第九章設計總論第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、機械零件研究對象§9-1機械零件設計概述

齒輪機構(gòu)（傳動）齒輪傳動件

軸、軸承、套筒等軸系零件

鍵聯(lián)接件機原：機構(gòu)←構(gòu)件→運動的單元機設：零件→制造裝配的單元第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月研究對象:在普通工作條件下工作的一般參數(shù)的通用零件和

部件的設計零件：組成機器的基本要素通用零件——各類機器常能用到的零件螺栓、齒輪、軸專用零件——特定類型機器才能用到的零件飛機螺旋槳、內(nèi)燃機曲軸、渦輪機葉片第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月傳動零件軸系零件聯(lián)接零件附件機架第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：繁雜（門類多、關(guān)系多、要求多、公式多、圖形多、表格多）二、課程特點與學習方法學習方法:1、把握住每章的重點及分析處理問題的思路和基本方法--如何按已定的計算準則來進行設計?2、其次：公式推導、經(jīng)驗數(shù)據(jù)及曲線來源3、只記基本簡單公式，稍復雜公式只需用不必記憶第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

應用（*工作原理）及特點↓*載荷及應力分析↓*失效形式及材料選擇↓*計算準則↓*確定主要參數(shù)和尺寸↓結(jié)構(gòu)設計三、分析處理問題的思路第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、設計機械零件應滿足的基本要求（1）預定功能要求，能夠準確實現(xiàn)預定的功能（2）預定的壽命內(nèi)不能失效，工作可靠（3）結(jié)構(gòu)工藝性要求：加工、裝配（4）經(jīng)濟性要求第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月五、機械零件的工作能力準則1、機械零件常見失效形式2、工作能力準則3、強度準則4、剛度準則5、耐磨性準則6、耐熱性準則7、振動穩(wěn)定性準則第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1機械零件常見失效形式失效：喪失預定功能或預定功能指標降低到許用值以下。失效的主要形式是破壞，但不僅僅指破壞。常見主要失效形式有：斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振強度問題剛度問題耐磨性問題Fn第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2工作能力準則工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為“承載能力”如：吊鉤最大起重量——50kN工作能力或承載能力——50kN工作能力準則：衡量零件工作能力的指標對零件設計，針對其主要失效形式選擇適合的工作能力準則進行設計具體有：強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則、耐熱性準則50kN第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3強度準則機械零件工作能力的最基本準則強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強度準則：工作應力≤許用應力

σ≤[σ]或τ≤[τ]針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零部件：軸、齒輪、帶輪等正應力：剪應力：極限應力第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面磨損:p≤[p](比壓、壓強)→耐磨性表面壓潰:p≤[p](擠壓應力)→擠壓強度接觸疲勞:

H≤[H](接觸應力)→接觸強度(點蝕)（齒輪為例）

表面強度:→疲勞破壞整體斷裂(脆性材料)過大的殘余變形（塑性材料）→整體

破壞靜強度→疲勞斷裂(塑、脆性材料)→疲勞強度整體強度:變應力靜應力動畫1動畫2動畫3齒輪、滾動軸承等第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4剛度準則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準則：實際變形量≤許用變形量彎曲剛度：撓度條件：y≤[y]傾角條件：θ≤[θ]扭曲剛度：扭角條件：j≤[j]針對失效形式：過大的彈性變形典型零部件：軸、蝸桿等第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月5耐磨性準則耐磨性：零件抗磨損的能力磨損是相當復雜的物理化學過程影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動速度、潤滑劑的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)等具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損耐磨性準則：

P

針對失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月6耐熱性準則高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、附加熱應力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間的間隙，降低精度等耐熱性準則：工作溫度低于許用值針對失效形式：高溫引起的潤滑不良、蠕變典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動軸承等第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7振動穩(wěn)定性準則共振：當機器的自振固有頻率f與周期性激振頻率相同或整數(shù)倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等振動穩(wěn)定性：機器工作時振幅不能超過許可值振動穩(wěn)定性準則：0.85f>fp或1.15f<fp針對失效形式：共振產(chǎn)生的工作失常典型零部件：軸等第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-2機械零件的強度一、載荷二、應力三、機械零件的強度計算第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、載荷載荷：作用于零件上的力或力矩工作載荷：機器正常工作時所受的實際載荷名義載荷：理想工作條件下的載荷計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷計算載荷=K×名義載荷載荷系數(shù)第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月隨機變應力1靜應力：不隨時間變化的應力規(guī)律性不穩(wěn)定變應力二、應力變應力：不穩(wěn)定變應力：規(guī)律性不穩(wěn)定變應力和隨機變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力2變應力：隨時間變化的應力第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、穩(wěn)定循環(huán)變應力的基本參數(shù)和種類1）基本參數(shù)應力循環(huán)特性（應力比）最大應力最小應力平均應力應力幅2）穩(wěn)定循環(huán)變應力種類γ=+1—靜應力γ=-1—對稱循環(huán)變應γ=0—脈動循環(huán)變應力-1<γ<00<γ<1—非對稱循環(huán)變應力第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

