件设计的步骤 2.掌握载荷及应力的分类、零件的失效形式 3.了解常用材料的应用及选择
在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低； 在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造 型美观等。
二、研究机械零件的一般步骤
1、分析零件结构、工作原理、特点和应用场合； 2、零件的工作情况分析（运动分析和动力分析）； 3、零件的失效分析及材料的选择（硬度、刚度、热处理）； 4、确定零件的工作能力准则； 5、计算（确定）零件的主要参数和尺寸; 6、 绘制零件工作图（尺寸、公差、技术要求、粗糙度）。
三、优先数系：是用来使型号、直径、转速、承载量和
功率等量值得到合理的分级。有四种基本系列：R5、 R10、 R20、 R40。
§9－7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性
工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 2) 结构简单合理 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 4) 尽量减小零件的加工量
有限寿命区
无限寿命区
N
N0
N
图9-3 疲劳曲线
有限寿命区：
m 1N
N
m 1
N
0
C
有限寿命区
无限寿命区
1N 1
1N
1 m
N0 N
O
N
N0
图9-3 疲劳曲线
N
C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数， 如钢制零件弯曲时：m=9。
4、许用应力
在变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时
还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面
二、标准化
标准化的内容: 1)产品品种规格的系列化 2)零部件的通用化 3)产品质量标准化
小结：
1.了解机械零件设计的步骤 2.掌握载荷及应力的分类、零件的失效形式 3.了解常用材料的应用及选择
在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低； 在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造 型美观等。
二、研究机械零件的一般步骤
1、分析零件结构、工作原理、特点和应用场合； 2、零件的工作情况分析（运动分析和动力分析）； 3、零件的失效分析及材料的选择（硬度、刚度、热处理）； 4、确定零件的工作能力准则； 5、计算（确定）零件的主要参数和尺寸; 6、 绘制零件工作图（尺寸、公差、技术要求、粗糙度）。
机械零件设计概论PPT21页
§6-2 机械零件的强度
•计算准则 :
， lim
S
， lim
S
•载荷：作用在零件上的 外力或外力矩。
•载荷的类型：动静载载荷荷
名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件 上的载荷。 载荷系数
计算载荷： 计算载荷=K×名义载荷
不随时间变化的应力。
静 应 力
对 称 循 环
1.应
－－曲率半径；
－－材料的泊松比；
E－－材料的弹性模量。
机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀 2. 接触应力的计算
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
3. 接触疲劳强度的判定条件 HH，HS H H lim
式 中 Hl： i m实 验 测 得疲 的劳 材极 料限 的； 接
对 于 钢 ，H 经 li m2.验 7H 6公 B 7S式 0M： Pa
§6-3 机械零件的接触强度
1. 失效形式：疲劳点蚀
2. 接触应力的计算
由弹性力学知，当两个轴
线平行的圆柱体相互接触并受
压时，其接触面积为一狭长矩
形，最大接触应力发生在接触
区中线上，其值为:
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
式中：
－－
H
最大接触应力；
b－－接触长度；
Fn－－作用在圆柱体上载 的荷；
期
性
变应 非力 对 脉 动
成 循
性 环
循
环
非 周 期 性 变 应 力
平均应力
m
max
min 2
应力幅
a