機械設(shè)計基礎(chǔ)：第9章 機械零件設(shè)計概論

1、機械設(shè)計基礎(chǔ)第9章機械零件設(shè)計概論1、機械零件的主要計算準則和對應(yīng)的失效形式 ；2、機械零件設(shè)計的一般步驟 ；3、應(yīng)力的分類、靜應(yīng)力和變應(yīng)力的基本強度條件 ；4、接觸應(yīng)力的概念及接觸強度條件 ；5、機械零件工藝性和標準化概念的意義 。關(guān)鍵知識點1、變應(yīng)力以及其強度條件 2、接觸應(yīng)力的概念 3、機械零件的工藝性和標準化 難 點第9章 機械零件設(shè)計概論本章教學內(nèi)容9.1 機械零件的主要失效形式 9.2 機械零件的工作能力及其計算準則9.3 機械零件設(shè)計的一般步驟9.4 機械零件的強度計算9.5 機械零件的接觸強度計算9.6 機械零件常用材料及其選擇9.7 機械零件的工藝性及標準化總 結(jié)第9章 機械

2、零件設(shè)計概論9.1 機械零件的主要失效形式1. 整體斷裂第9章 機械零件設(shè)計概論有靜強度斷裂和疲勞斷裂兩種。如齒輪輪齒的彎曲折斷等 2. 塑性變形 3. 表面損傷 4.過量彈性變形5. 功能失效 零件在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形量過大導致喪失工作能力 包括磨損、膠合、點蝕等，使零件降低、喪失工作能力 過大彈性變形將影響機械的精度和工作能力 零件不能完成規(guī)定功能的失效。如皮帶打滑、螺栓松脫等 或 1、強度準則 第9章 機械零件設(shè)計概論9.2 機械零件的工作能力及其計算準則 零件的工作能力是指在一定運動、載荷和環(huán)境情況下，在預定使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度 。包括有：強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)

3、定性和可靠性等。 2、剛度準則 y y 3. 耐磨性準則 p p 或 pv pv 4. 振動穩(wěn)定性準則 f 0.87 fp 和 f 1.18 fp 5. 可靠性準則 用可靠度來表示機器或零件在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預定環(huán)境條件下，正常完成其工作能力的概率稱為“可靠度R”，轉(zhuǎn)到9.4(5)第9章 機械零件設(shè)計概論9.3 機械零件設(shè)計的一般步驟 1. 擬定零件的計算簡圖，即建立計算模型 2. 通過受力分析，確定作用于零件上的載荷3. 據(jù)零件工作條件和受力情況，分析零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定零件的設(shè)計計算準則 4. 選擇合適的材料5. 由設(shè)計準則得到設(shè)計式，確定零件主要幾何參數(shù)和尺寸，并按標準規(guī)定和加

4、工工藝要求，將零件尺寸計算值標準化或圓整6. 根據(jù)加工、裝配的工藝要求、受力情況以及減小應(yīng)力集中、尺寸小重量輕等原則確定零件的其余結(jié)構(gòu)尺寸7. 繪制零件工作圖、詳細標注尺寸公差、形位公差和表面粗糙度及技術(shù)要求等 8. 編寫設(shè)計計算說明書，作為技術(shù)文件存檔第9章 機械零件設(shè)計概論9.4 機械零件的強度計算理想平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷叫名義載荷,其對應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力稱名義應(yīng)力 1.有關(guān)名詞: 名義載荷和名義應(yīng)力 - 載荷系數(shù)( 工況系數(shù) )- 計算載荷和計算應(yīng)力 - 考慮載荷變化的載荷系數(shù)與名義載荷的乘積稱計算載荷, 其產(chǎn)生的應(yīng)力稱計算應(yīng)力因零件工作時會受多種附加載荷，引人載荷系數(shù)K (工況系

