第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

第九章機(jī)械零件設(shè)計概論第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章機(jī)械零件設(shè)計概論機(jī)械零件設(shè)計概述機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度機(jī)械零件的耐磨性(機(jī)械制造常用材料及其選擇)公差配合、粗糙度和優(yōu)先數(shù)系機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9–1機(jī)械零件設(shè)計概述機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求是：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。設(shè)計機(jī)械零件時，也同樣要求零件工作可靠，成本低廉。一、基本概念失效:機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作的狀態(tài)。工作能力:在不發(fā)生失效的條件下,零件所能安全工作的限度。承載能力:機(jī)械零件在不發(fā)生失效時能承受的最大載荷。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月共振：當(dāng)周期性干擾力的頻率與軸的自振頻率相等或接近時，發(fā)生的振幅急劇增大，失去振動穩(wěn)定性的現(xiàn)象。零件的失效形式有：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作表面的過度磨損或損傷;共振;聯(lián)接松弛;摩擦傳動的打滑等。失效形式可歸納為：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等問題。工作能力計算準(zhǔn)則：防止失效而制定的判定條件。強(qiáng)度條件：應(yīng)力≤許用應(yīng)力剛度條件：變形量≤許用變形量計算量≤許用量第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、機(jī)械零件設(shè)計類型和步驟

擬定零件的計算簡圖確定作用在零件上的載荷選擇合適的材料確定零件形狀和主要尺寸繪制工作圖，標(biāo)注技術(shù)條件選用相應(yīng)判定條件設(shè)計計算法校核計算法參照實(shí)物(圖紙)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸驗算零件結(jié)構(gòu)和尺寸驗算，修改零件選用相應(yīng)判定條件第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-2機(jī)械零件的強(qiáng)度一、基本概念名義載荷：在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。載荷系數(shù)：實(shí)際計算載荷與名義載荷的比值。它考慮的是機(jī)械工作時，零件受到的各種附加載荷。名義應(yīng)力:當(dāng)載荷為名義載荷時計算出的應(yīng)力。計算應(yīng)力：按計算載荷求得的應(yīng)力。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、強(qiáng)度判定條件

σ≤[σ]=σlim/S

τ≤[τ]=τlim/S注：

[σ]和[τ]為許用正應(yīng)力和許用剪應(yīng)力，取決于應(yīng)力的種類、零件材料的極限應(yīng)力和安全系數(shù)等。σlim和τlim為極限正應(yīng)力和極限剪應(yīng)力。在簡單應(yīng)力狀態(tài)下用實(shí)驗測得；復(fù)雜應(yīng)力下的情況在后面討論。S:安全系數(shù)第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月三、應(yīng)力的種類

按隨時間變化情況分靜應(yīng)力：不隨時間變化的應(yīng)力變應(yīng)力：隨時間變化的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力是周期性變化時，稱為循環(huán)變應(yīng)力。應(yīng)力應(yīng)力的參數(shù)平均應(yīng)力：應(yīng)力幅：循環(huán)特性：σm=————σmax+σmin2σa=————σmax-σmin2r=——σminσmax

表示應(yīng)變力中應(yīng)呼變化的情況σmax=σmin=σmσa=0靜應(yīng)力r=0一般循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1σm=0σa=σmax=-σminσm=σa=σmax/2σmin=0脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月四、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力(）靜應(yīng)力下，零件失效形式為：斷裂或塑性變形。塑性材料：[σ]=σs/S

∵

σlim=σs

(材料的屈服極限)脆性材料：[σ]=σB/S

∵

σlim=σB

(材料的強(qiáng)度極限)

P123表9-1列舉了一些常用鋼鐵材料的極限應(yīng)力。五、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下．零件的失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂的特征有：1)斷裂時的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于σB，甚至低于σs；2)斷口為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂3)是損傷的積累，初期只在零件表面或表層形成微裂紋。P120圖9-2為軸的彎曲疲勞斷裂的斷口．第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞斷裂是損傷的積累，是裂紋擴(kuò)展到一定程度后的突然斷裂，所以它與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)密切相關(guān)。疲勞曲線：表示應(yīng)力σ(縱坐標(biāo))與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N(橫坐標(biāo))之間的關(guān)系曲線(浴盆曲線)。循環(huán)基數(shù)N0:疲勞曲線趨于水平時的循環(huán)次數(shù)。通常認(rèn)為此基數(shù)為：在“無限次”循環(huán)時試件不會斷裂。