靜應力γ=+1脈動循環(huán)變應力γ=0對稱循環(huán)變應力γ=－1非對稱循環(huán)變應力-1<γ<00<γ<1第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：1、最大、最小應力都是代數(shù)值，以絕對值較大者為最大應力，并規(guī)定它為正號，按照這樣的規(guī)定，循環(huán)特征的范圍為：2、靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1靜應力下的許用應力破壞形式斷裂或塑性變形塑性材料:取屈服極限作為極限應力脆性材料:取強度極限作為極限應力三、機械零件的強度計算第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

疲勞破壞特征：

1）破壞時的應力遠小于材料的靜強度極限；

2）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；

3）在循環(huán)應力多次反復作用下產(chǎn)生,即疲勞斷裂是損傷的累積;疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)

4）對零件的材料、形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件等都非常敏感。2

變應力下的許用應力機械零件在變應力作用下產(chǎn)生的破壞稱為疲勞破壞第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1）疲勞曲線應力循環(huán)特性一定時，表示應力與應力循環(huán)次數(shù)N間的關(guān)系曲線。(求材料在不同N下的疲勞極限)它是取同一r不同N值時做實驗所得。不同材料具有不同疲勞曲線。σ當N≥N0:σrN=σ-1→當σ＜σ-1→無限循環(huán)不破壞σrN：對應N的疲勞極限N↑→σrN↓用σ－1表示材料在對稱情況下的疲勞極限(N=N0)當N＜N0:對應N0的應力稱為材料的疲勞極限σNσ－1N0σrNNN0－循環(huán)基數(shù)第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）變應力下的許用應力取材料的疲勞極限作為極限應力（無限壽命下的許用應力）當應力是對稱循環(huán)變化時：εσ－零件的尺寸系數(shù)β－零件的表面狀態(tài)系數(shù)kσ－零件的有效應力集中系數(shù)當應力是脈動循環(huán)變化時：安全系數(shù)：參考相關(guān)資料第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-3機械零件的接觸強度

高副零件工作時，理論上是點接觸或線接觸→實際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應力很大。該應力稱為接觸應力。在表面接觸應力作用下的零件強度稱為接觸強度在接觸應力的反復作用下，首先在表層內(nèi)約20處產(chǎn)生疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展，最后使表面金屬呈小片剝落疲勞點蝕疲勞點蝕是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效形式。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月兩圓柱體接觸接觸應力（線接觸）計算依據(jù)：彈性力學的赫茲公式接觸強度的判斷條件：第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：當三個相同的零件甲、乙、丙承受的σmax是相同的，但應力的循環(huán)特性γ分別為+1，0，一1，其中，最易疲勞損傷的零件是——。答：丙例2：零件受交變應力時，N次循環(huán)時的疲勞極限為，其中代號注腳“r”代表______。

A. B. C. D.例3：零件工作時可能出現(xiàn)塑性變形時，應按準則計算；零件工作時可能發(fā)生斷裂時，應按準則計算；零件工作時產(chǎn)生的彈性變形可能超過允許的極限時應按準則計算。A強度B剛度C壽命D振動穩(wěn)定性E可靠性第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例5：應力變化曲線如圖所示，該變應力的循環(huán)特性為：例4：一對齒輪作單向傳動，輪齒的彎曲應力可看成哪類循環(huán)變應力第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-4機械零件的耐磨性摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。耐磨性：零件抗磨損的能力稱為耐磨性磨損的類型磨料磨損：油不凈，硬質(zhì)顆?；虼植谟脖砻嬖谲洷砻嫔系那邢骰蚬尾磷饔靡鸬牟牧厦撀湔持p（膠合）：壓力作用—局部溫升高—粘著（焊接）—

相對運動—撕脫、剪切—材料轉(zhuǎn)移

疲勞磨損（點蝕）：交變接觸應力—裂紋擴展—表面剝落—

麻點、凹坑第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月腐蝕磨損：金屬表面與周圍介質(zhì)化學反應，在相對運動中造成表面材料損失耐磨計算：高速時，要考慮發(fā)熱量：第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼和鑄鐵，其次是有色金屬和非金屬§9-5機械制造常用材料及其選擇1金屬材料（1）鑄鐵:含Ｃ＞2％的鐵碳合金稱為鑄鐵→良好的液態(tài)流動性（易成型）、吸振、耐磨、價廉。（2）鋼:含Ｃ量＜2％的鐵碳合金稱為鋼→具有高的強度、韌性和塑性，可用熱處理改變其特性按化學成分，鋼分為：

