机械零件设计概论

许用应力（allowable stress） 计算应力允许达到的
用[σ]表示
最大值
3. 安全系数（safety factor） 极限应力与许
安全系数 用应力的比值
S lim [ ]
安全系数计算值 极限应力与计 算应力的比值
引入安全系数的原因：
Sca
lim ca
≥S
① 应力计算时的载荷不精确性；
纹逐渐扩展；
▲当剩余材料不足以承受载
寿命)有关的断裂。 疲劳断裂具有以下特征：
▲ 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;
不管脆性材料或塑性材料，
▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;
▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
第九章 机械零件设计概论
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序 9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力 9.3 机械零件的设计准则和一般设计步骤 9.4 机械零件的材料及选择 9.5 摩擦、磨损与润滑 9.6 机械零件的结构工艺性及标准化
9.1 机械设计的基本要求和一般设计程序
9.1.1 机械设计的基本要求
编制技术文件
9.2 机械零件的主要失效形式和工作能力
9.2.1机械零件的主要失效形式 机械零件的失效： 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称 为失效。
零件的失效形式: ① 断裂; ② 过大的弹性变形或塑性变形; ③ 工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）； ④ 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。 失效并不简单地等同于零件的破坏。
解：
min r max 0.5 200 100
m
max
min
2

GB321-80规定了四个优先数系的基本系列：
R5 : q5= 5 10 ≈1.6 R10 : q10= 10 10 ≈1.25 R20 : q20= 20 10 ≈1.12 R40 : q40= 40 10 ≈1.06
优先数系的基本系列
R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00
孔公差带
Xmin= 0
轴公差带
轴公差带
Ymin= 0
孔公差带 轴公差带
Xmax
Xmax Ymax
Xmax Ymax
Ymax
轴公差带
轴公差带
过渡配合
孔公差带
配合 基孔制配合 应用广泛 ，可减少孔加工刀具 基准制 基轴制配合
基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0， 代号为:H ，
通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。
决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下， 尽量采用较低的精度和表面质量。
4) 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。 力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。 尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末 冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人
轴：a b c cd d e
t uvx
ef f fg
y
g
zzazb
h js k
m
基本尺寸
a
n p r s t u v w x y z za zb zc
公差等级：国标规定了20个等级，用阿拉伯数字：0 01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18表示。

•计算载荷---载荷系数与名义载荷的乘积。 •名义应力---按名义载荷计算所得应力。计算应力---按名义载荷计算所得应力：
•当机械零件按强度条件判定时，可采用许用应力法或者安全系数法：
•许用应力法：
•安全系数法：
•[σ]=、[τ]-----许用应力
•S---安全系数；[S]---许用安全系数
•σ 、τ PPT文档演l模im板 lim -----极限应力，武汉由科技实学验院专方用 法测定。
第9章机械零件设计概论 new
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2020/11/27
第9章机械零件设计概论new
•§9－1 机械零件设计概 •机械设计应论满足的要求：
•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。
•机械零件的失效： • 机械零件曲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
•塑性材料，取屈服极限σS
作为极限应力,许用应力为：
•脆性材料：取强度极限σB
作为极限应力,许用应力为：
•对于静应力下的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；对于内部组
织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响的脆性材料，
计算时不考虑应力集中。
•退火：将钢加热到一定温度，并保温到一定时间后，随炉缓慢

2.粘着磨损，也称胶合 摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中， 材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨 损。
3.疲劳磨损，即疲劳点蚀 是高副（点、线接触）机械零件的常见磨损形式。
§9-4 机械零件的耐磨性
4. 腐蚀磨损 摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀 的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、 微动磨损等其他形式。
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。
§9-2 机械零件的强度
一、载荷 1. 载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的 外力F、弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为 载荷。 2. 机械零件实际承受的载荷： ① 静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化 或变化缓慢的载荷。 ② 变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的 载荷。 ③ 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引 起的载荷。
§9-3 机械零件的接触强度
3. 两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，最大接触应力发 生在接触区中线上，其值由赫兹（H.Hertz）公式计算：
H
11
Fn
1 2
b 1 12 1 22
E1
E2
令
1 1 1 1 2
及 1 1 21，
E1 E2 E
对于钢或铸铁，取μ1=μ2 =μ=0.3，则上式简化为：
H
1 Fn E
2（1 2）b
0.418
Fn E
b
§9-3 机械零件的接触强度
4. 零件受接触变应力作用时接触强度条件为 σH≤[σH] 而[σH] = σHlim/SH