疲勞極限：對應(yīng)于N0時的應(yīng)力。常用σ-1表示材料在對稱循環(huán)變應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。當(dāng)N<N0時,疲勞曲線可表示為:σ-1NmN=σ-1mN0=C

(m:隨應(yīng)力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)，彎曲時m=9)故對應(yīng)于循環(huán)次數(shù)的彎曲疲勞極限為：

σ-1N=σ-1√N(yùn)0/Nm第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月許用應(yīng)力：變應(yīng)力下，許用應(yīng)力取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力，同時還應(yīng)考慮零件的截面突變(應(yīng)力集中系數(shù)kσ)、絕對尺寸(尺寸系數(shù)εσ)和表面狀態(tài)(表面狀態(tài)系數(shù)β)等影響。對稱循環(huán)應(yīng)力的許用值：[σ-1]=εσβσ-1/(kσS)脈動循環(huán)應(yīng)力的許用值：[σ0]=εσβσ0/(kσS)通常設(shè)計時,用“有限壽命”代替“無限壽命”下零件的許用應(yīng)力，以便使用較大的許用應(yīng)力[σ-1N]，從而減小零件的體積和重量。[σ-1N]=εσβσ-1√N(yùn)0/N/(kσS)m第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月六、安全系數(shù)應(yīng)力狀況材料性質(zhì)發(fā)全系數(shù)靜應(yīng)力塑性材料S=1.2~2.5脆性材料S=3~4變應(yīng)力材料均勻S=1.3~1.7材料不均勻S=1.7~2.5部分系數(shù)法：S=S1·S2·S3S1：考慮載荷及應(yīng)力計算的準(zhǔn)確性S2：考慮材料的力學(xué)性能的均勻性S3：考慮零件的重要性第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月七、例題(P117~P119例9-1~3)P119例9-3的結(jié)論:一對齒輪作單向傳動時，輪齒的彎曲應(yīng)力是脈功循環(huán)變應(yīng)力。單側(cè)受載時輪齒彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9–3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

整體強(qiáng)度：零件在較大的體積內(nèi)受載時產(chǎn)生應(yīng)力，此應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度稱為整體強(qiáng)度。

接觸強(qiáng)度：兩個點(diǎn)、線接觸的零件受載后在接觸處產(chǎn)生的局部應(yīng)力。這時零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。

疲勞點(diǎn)蝕：作周期性變化的接觸應(yīng)力使零件表面形成一些小坑的現(xiàn)象。疲勞點(diǎn)蝕使減小了接觸面積，損壞了零件表面,降低了零件承載能力,并引起振動和噪聲。它是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效形式。

第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為：

σH≤[σH]=σHlim/SH

(σHlim由實(shí)驗測得,SH>1)若兩零件硬度不同，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準(zhǔn)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)大小相等、方向相反；左右對稱；稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9–4機(jī)械零件的耐磨性

磨損：磨擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。

耐磨性：零件抗磨損的能力。

在預(yù)定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，認(rèn)為是正常磨損。出現(xiàn)劇烈磨損時．運(yùn)動副的間隙增大，機(jī)械精度喪失，效率下降；振動、沖擊和噪聲增大；應(yīng)立即停車檢修、換零件。機(jī)械磨損的主要類型：磨粒磨損/粘著磨損/疲勞磨損/腐蝕磨損耐磨計算：

限制強(qiáng)度準(zhǔn)則：p

≤[p]

當(dāng)相對速度大時，應(yīng)校核接觸面的發(fā)熱：pv≤[pv]第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9–6公差配合、粗糙度和優(yōu)先數(shù)系一、公差與配合(參考《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》)

