第09章 机械零件设计概论

统计结果显示：
断裂仅占4.79%;
腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。 --主要失效原因。
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三、 机械零件的计算
1、机械零件的设计计算 2、机械零件的校核计算
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 件进行计算
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四、机械零件的研究方法
一般机械零件教材，对通用机械零件进行六个 方面的研究。
工作原理 失效形式 常用材料 承载能力计算 参数选取
结构设计
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机械零件设计的一般步骤
1) 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。 为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特 性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。
2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳
动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止
有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。
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▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
机器的可靠度----指在规定的使用时间内和预定的环 境下机器能够正常工作的概率。
4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。
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▲使用功能要求 ▲经济性要求 ▲劳动保护要求 ▲可靠性要求 ▲其它专用要求
1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人 机工程学的观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合 人们的 心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警 装置、显示装置等。
2) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

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,
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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

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

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。
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◆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。
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◆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）
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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
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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。