机械零件设计概论Word格式文档下载.docx

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机械零件的设计常按下列步骤进行：

1）拟定零件的计算简图。

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，确定零件的形状和主要尺寸。

应当注意，零件尺寸的计算值一·

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、规格加以圆整。

5）绘制工作图并标注必要的技术条件。

以上所述为设计计算。

在实际工作中，也常采用相反的方式─—校核计算，这时先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。

还应注意，在一般机器中，只有一部分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。

9.2机械零件的强度

在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。

然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数K（有时只考虑工作情况的影响，则用工作情况系数KA）的办法来估计这些因素的影响。

载荷系数与名义载荷的的乘积，称为计算载荷。

按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力，按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。

当机械零件按强度条件判定时，比较危险截面处的计算应力（σ、τ）是否小于零件材料的许用应力（[σ]、[τ]）。

即

（9-1）

材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的。

对于在简单应力状态下工作的零件，可直接按式（9—1）进行计算；

对于在复杂应力状态下的零件，则应根据材料力学中所述的强度理论确定其强度条件。

许用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。

9.2.1应力的种类

按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。

不随时间变化的应力，称为静应力图（9-1a），纯粹的静应力是没有的，但如变化缓慢，就可看作是静应力。

例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。

随时间变化的应力，称为变应力。

具有周期性的变应力称为循环变应力，图9-1b所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。

从图b可知

平均应力

（9-2）

应力幅

应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中的应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用r表示，即。

当σmax＝—σmin时，循环特性r＝-l，称为对称循环变应力（图c），其σa=σmax＝-σmin，σm=0。

当σmax≠0、σmin=0时，循环特性r＝0，称为脉动循环变应力（图d），其σa=σmax＝1/2σmax。

静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin，循环特性r=+1。

9.2.2静应力下的许用应力

静应力下，零件材料有两种损坏形式：

断裂或塑性变形。

对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。

这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力，故许用应力为

（9-3）

对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为

（9-4）

对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢．还应考虑应力集中的影响．灰铸铁虽属脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在，其内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响，故计算时不考虑应力集中。

表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。

9.2.3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。

疲劳断裂具有以下特征：

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）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；

3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。

在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。

1．疲劳曲线

由材料力学可知，表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。

从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某—数值N0以后，曲线趋向水平，即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂（图9-3）。

N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。

通常用表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。

疲劳曲线的左半部N〈N0），可近似地用下列方程式表示：

（9-5）

式中：

为对应于循环次数N的疲劳极限；

C为常数；

m为随应力状态而不同的幂指数，例如弯曲时m=9。

从式（9-5）可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限

（9-6）

２．许用应力

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、绝对尺寸和表面状态等影响，为此引入有效应力集中系数、尺寸系数和表面状态系数β等。

当应力是对称变化时，许用应力为

（9-7）

当应力是脉动循环变化时，许用应力为

（9-8）

S为安全系数；

σ0为材料的脉动循环疲劳极限；

、及β的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。

以上所述为“无限寿命”下零件的许用应力。

若零件在整个使用期限内，其循环总次数N小于循环基数N0时，可根据式（9-6）求得对应于N的疲劳极限。

代入式（9-7）后，可得“有限寿命”下零件的许用应力。

由于大于，故采用可得到较大的许用应力，从而减小零件的体积和重量。

9.2.4安全系数

当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：

（1）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。

由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2～1.5；

对于塑性较差的材料（如＞0.6）或铸钢件可取S=1.5～2.5。

（2）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。

例如，对于高强度钢或铸铁件可取S=3～4。

（3）变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S＝1.3～1.7；

若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=1.7～2.5

9.3机械零件的接触强度

通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称整体强度（如§

9-2所述）。

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面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，滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。

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（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，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（图9-7）。

这种现象称为疲劳电蚀。

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，并引起振动和噪声。

疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效2形式。

由弹性力学的分析可知，当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时（图9-8），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

（9-9）

令及，

对于钢或铸铁取泊松比μ1=μ2=μ=0.3，则上式可化简为

（9-10）

接触疲劳强度的判定条件为

，而（9-11）

式中为实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其经验公式为

若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。

9.4机械零件的耐磨性

运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损，磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。

零件抗磨损的能力称为耐磨性。

除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触，否则磨损总是难以避免的。

但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。

所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。

出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。

这时应立即停车检修、更换零件。

据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。

可见研究零件耐磨性具有重要意义。

磨损现象是相当复杂的，有物理、化学和机械等方面原因。

下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。

1．磨粒磨损硬质颗粒或磨檫表面上硬的凸峰，在磨檫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。

2．粘着磨损（胶合）加工后的零件表面总有一定的粗糙度。

摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动这种现象称为粘着磨损（胶合）。

所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重。

若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，时摩擦表面能相互咬死。

3.疲劳磨损（点蚀）在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮，齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。

4.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的磨损，称为腐蚀磨损。

实用耐磨计算是限制运动副的压强P，即：

（9-12）

式中[P]是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。

相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间接触面积的发热量fpv。

在摩檫系数一定的情况下，可将pv值与许用pv值进行比较，即

（9-13）

9.5机械制造常用材料及其选择

9.5.1金属材料

1．铸铁

铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。

含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。

铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。

2．钢

与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。

钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。

按照用途，钢可分为结构钢，工具钢和特殊钢。

结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；

工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；

特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件。

按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。

碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低．为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。

（1）碳素结构钢

这类钢的含碳量一般不超过0.7%。

含碳量低于0.25%的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。

含碳量在0．1％～0．2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。

通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。

如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。

含碳量在0．3％～0．5%的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓，螺母、键，齿轮和轴等零件。

含碳量在0.55%～0.7%的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧，螺旋弹簧或钢丝绳等。

（2）合金结构钢

钢中添加合金元素