第九章机械零件设计概论

第九章机械零件设计概论 《机械零件》各章节主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性等。本章扼要阐明机械零件设计计算的共同性问题。包括：零件的失效形式、设计准则、设计方法和步骤零件的各种强度计算/零件的常用材料和工艺性摩擦、摩损和润滑/公差与配合

第九章机械零件设计概论 机械零件的强度机械零件的接触强度机械零件的耐磨性 (机械制造常用材料及其选择) 公差配合、粗糙度和优先数系机械零件设计概述机械零件的工艺性及标准化

§9–1 机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是：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。设计机械零件时，也同样要求零件工作可靠，成本低廉。一、基本概念失效: 机械零件由于某种原因不能正常工作的状态。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。承载能力: 机械零件在不发生失效时能承受的最大载荷。

共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，发生的振幅急剧增大，失去振动稳定性的现象。零件的失效形式有：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤; 共振; 联接松弛; 摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳为：强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等问题。工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条件。强度条件：应力≤许用应力刚度条件：变形量≤许用变形量计算量≤许用量

参照实物(图纸) 和经验数据拟定零件的结构和尺寸拟定零件的计算简图确定作用在零件上的载荷设计计算法校核计算法选择合适的材料选用相应判定条件选用相应判定条件验算零件结构和尺寸确定零件形状和主要尺寸验算，修改零件绘制工作图，标注技术条件二、机械零件设计类型和步骤

§9-2 机械零件的强度 一、基本概念名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比值。它考虑的是机械工作时，零件受到的各种附加载荷。名义应力:当载荷为名义载荷时计算出的应力。计算应力：按计算载荷求得的应力。

二、强度判定条件 σ ≤ [σ] = σlim/S τ ≤ [τ] = τlim/S 注： [σ]和[τ]为许用正应力和许用剪应力，取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。 σlim和τlim为极限正应力和极限剪应力。在简单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况在后面讨论。 S: 安全系数

σmax-σmin σmax+σmin σa= ———— σm= ———— 2 2 脉动循环变应力r =0 静应力r = 0 对称循环变应力 r = -1 σm = 0 σmin r = —— σmax 表示应变力中应呼变化的情况一般循环变应力 σmax=σmin=σm σa=0 σm =σa=σmax/2 σmin =0 σa= σmax=-σmin 三、应力的种类静应力：不随时间变化的应力应力变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性变化时，称为循环变应力。按随时间变化情况分应力的参数平均应力：应力幅：循环特性：

四、静应力下的许用应力(） 静应力下，零件失效形式为：断裂或塑性变形。塑性材料：[σ]=σs /S∵σlim= σs(材料的屈服极限) 脆性材料：[σ]=σB/S∵σlim= σB(材料的强度极限) P123表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。五、变应力下的许用应力变应力下．零件的失效形式是疲劳断裂。疲劳断裂的特征有： 1)断裂时的最大应力远低于σB，甚至低于σs； 2)断口为无明显塑性变形的脆性突然断裂 3)是损伤的积累，初期只在零件表面或表层形成微裂纹。P120图9-2为轴的弯曲疲劳断裂的断口．

疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度后的突然断裂，所以它与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度后的突然断裂，所以它与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。疲劳曲线：表示应力σ(纵坐标)与应力循环次数N(横坐标) 之间的关系曲线(浴盆曲线)。循环基数N0 : 疲劳曲线趋于水平时的循环次数。通常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断裂。疲劳极限：对应于N0时的应力。常用σ-1表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。当N< N0时, 疲劳曲线可表示为: σ-1NmN=σ-1mN0=C (m: 随应力状态而不同的幂指数，弯曲时m=9) 故对应于循环次数的弯曲疲劳极限为： σ-1N=σ-1√N0 /N m

许用应力： 变应力下，许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力，同时还应考虑零件的截面突变(应力集中系数kσ)、绝对尺寸(尺寸系数 εσ)和表面状态(表面状态系数β)等影响。对称循环应力的许用值：[σ-1]=εσβσ-1/(kσS) 脉动循环应力的许用值：[σ0]=εσβσ0/(kσS) 通常设计时, 用“有限寿命”代替“无限寿命”下零件的许用应力，以便使用较大的许用应力[σ-1N]，从而减小零件的体积和重量。 [σ-1N] = εσ βσ-1√N0 /N /(kσS) m

六、安全系数

七、例题(P117~P119 例9-1~3) P119 例9-3的结论: 一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力是脉功循环变应力。单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性

§9–3 机械零件的接触强度 整体强度：零件在较大的体积内受载时产生应力，此应力状态下的强度称为整体强度。接触强度：两个点、线接触的零件受载后在接触处产生的局部应力。这时零件强度称为接触强度。疲劳点蚀：作周期性变化的接触应力使零件表面形成一些小坑的现象。疲劳点蚀使减小了接触面积，损坏了零件表面, 降低了零件承载能力, 并引起振动和噪声。它是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。

接触疲劳强度的判定条件为： • σH ≤ [σH ] = σHlim/SH • (σHlim由实验测得, SH >1) • 若两零件硬度不同，常以较软零件的接触疲 • 劳极限为准。 • 接触应力的特点 • 大小相等、方向相反； • 左右对称； • 稍离接触区中线即迅速降低等。

§9–4 机械零件的耐磨性 磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。耐磨性：零件抗磨损的能力。在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增大；应立即停车检修、换零件。机械磨损的主要类型：磨粒磨损/粘着磨损/疲劳磨损/腐蚀磨损耐磨计算：限制强度准则： p≤ [ p] 当相对速度大时，应校核接触面的发热：pv≤[pv]

§9–6 公差配合、粗糙度和优先数系 一、公差与配合(参考《互换性与测量技术基础》) 大规模生产要求零件具有互换性。互换性要求建立标准化的公差与配合。我国的公差与配合采用国际公差制。公差：零件允许的最大尺寸与最小尺寸之差。基本尺寸：设计给定的尺寸。

配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、过度和过盈配合三种。配合制度有基孔制和基轴制两种。公差带：上下偏差间的尺寸。孔与轴各有28个。机械制造中最常用的公差等级是4~11级。4、5级用于特精密零件；6、7级用于重要零件，是生产中常用精度等级。8、9级用于中等精度零件。10、11级用于低精度零件。

二、表面粗糙度 表面粗糙度：指零件表面的微观几何形状误差。它是零件加工后在表面留下的刀痕。用被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值 Ra 来表示。通常精度越高，要求Ra 越小。

三、优先数系 优先数系：用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理分组，以便组织生产和降低成本的一组等比数系。 GB321-80规定的优先数系有四种基本系列，即R5、R10、 R20、R40系列。在确定量值的分级时，必须最大限度地采用优先数及优先数系。优先数：优先数系中的各数。如：R5=101/5=1.6 优先数系：1 1.6 2.5…

§9–7 机械零件的工艺性和标准化 一、工艺性零件设计时不仅要有适用性，还要有良好的工艺性。工艺性的基本要求是： (1) 毛坯选择合理 (2) 结构简单合理 (3) 规定适当的制造精度及表面粗糙度二、标准化标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质量，降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于维护维修。我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。

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