大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互換性?；Q性要求建立標(biāo)準(zhǔn)化的公差與配合。我國的公差與配合采用國際公差制。公差：零件允許的最大尺寸與最小尺寸之差。基本尺寸：設(shè)計給定的尺寸。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月配合：同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合。有間隙、過度和過盈配合三種。配合制度有基孔制和基軸制兩種。公差帶：上下偏差間的尺寸?？着c軸各有28個。機(jī)械制造中最常用的公差等級是4~11級。4、5級用于特精密零件；6、7級用于重要零件，是生產(chǎn)中常用精度等級。8、9級用于中等精度零件。10、11級用于低精度零件。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、表面粗糙度表面粗糙度：指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它是零件加工后在表面留下的刀痕。用被測輪廓上各點(diǎn)至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值

Ra來表示。通常精度越高，要求Ra越小。第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月三、優(yōu)先數(shù)系優(yōu)先數(shù)系：用來使型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理分組，以便組織生產(chǎn)和降低成本的一組等比數(shù)系。GB321-80規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系有四種基本系列，即R5、R10、R20、R40系列。在確定量值的分級時，必須最大限度地采用優(yōu)先數(shù)及優(yōu)先數(shù)系。優(yōu)先數(shù)：優(yōu)先數(shù)系中的各數(shù)。如：R5=101/5=1.6優(yōu)先數(shù)系：11.62.5…第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§9–7機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化一、工藝性零件設(shè)計時不僅要有適用性，還要有良好的工藝性。工藝性的基本要求是：(1)毛坯選擇合理(2)結(jié)構(gòu)簡單合理(3)規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙榷?、?biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化是指以制訂標(biāo)準(zhǔn)和貫徹標(biāo)準(zhǔn)為主要內(nèi)容的全部活動過程。其原則是統(tǒng)一、簡化、協(xié)調(diào)、優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)化有利于實(shí)行專業(yè)化大生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本；減少設(shè)計工作量；減少庫存量和便于維護(hù)維修。我國的標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四級。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)習(xí)與練習(xí)一、填空1、機(jī)械零件由于某種原因,不能

時,稱為失效。機(jī)械零件在

的條件下，零件能安全工作的限度，稱為工作能力。2、若兩個零件在受載前是

接觸或

接觸，受載后接觸變形處為一小面積，在這小面積上產(chǎn)生的局部應(yīng)力稱為

應(yīng)力，如

等零件工作時就有這種應(yīng)力作用。3、對高副接觸的零件，在外載荷作用下，接觸處將產(chǎn)生

應(yīng)力，從而將引起零件的

破壞。1/5第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月4、兩零件高副接觸時,其最大接觸應(yīng)力取決于

,

及

。5、兩零件高副接觸時，其接觸應(yīng)力隨接觸點(diǎn)、線處的曲率半徑增大而

；隨材料的彈性模量減小而

；隨單位接觸寬度載荷的增大而

。6、

零件的表面硬度，

接觸表面的綜合曲率半徑，可以提高零件的接觸疲勞強(qiáng)度。7、材料發(fā)生疲勞破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N必

于該材料的循環(huán)基數(shù)N0;由于

,

和

等因素的影響，零件的疲勞極限必小于其材料的疲勞極限。2/5第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月8、隨

變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力,具有周期性變化的變應(yīng)力稱為

。按照隨時間變化的情況,應(yīng)力可分為

和

。變應(yīng)力可歸納為

變應(yīng)力、

變應(yīng)力和

變應(yīng)力三種基本類型。9、機(jī)械磨損的主要類型有

磨損、

磨損、

磨損與腐蝕磨損。運(yùn)動副中，

不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損，在預(yù)定使用期限內(nèi)，零件的磨損量

允許值就認(rèn)為是正常磨損。10、安全系數(shù)可用部分安全系數(shù)來確定S=S1?S2?S3。其中S1是考慮載荷及應(yīng)力計算的

性；S2是考慮機(jī)械性能的

性；S3是考慮零件的

性。3/5第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11、變應(yīng)力的五個基本參數(shù)是

、

、

、

、

。應(yīng)力循環(huán)中的

與

之比，可用來表示變應(yīng)力中應(yīng)力變化的情況，通常稱為變應(yīng)力的循環(huán)特性r。當(dāng)r=+1表示為

應(yīng)力，r=0表示為

應(yīng)力，