A.碳素鋼：低碳鋼(C)<0.25%、中碳鋼(C)=0.25%～0.55%

高碳鋼(C)＞0.55%(性質(zhì)取決于含碳量,含碳量越高，則強度越高）

B.合金鋼（加入了合金元素的鋼）一、常用材料第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月按用途鋼分為：結(jié)構(gòu)鋼（制造各種機械零件和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件）工具鋼（制造各種刃具、模具和量具）特殊鋼（如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等，用于…)常用鋼鐵材料的牌號及力學性能見表9-1（3）銅合金：分為：青銅和黃銅黃銅：銅和鋅的合金，塑性和流動性好，可輾壓和鑄造青銅：減摩和抗腐蝕較好2非金屬材料（1）橡膠：彈性好，能吸收震動和緩和沖擊（2）塑料：比重小，易于制成形狀復雜的零件，應用越來越廣泛第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、材料熱處理1目的2方法退火退火、正火、淬火、回火、表面熱處理正火將零件加熱到某一溫度→保溫→隨爐冷卻加熱到某一溫度→保溫→較快冷卻(例空冷)→消除內(nèi)應力,硬度減小→改善切削性能

（1）改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高材料力學性能（2）消除內(nèi)應力(加工,熱處理)→韌度,強度有所提高消除內(nèi)應力(不如退火)第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月淬火回火硬度大大提高→耐磨性,疲勞強度提高內(nèi)應力增大→需消除(回火)→綜合力學性能較好(強度、硬度、塑性、韌性)→重要零件調(diào)質(zhì)內(nèi)應力及脆性均較大↓,硬度↓,彈性↑→彈簧內(nèi)應力及脆性均↓,硬度及強度均較高→刀具高溫～→加熱到某一溫度→保溫→急速冷卻

將淬硬的鋼件加熱到某一溫度(較低)→保溫→冷卻(空冷)低溫～→中溫～→第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面熱處理強化零件表面→表面淬火,化學熱處理→表面硬度及耐磨性↑芯部韌性不變將某種化學元素(活性原子)滲入零件表面→力學性能↑→表面很硬,芯韌表面硬度、耐磨性、抗蝕性、疲勞強度↑→表面迅速加熱→急冷→低溫回火滲碳(碳原子):氮化(氮原子):氰化(碳+氮):表面淬火化學熱處理第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性極限：sP抗拉強度：sB屈服強度：sS(s0.2)硬度：HBS:布氏硬度硬度機壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS<450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120o金剛石錐體，載荷150kgf,不能冊硬、脆的薄層零件HV:維氏硬度136o金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf顯微硬度三種硬度單位之比較：HV(維氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBSspsSsBesABCDE三、材料力學性能指標第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月使用要求：使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度...工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經(jīng)濟要求：材料價格結(jié)合加工費用、材料利用率...四、材料的選擇原則第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)列

批量零件應有互換性，即裝配時不需要選擇和再加工。為實現(xiàn)零件的互換性，必須保證零件的尺寸在一個合理的范圍內(nèi)；即加工的零件尺寸必須在兩個允許的極限尺寸之間公差：這兩個極限尺寸之差如圖：零線代表基本尺寸的位置。由上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶上偏差下偏差一、公差與配合動畫第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差代號：孔與軸的公差帶位置各有28個。分別用大小寫拉丁字母表示軸→小寫－f、k、r孔→大寫－H、G、K第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差等級(尺寸精度等級):1～20級，常用4～11級→置于公差代號之后軸(f7、k7、r7);孔(F7、H7、K7)配合：基本尺寸相同、相互結(jié)合的孔與軸的公差帶之間的關(guān)系→┌間隙配合→孔＞軸│過渡配合→孔＜軸或孔＞軸└過盈配合→孔＜軸?35H7/f6?35H7/k6?35H7/r6配合制度：基孔制和基軸制基孔制：孔是基準孔，下偏差為零，代號為H，各種配合是靠改變軸的公差來實現(xiàn)基軸制：軸是基準軸，上偏差為零，代號為h，各種配合特性是靠改變孔的公差來實現(xiàn)第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差與配合的選用：1、在滿足使用要求的條件下，盡可能選低的等級；等級高于或等于8級時，孔比軸低一級；低于8級，軸與孔同級。2、優(yōu)先選用基孔制3、盡可能選用優(yōu)先配合(查手冊，如課程設計指導書表18-5）第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月→（評定）輪廓算術(shù)平均偏差(表面粗糙度Ｒａ):在被測量的基本長度內(nèi)，輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算數(shù)平均值二、表面粗糙度近似為：→零件表面的微觀幾何形狀誤差中線：規(guī)定的測量基準線，該線能使在測量的基本長度內(nèi)輪廓上各點與它的距離平方和為最小。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、形位公差第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、優(yōu)先數(shù)列→便于組織生產(chǎn)和降低成本ＧＢ321－80Ｒ5→公比=;Ｒ10→公比=Ｒ20→公比=;Ｒ40→公