5、數(shù)KA) 近似反映其影響2.應(yīng)力分類: 靜應(yīng)力 -不隨時間變化的應(yīng)力 (圖b) 變應(yīng)力 -隨時間變化的應(yīng)力 。有對稱循環(huán)變應(yīng)力(圖c)，脈動 循環(huán)變應(yīng)力（圖d），一般非對稱循環(huán)變應(yīng)力（圖a） 第9章 機械零件設(shè)計概論3. 變應(yīng)力的具體特征參數(shù) :應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)最大應(yīng)力 max = m + a ； 最小應(yīng)力 min = m - a平均應(yīng)力 m =1/2(max+min)； 應(yīng)力幅值 a =1/2(max-min) 4. 常見變應(yīng)力的特征參數(shù)：工程中常見變應(yīng)力有 靜應(yīng)力(圖b)： r = +1 max =min m =max a = 0 對稱循環(huán)變應(yīng)力(圖c):r = -1 max = -min

6、 m = 0 a = max 脈動循環(huán)變應(yīng)力(圖d):r = 0 min = 0 m =a = 1/2max 對一般非對稱循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力(圖a)r = +1-1之間，可按“安全原則”近似處理就近歸屬于脈動循環(huán)或?qū)ΨQ循環(huán)變應(yīng)力 第9章 機械零件設(shè)計概論5. 靜應(yīng)力下零件的強度計算： 靜應(yīng)力作用下，零件常表現(xiàn)的破壞形式為塑性變形或斷裂，因此其強度條件式可以利用9.2中的強度準則公式來計算，通常: 用塑性材料制作的零件lim=s，lim=s 用脆性材料制作的零件lim=B，lim=B 其中安全系數(shù)確定有兩種方法；一是查表法，查相關(guān)規(guī)范有關(guān)表格確定。二是部分系數(shù)法，將總安全系數(shù)分成若干影響部分，分項

7、確定系數(shù)數(shù)值，最后取他們的乘積作為總安全系數(shù)，即S = S1 S2 S3 。一般 S1載荷和應(yīng)力計算準確性系數(shù)，可取S1=11.5； S2材料性質(zhì)的均勻性系數(shù)，對鍛鋼和軋鋼件，可取S21.21.5；對鑄鐵件，可取S21.52.5； S3零件重要性系數(shù)，可取S311.5。 6.變應(yīng)力下零件的強度計算： a）疲勞的概念：變應(yīng)力下零件失效形式一般是疲勞破壞，其斷口如圖示。這種斷裂來的突然，即使是塑性很好的材料也會發(fā)生類似脆性材料突然斷裂，危險性較大，需特別關(guān)注。顯然疲勞失效是無法用靜應(yīng)力強度條件公式中的極限應(yīng)力來控制的。需專門研究針對疲勞失效的極限應(yīng)力。 第9章 機械零件設(shè)計概論 b）材料的疲勞曲線

8、和疲勞極限：疲勞曲線如圖，曲線上的點表示在某種應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的條件下材料的極限應(yīng)力。曲線分為兩部分，用N0（循環(huán)基數(shù)）分界（如圖），對應(yīng)N0的應(yīng)力稱材料的無限壽命疲勞極限r(nóng)(簡稱“材料的疲勞極限”)。 在BC段，曲線趨于水平，可以認為當應(yīng)力小于r時，循環(huán)次數(shù)N為“無窮大”，材料可受“無限次”應(yīng)力循環(huán)而不破壞。 在AB段，每一應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N對應(yīng)個產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力rN，稱為材料有限壽命的疲勞極限r(nóng)N。 顯然，如知道材料疲勞極限，就可作為極限應(yīng)力代入強度條件公式中。有限壽命區(qū)：壽命系數(shù) c）零件變應(yīng)力下的極限應(yīng)力和許用應(yīng)力 ：疲勞曲線反映出了在該種應(yīng)力循環(huán)特征的情況下試件材料的疲勞極限。但實踐中

9、使用的零件在形狀、大小和加工方式等與試件均有很大的區(qū)別，而這些區(qū)別會較大程度影響零件的疲勞壽命，必須修正。一般采用實驗的方法，針對各種情況做出各種修整系數(shù)詳表，計算中據(jù)使用條件從表中查取系數(shù)代入式中，對材料的疲勞極限進行修正，得到零件的疲勞極限，建立疲勞強度的強度條件公式。 或 式中： 或 ()絕對尺寸系數(shù) k(k)有效應(yīng)力集中系數(shù) 表面狀況系數(shù) 以上系數(shù)請查材力書籍或相關(guān)手冊對應(yīng)表格。變應(yīng)力下安全系數(shù)一般應(yīng)取的比靜應(yīng)力時大。以疲勞極限為極限應(yīng)力時可取S1.31.7；若材料不均勻、計算不精確可取S1.72.5。 第9章 機械零件設(shè)計概論9.5 機械零件的接觸強度計算(1) 整體強度零件受載時，