第9章 机械零件设计概论
¨ 1 失效 ¨ 2 机械零件设计应满足的基本要求 ¨ 3 静强度 ¨ 4 疲劳强度 ¨ 5 接触强度 ¨ 6 耐磨性 ¨ 7 刚度 ¨ 8 工作能力判定条件（计算准则）
常用主要零件的设计
螺纹联接 键联接 带传动 齿轮传动 蜗杆传动 轴 滚动轴承
联接件 传动件 支承件
主要零件的设计
抵抗弹性变形的能力
E ——弹性模量
8 工作能力判定条件（计算准则）
应力 ≤ 许用应力 变形 ≤ 许用变形 计算量 ≤ 许用量
设计计算
校核计算
其它（零件分类）
常用件 主要零件 设计计算
一般零件 经验、结构 齿轮
标准件
校核计算
蜗杆
轴
螺钉、轴承、皮带、键、 选择尺寸
机械零件的载荷
计算载荷
载荷系数
× （工作情况系数）
σF
=
KFtYF bm
[ ] =
2 KT1YF bd1m
=
2KT1YF bm2 z1
≤
σF
σH
= 336
(i
±1)3 i
KT1 ba2
≤ [σH ]
N / mm2
¨ 选择材料
¨ 齿数， Z1 , Z2
¨ 模数，齿宽 ¨ 设计结构—齿轮轴，孔，键槽 ¨ 零件图—尺寸公差，粗糙度，形
位公差，技术要求
例2 滚动轴承
完成零件的设计
¨ 根据零件工作情况——分析零件承担载荷 的情况
¨ 根据载荷情况（经验）——分析失效的形 式
¨ 选择材料、根据强度理论计算尺寸参数、 设计结构、热处理、加工方法
设计目的、依据
时间 寿命
正常 不失效
零件在综合性

振动稳定性准则 ：高速运转机械的设计应注重此项准则。
可靠性准则 ：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。
6
• 机械零件设计的步骤： 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
相应的设计准则，判定条件，确定零件 的形状 ; • 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件
齿轮轮齿断裂
轴承内圈断裂
3
（二）过大的残余变形
当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将 产生残余变形。
齿轮齿面塑形变形
轴承外圈塑性变形
4
（三）零件的表面破坏
零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
5
二、机械零件的设计准则
设计计算准则：保证零件不失效所依据的基本准则 称为设计计算准则。主要有：强度准则、刚度准则、 寿命准则、振动稳定性准则和可靠性准则等。
设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相 应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：
强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基
本的设计准则。计算应力<许用应力； 刚度准则 ：确保零件不发生过大的弹性变形。变形量<许用变形量；
寿命准则 ：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
•[ Sσ]、 [ Sτ]——对应于正应力、切应力的许用安全系数
12
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。 疲劳断裂(fatigue fracture)： ※表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程分为两个 阶段： 第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发 生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源可 以有一个或数个； 第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形， 使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。实际上，材料内部的 夹渣、微孔、晶界以及表面划伤、裂纹、腐蚀等都有 可能产生初始裂纹。因此一般说零件的疲劳过程是从 第二阶段开始的， 应力集中 (stressconcentration)促 使表面裂纹产生和发展。

表面疲劳磨损的类型
表层萌生疲劳磨损：表层萌生疲劳磨损造成扇形疲劳坑，磨屑多为扇形颗粒，故又称其为点蚀 表面萌生疲劳磨损：表面萌生疲劳磨损造成浅而大的疲劳凹坑，磨屑呈片状，故又称其为剥落。
接触疲劳准则
σHmax≤4τs 最大接触应力；剪切屈服点。
五、润滑剂及其特性
凡能降低摩擦阻力、且人为加入摩擦副的介质都称为润滑剂。
1．润滑剂的基本类型
液体润滑剂：矿物油、有机油、矿物油、合成油等 润滑脂：皂基脂、无机脂、烃基脂和有机脂 固体润滑剂：软金属，如Pb、Au、Ag、Sn、In等；无机化合物
２．润滑油
粘度 表征流体流动的阻力，在流体动力和静力润滑状态，粘度与油膜厚度、摩擦阻力直接相关。
强度准则
一、静强度
在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。
塑性材料
单向应力状态下：
，
复合应力状态下：
按第三或第四强度理论计算当量应力。
脆性材料
单向应力状态下：
，
复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。
对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。
工作能力——机械零件具有足够的抵抗失效的能力
计算准则——以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则
因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同
载荷和应力
１、载荷
动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷
静载荷
变载荷
按是否随时间变化，载荷