第9章机械零件设计概论(第6版).

第9章机械零件设计概论§9－1机械零件设计概论§9－2机械零件的强度§9－3机械零件的接触强度§9－4机械零件的耐磨性§9－5机械制造常用材料及其选择§9－6公差与配合、表面粗糙度和优先数系§9－7机械零件的工艺性及标准化直齿轮组装传动零件轴系零件联接零件附件机架§9－1机械零件设计概论机械设计应满足的要求：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。凯迪拉客登攀者§9－1机械零件设计概论机械零件的失效：机械零件由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。零件的失效形式: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;发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。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例:齿轮轴断裂—失效轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观丝杠断牙部位丝杠断牙局部放大螺栓联接滑移被联接件断裂被联件相对滑移被联件拉断热胶合：润滑不良引起的齿面对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：计算应力许用应力；机械零件设计的步骤：1)拟定零件的计算简图;5)绘制工作图并标注必要的技术条件。防止失效的判定条件是：计算量许用量----工作能力计算准则。2)确定作用在零件上的载荷;3)选择合适的材料;4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状;失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。刚度条件：变形量许用变形量；注意:•1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格将某些计算值加以圆整。•2、在一般机器设计中，只有一部分关键零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计；•3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数，才能得到比较合理的结果。分析处理问题的思路：∵（任务）设计零件→*受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理）↓*失效形式（*主要失效形式←分类）*计算准则（公式建立的依据）↓强度计算（*设计方法→先定主参数*←*许用应力↓←材料）结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准）①②③④⑤⑥⑦⑧↓∴(抓住)计算准则∴学习贯穿一条线：载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。§9－2机械零件的强度计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。计算应力-----按名义载荷计算所得之应力：名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。强度判定条件：其中][][σ、τ[σ]=、[τ]-----许用正，切应力S-----安全系数σlim、τlim-----极限应力，由实验方法测定。SSlimlim][][然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入一、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化2minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力otσ变应力的循环特性:maxminrσmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例应力与载荷：•：应力(MPa=N/mm2)•F：载荷(N)•A：受力面积(m2)•静载荷—离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等。•变载荷—石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等AF•静载荷→通常产生静应力•变载荷→产生变应力注意：正确分析应力特性举例：静载荷拉杆•1maxminrFF•静载荷→也可能产生变应力•如转轴中弯曲应力•(对称循环)F1maxminr•齿轮弯曲应力•单侧受载•脉动循环0maxminr机械零件的强度计算应力比较法：σ≤[σ]=σlim/S（正应力）强度计算通式τ≤[τ]=τlim/S（切应力）关键:①σ的计算②[σ]的取值安全系数法：S=σlim/σ≥[S]P119与载荷、结构、尺寸、形状有关(材力)②复合应力：→材料力学基本强度理论一．静应力作用下的强度计算二．变应力作用下的强度计算①简单应力:（单向应力）→拉σ＝Ｆ／Ａ；弯σＦ＝Ｍ／Ｗ;剪τ＝Ｆ／Ａ;扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ1.计算应力二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料，取屈服极限σS(流动极限)作为极限应力,许用应力为：脆性材料：取强度极限σB（破坏强度或破坏应力）作为极限应力,许用应力为：Ss][SB][三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂，其特征：1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。不管脆性材料或塑性材料，高强度钢，考虑应力集中灰铸铁，不考虑应力集中P117应力集中σL实σL名MM应力集中区尺寸效应Dσmaxdσ临界危险区宽危险区宽曲轴整体断裂实况断口放大断口对曲轴疲劳断裂断口特征裂纹源区疲劳扩展区最终瞬断区内部缺陷引起疲劳断轴：初始裂纹起源于轴内部，裂纹由内至外扩展裂纹源区扩展区瞬断区裂纹扩展方向键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬断区1、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当NN0时,试件将不会断裂。N0----循环基数,对于钢，N0取N0对应的应力称为：CNNmmN011当NN0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。mNNN011其中m为随应力状态不同的幂指数,受弯的钢制零件，m=9寿命系数：时，系数为1①材料的疲劳曲线σrN–N（Curveoffatigue）N0有限寿命区无限寿命区ABCσrNNoσr—疲劳极限N0—循环基数m、C—系数CNmrNrσrN1σrN2N1N2σrN0103设计寿命N≥N0时：材料σlim=σr对称循环，r=-1，疲劳极限-1脉动循环，r=0，疲劳极限0材料的条件疲劳极限σrN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）mNNNK0式中：KN--寿命系数N＜103时，按静强度计算当N＞N0时，KN=1;设计寿命103≤N≤N0：材料σlim=σrNN0有限寿命区无限寿命区σrNNABCoCNmrNrrNN103AB:0NNmrmrNNrrNKm、C—材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）NN0时，rNr，采用rN可得到较大的许用应力，即“有限寿命”下零件的许用应力，从而减小零件的体积和重量。疲劳强度的影响因素（Influencefactorsoffatiguestrength）(1)应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力尺寸效应:绝对尺寸系数:(3)表面状态尺寸增加，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数:k(2)绝对尺寸表面状态系数:的现象降低9-89-99-10P118公式无应力集中/有应力集中直径d/直径d。（6~10mm）表面粗糙度和表面热处理。某种表面/精抛光-1三个系数分子分母均为的值2、许用应力在变应力，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、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。Sk11][当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：Sk00][σ0为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，mNNSk011][有限寿命时，用σ-1N代入得：四、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5部分系数法：S=S1•S2•S3S1—考虑载荷及应力计算的准确性。S2—考虑材料力学性能的均匀性。S3—考虑零件的重要性。各个具体数值可查阅相关资料。§9－3机械零件的接触强度若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力。失效形式常表现为：疲劳点蚀危害：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。b由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1(212bEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+”用于外接触，“-”用于内接触。ρ2ρ1Fn222121211111EEbFnHbEFnH)1(212bEFn418.0σHσHρ1Fnbρ2σHσHbEFnH418.0σH-------最大接触应力或赫兹应力;212121212EEEEEb-------接触长度;Fn-------作用在圆柱体上的载荷;-----综合曲率半径;-----综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：HHHHHSlim][],[而bFn布氏硬度的符号用HBS或HBW表示，值越大硬度越高。HBS:压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和有色金属等。HBW:压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度的表示方法：HBS或HBW之前的数字为硬度值，后面按顺序用数字表示试验条件：①压头的球体直径；②试验载荷；③试验载荷保持的时间(10～15s不标注)。170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N(1000kgf)的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N(750kgf)的试验载荷作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为530。对于钢，经验公式见P123σHlim=2.76HBS–70MPa1）两个零件硬度不同时，以较软零件的接触疲劳极限为准。2）图9-8中