10、在較大體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的強度問題稱整體強度(2)接觸強度 高副接觸兩零件承載面積很小，局部由接觸承載產(chǎn)生的應(yīng)力很大，離開接觸面后所受到的應(yīng)力迅速衰減條件下的強度問題。1. 接觸強度和接觸應(yīng)力的概念；接觸應(yīng)力是由接觸產(chǎn)生有局部性質(zhì)的應(yīng)力2.疲勞點蝕生成的機理 接觸應(yīng)力反復作用下，零件近于表面次表面層的一些微觀缺陷開始萌生裂紋并向表面擴展；接觸應(yīng)力給表面潤滑油施加的較大油壓將其擠入裂隙中，又加劇了裂紋擴展的速度；當裂紋擴展到一定深度時，金屬小塊發(fā)生斷裂在表面留下疲勞點蝕坑。這樣的失效形式是高副接觸零件失效的主要形式。顯然接觸應(yīng)力是其發(fā)生的主要因素，需要針對它建立強度條件。3.接觸疲勞強度計算；如圖所

11、示 兩圓柱體接觸時，其中心部分首先接觸，因此軸線上的中心部分接觸應(yīng)力最大，隨著中心部分的變形，兩邊區(qū)域才開始有接觸承載。這樣顯然其載荷分布區(qū)域應(yīng)呈圖中的橢圓分布狀態(tài)。其應(yīng)力可用以下公式計算： 1，2兩圓柱材料的泊桑比 E1 ，E2兩圓柱材料的彈性模量1，2兩圓柱接觸點處的曲率半徑Fn兩圓柱間徑向的載荷b兩圓柱的軸向接觸長度 +表示外接觸；-表示內(nèi)接觸對于鋼制的零件，可取1=2=0.3 式中綜合曲率半徑 E綜合彈性模量 保證第9章 機械零件設(shè)計概論9.6 機械零件常用材料及其選擇 機械制造中常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金和非金屬材料如塑料、橡膠，尼龍、玻璃鋼、木材等常用鋼鐵材料力學性能

12、見表9.1 鋼鐵材料：一般為鑄鐵和鋼兩種 1.鑄鐵：含碳量大于2%的鐵碳合金稱鑄鐵，常用的有灰鑄鐵和球墨鑄鐵兩種，其特點是：具有適當?shù)囊兹坌裕己玫囊簯B(tài)流動性，可鑄成形狀復雜的零件。此外它的減震性、耐磨性、切削性均較好，且成本低廉。 2.鋼材：常用的鋼有結(jié)構(gòu)鋼(碳素結(jié)構(gòu)鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼) 、工具鋼、特殊鋼和鑄鋼等。與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得。 碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。為了改善鋼的性能，特意加入了一些合金元素的鋼稱合金結(jié)構(gòu)鋼。 3. 鑄鋼：鑄鋼的液態(tài)

13、流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時。壁厚常不小于10mm，鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應(yīng)比鑄鐵件大。 4.鋼材的熱處理：鋼制造零件時，常需要進行熱處理以改善其物理和機械性能。鋼的熱處理，就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)加熱到一定溫度后，保溫一定時間，再以一定速率冷卻的工藝過程。一般來說，冷卻速度越快，鋼材變的越硬越脆，內(nèi)部由于急劇冷卻造成的內(nèi)應(yīng)力也越大，反之亦反。 常用熱處理工藝名稱以及其目的和應(yīng)用見表9.2 第9章 機械零件設(shè)計概論表9.l 常用鋼鐵材料的牌號、力學性能及應(yīng)用舉例材 料力 學 性 能試件尺寸 mm應(yīng)用舉例類別牌號強度極限BMPa屈服極限sMPa延伸率%

