机械零件设计概论Word格式文档下载.docx

1、 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

2、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（、）是否小于零件材料的许用应力（、）。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（91）进行计算；对于在复杂应力状态下的零

3、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

4、特性，用r表示，即。当maxmin时，循环特性r-l，称为对称循环变应力（图c），其a=max-min，m=0。当max0、min=0时，循环特性r0，称为脉动循环变应力（图d），其a=max1/2max。静应力可看作变应力的特例，其max=min，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s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B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

5、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，表示应力与应力循环次数N之

6、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NN0），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） 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

7、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；0为材料的脉动循环疲劳极限；、及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

8、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=1.21.5；对于塑性较差的材料（如0.6）或铸钢件可取S=1.52.5。 （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=34。 （3） 变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S1.31.7；若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=1.72.59.3 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

9、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20m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

10、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1=2=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

11、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

12、（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

13、，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

14、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0102%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0305%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