14、碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215Q235Q275335410375460490610215235275312620d16金屬結(jié)構(gòu)件、拉桿、鉚釘、芯軸、墊片、焊接件、齒輪、螺釘、蓋等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼2535455545053060064027531535539025201612d25軸、輥子、墊片、螺釘?shù)容S、銷、連桿、螺拴、螺母等齒輪、鏈輪、軸、鍵、銷等齒輪、凸輪等合金結(jié)構(gòu)鋼35SiMn40Cr20CrMnTi65Mn8839811079981735785834785159108d25d25d15d80重要齒輪、連桿、螺栓、螺母、軸等鑄鋼ZG270-500ZG310-570ZG42SiMn50057060027

15、0310380181512d100機架、飛輪、聯(lián)軸器、齒輪、軸承箱及座等灰鑄鐵HT150HT200HT250145195240-壁厚1020底座、床身、手輪、工作臺等汽缸、齒輪、底座、機體等油缸、汽缸、齒輪、軸承座等球墨鑄鐵QT400-15QT500-7QT600-3QT700-240050060070025032037042015732壁厚30200汽車底盤零件、閥門、閥蓋等油泵齒輪、車輛軸瓦、閥體等機床主軸、汽缸體、缸套、連桿、曲軸、凸輪軸、齒輪軸等注：鋼鐵材料的硬度與熱處理方法、試件尺寸等有關(guān)，其數(shù)值詳見機械設(shè)計手冊等有關(guān)資料第9章 機械零件設(shè)計概論表9.2 常用熱處理工藝名稱及其目的和

16、應(yīng)用熱處理工藝主 要 目 的應(yīng) 用退火 降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，均勻組織，細化晶粒和預備熱處理 鑄件、焊接件、中碳鋼和中碳合金鋼鍛件和軋制件等正火 調(diào)整硬度，細化晶粒，消除網(wǎng)狀碳化物，淬火前的預備熱處理，以減少淬火缺陷 改善低碳鋼和某些低碳合金鋼切削性能；中碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前的預備熱處理；對要求不高的零件可作為最終熱處理，如大齒輪、軸等淬火及回火(調(diào)質(zhì)) 提高硬度、強度和耐磨性?；鼗鹱鳛榇慊鸬暮罄m(xù)工序，目的是提高塑性和韌性、降低或消除殘余應(yīng)力，并穩(wěn)定零件的形狀和尺寸 淬火后高溫回火又稱調(diào)質(zhì)處理。高溫回火能得到較高的綜合機械性能 低溫回火(1503000C)用于碳鋼或合金工具鋼消除內(nèi)應(yīng)力和滲碳

17、、碳氮共滲或表面淬火零件的后繼處理高溫回火(3506500C)即調(diào)質(zhì)處理，用于重要零件，如齒輪、曲軸等。調(diào)質(zhì)也常作為某些重要零件的預備熱處理工序表面淬火 使表面具有高硬度和高耐磨性和有利的殘余應(yīng)力分布。內(nèi)部并有足夠的強度和韌性 用于要求表面硬度高、內(nèi)部韌性大的零件，如齒輪、蝸桿、絲杠、軸頸、鏈輪等。感應(yīng)加熱速度快、生產(chǎn)率高，能防止表層氧化和脫碳，淬透深度易控制，但設(shè)備比較貴，不適合于單件和小批量生產(chǎn)滲碳淬火 提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度，并保持原來材料的高塑性和韌性 齒輪、軸、活塞銷、鏈、萬向聯(lián)軸器等要求表面硬度大而內(nèi)部韌性大的重載零件氮化 能獲得比滲碳淬火更高的硬度、耐磨性、熱硬性、疲勞強

18、度和抗腐蝕性能，氮化后不再淬火，變形比較小，零件精度高 要求硬度和耐磨性高，且不易磨削的零件和一些特殊的精密零件，如齒輪(尤其是內(nèi)齒輪)、主軸、鏜桿、精密絲杠、量具、模具等碳氮共滲(氰化) 表面硬度高而不脆，并提高耐磨性、疲勞強度和抗腐蝕能力，變形比滲碳淬火小，處理周期短 齒輪、軸、鏈等零件，可代替滲碳淬火第9章 機械零件設(shè)計概論有色金屬材料：常用的有銅合金、軸承合金和鋁合金等 1.銅合金：它除有良好的減摩、耐磨性外，還具有良好的導電、導熱、耐蝕和延展性。分黃銅(H)和青銅(Q)兩類。黃銅是銅鋅合金；青銅分錫青銅和無錫青銅兩種，前者是銅錫合金；后者是銅和鋁、鐵、鉛、硅、錳、鈹?shù)鹊暮辖?。錫青銅的

19、減摩性較無錫青銅好，但機械強度較差。銅合金可鑄造或輾壓，鑄造的強度低，但可制造形狀復雜的零件。銅合金是軸瓦、蝸輪的主要材料，也是在腐蝕性介質(zhì)中工作零件的主要材料。 2.軸承合金：軸承合金又稱巴氏合金，是錫、鉛、銻、銅的合金，具有良好的減摩、耐磨性，是滑動軸承襯的專用材料。 3.鋁合金：鋁合金具有高的強度密度比，用它制造的零件可在同樣的強度下獲得小的質(zhì)量，缺點是強度較鋼和鐵低，耐壓性差，價格亦較貴。常用在一些要求重量輕的場合，例如航天工業(yè)中多有應(yīng)用。 非金屬材料 ：常用的有橡膠、塑料等 1. 橡膠：橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減速器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制

20、造水潤滑的軸承襯。 2. 塑料：塑料的密度小，易于制成形狀復雜的零件。而且各種塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，因此近年來在機械制造中得到日益廣泛的應(yīng)用。材料選擇原則：選材直接影響零件的工作性能和成本，設(shè)計者必須充分了解材料的性能、其所適用的工作條件和價格等，適當選材。要抓住主要，兼顧一般，通常強度要求是主要的，其次是工藝性，還要 適當考慮成本、供應(yīng)的方便程度、材料的物理性能等其他方面，綜合加以選擇。第9章 機械零件設(shè)計概論9.7機械零件的工藝性及標準化 1.什么是工藝性- 以最低成本和勞動量制造最易裝配、維修和更換的零件 應(yīng)當注意的問題如下：a.毛坯種類的選擇：零件

21、采用何種毛坯，與零件的形狀、尺寸、生產(chǎn)規(guī)模、材料和成本等有關(guān)。形狀復雜和尺寸較大的零件宜用鑄造或焊接毛坯；單件或小批量生產(chǎn)的零件，不應(yīng)采用鑄造、模鍛或沖壓毛坯；批量生產(chǎn)零件宜用型材、模鍛或沖壓毛坯；毛坯直接采用型材成本一般最低。b.零件結(jié)構(gòu)盡可能簡化、合理 ：在功能允許情況下，應(yīng)盡可能采用簡單結(jié)構(gòu)；如為便于取模鑄件應(yīng)沿取模方向留1:20的拔模斜度；為防鐵水灌注不全，鑄件壁厚不應(yīng)當太??；為避免應(yīng)力集中，兩實體結(jié)合部應(yīng)有適當大小的過渡圓角；鑄造毛坯的壁厚應(yīng)比較均勻。 c.良好的生產(chǎn)加工工藝性：為防止成本不合理升高，應(yīng)規(guī)定合理的制造精度及表面粗糙度：結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)以平面、圓柱等為主，便于加工。有裝配的面應(yīng)有倒角，便于相配合零件裝入。 d.方便裝拆、調(diào)配、維修；零件應(yīng)裝配方便，并保證要求的裝配精度。例如對緊固件(如螺紋聯(lián)接)，應(yīng)保證有必要的裝、拆空間(圖9.6)；結(jié)構(gòu)設(shè)計時須便于加工(圖9.7)；考慮維修需要，零件應(yīng)拆卸方便(圖9.8)。 以上僅僅是舉例說明了一些典型的工藝性問題。實踐中類似的問題還有很多，學習中一定要給予重視。 第9章 機械零件設(shè)計概論第9章 機械零件設(shè)計概論2.標準化、通用化和系列化的概念和意義 - 標準化就是將產(chǎn)品的形式、尺寸、參數(shù)、性能等統(tǒng)規(guī)定為數(shù)量有限的種類。標準化的零件稱為標準件，如螺栓、螺母、滾動軸承等；標準化有利于設(shè)計和產(chǎn)品的互