機械設(shè)計基礎(chǔ)第九章

第9章機械零件設(shè)計概論一、機械零件設(shè)計概述二、機械零件的強度三、機械零件的接觸強度四、機械零件的耐磨性五、機械零件的剛度六、機械制造常用材料及其選擇七、如何選材八、機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、機械零件設(shè)計概述機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。此限度對載荷而言時，又稱為承載能力。機械零件可能的失效形式歸納起來主要有以下幾種：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；發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛；摩擦傳動的打滑等。機械設(shè)計應(yīng)滿足要求：1）功能性2）安全可靠3）經(jīng)濟性：性能好、效率高、成本低、4）外形美觀：比例協(xié)調(diào)、大方、給人以時代感、美感、安全感5）人機工程：操作簡單、維修方便、低噪聲設(shè)計機械零件設(shè)計應(yīng)滿足:1）足夠的強度2）剛度3）耐磨性4）耐熱性5）振動穩(wěn)定性等機械零件設(shè)計要求1）擬定計算簡圖2）確定零件工作載荷大小3）選材4）按零件工作能力準(zhǔn)則設(shè)計零件主要尺寸5）繪制零件圖6）編制技術(shù)文件機械零件設(shè)計步驟二、機械零件的強度①應(yīng)力法應(yīng)力法是判斷危險截面處的最大應(yīng)力(σ，τ)是否小于或等于許用應(yīng)力([σ]，[τ])。計算公式為②

安全系數(shù)法安全系數(shù)法是判斷危險截面處的實際安全系數(shù)(Sσ，Sτ)是否大于或等于許用安全系數(shù)([Sσ]，[Sτ])。計算公式：載荷與應(yīng)力載荷——進行強度計算所依據(jù)的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統(tǒng)稱為載荷。在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷?？紤]機器運轉(zhuǎn)時動力參數(shù)的不穩(wěn)定，工作阻力變化等原因，使零件受到各種附加載荷而引入的影響系數(shù)稱為載荷系數(shù)K

。載荷系數(shù)與名義載荷的乘積，稱為計算載荷。按照名義載荷用力學(xué)公式求得的應(yīng)力，稱為名義應(yīng)力。按照計算載荷求得的應(yīng)力，稱為計算應(yīng)力。靜應(yīng)力——不隨時間變化的應(yīng)力(圖9-1a)。變應(yīng)力——隨時間變化的應(yīng)力。對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力和非對稱循環(huán)變應(yīng)力。應(yīng)力的種類靜應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力的平均應(yīng)力σm及應(yīng)力幅σa分別為循環(huán)特性——變應(yīng)力的最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，用r表示，它可用來描述變應(yīng)力的變化情況。變應(yīng)力的計算對于用脆性材料制成的零件．應(yīng)取強度極限σb作為極限應(yīng)力，其許用應(yīng)力為對于組織均勻的脆性材料，如淬火后低溫回火的高強度鋼。還應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。靜應(yīng)力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料，可按不發(fā)生塑性變形的條件進行計算。這時取材料的屈服極限σs作為極限應(yīng)力，故許用應(yīng)力為靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；斷口表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂疲勞斷裂是損傷的積累，最初在零件表面或表層形成微裂紋，隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加逐漸擴展，直至剩下的未裂開的截面積不足以承受外載荷，零件突然斷裂。疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。變應(yīng)力下的許用應(yīng)力疲勞曲線變應(yīng)力下的許用應(yīng)力疲勞曲線的左半部（N＜N。），可近似地用下列方程式表示：疲勞曲線變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影響，為此引入有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應(yīng)力為當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應(yīng)力為變應(yīng)力下的許用應(yīng)力有限壽命下的許用應(yīng)力分別為對稱循環(huán)變應(yīng)力時脈動循環(huán)變應(yīng)力時安全系數(shù)的選擇重要性：過大結(jié)構(gòu)笨重過小不夠安全查表法適用范圍較窄，但簡單、具體、可靠參考原則：p131部分系數(shù)法：S=S1·S2·S3

S1——載荷及應(yīng)力計算準(zhǔn)確性

S2——材料力學(xué)性能的均勻性

S3——零件的重要性三、機械零件的接觸強度若零件受載時是在較大的體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)下的零件強度稱為整體強度。接觸應(yīng)力：在承載前點或線接觸受載后小面接觸局部應(yīng)力大對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，則上式簡化為：令及零件受接觸變應(yīng)力作用時接觸強度條件為

σH≤[σH]

其中[σH]=σlim/SH

式中σlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準(zhǔn)。機械零件的接觸強度四、機械零件的耐磨性磨損機理有四種：磨粒磨損粘著磨損（膠合）疲勞磨損（點蝕）腐蝕磨損實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即

p≤[p]式中[p]

是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。相對運動速度較高時，還應(yīng)考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv值與許用[pv]值進行比較，即

pv≤[pv]機械零件的耐磨性五、機械零件的剛度剛度—零件抵抗彈性變形的能力撓度y≤[y]偏轉(zhuǎn)角θ≤[θ]六、機械制造常用材料一、金屬材料1、黑色金屬—鐵碳合金鑄鐵和鋼都是鐵碳合金。鋼—含碳量小于2%鑄鐵—含碳量大于2%機械性能—總體上，含碳量越大，材料強度硬度提高、塑性下降。鋼鋼：具有較高的強度、韌性、和塑性鋼制零件的毛坯可以鍛造、沖壓、焊接、鑄造從用途上分：①結(jié)構(gòu)鋼—制造各種機械零件、工程構(gòu)件②工具鋼—制造各種刃具、模具、量具③特殊鋼—不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼。鋼從化學(xué)成分分：①碳素鋼—含碳量不超過0.7%普通碳素鋼—Q235（A3鋼)等(屈服強度235MPa)優(yōu)質(zhì)碳素鋼—45等(含碳量0.45%左右）②合金鋼—鋼中添加合金元素，如鎳、鉻、錳、鉬、釩等。極大地改善鋼材性能。

20Cr40Cr35CrMo40CrNiMo等。③鑄鋼—鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差、普通砂型鑄造時、壁厚應(yīng)不小于８～10毫米。鑄鐵鑄鐵—脆性材料，不能輾壓或鍛造，良好的液態(tài)流動性、容易鑄造成型形狀復(fù)雜的機械零件。價格便宜。時效處理—消除鑄造內(nèi)應(yīng)力。灰口鑄鐵HT150(抗拉強度150MPa）球墨鑄鐵500-7（抗拉強度500MPa，拉伸率7%）良好的減震性能，可用于機器的基礎(chǔ)或箱體有色金屬合金有色金屬合金—減摩、耐腐蝕作用。黃銅=銅＋鋅—具有較好的塑性，可制造散熱器、油管、墊片、螺釘?shù)惹嚆~=銅＋非鋅合金（錫Sn,鉛Pb,鋁Al）—減摩性好、抗腐蝕性好軸承合金（巴氏合金）—制造滑動軸承襯非金屬材料橡膠—彈性好，吸振、密封等塑料—易于制造形狀復(fù)雜零件。塑料齒輪、全塑料汽車。石棉、紙板等尼龍等－特殊用途重量輕、色彩好、減磨性好等等非金屬材料“

“

“

熱處理1、熱處理—固態(tài)鋼材加熱到一定溫度，經(jīng)過一定時間的保溫，然后以一定速度冷卻，可改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達到改變金屬性能的方法。2、熱處理類型1）退火—隨爐冷卻—消除鍛造、焊接內(nèi)應(yīng)力。2）正火—空氣冷卻，正火后硬度強度提高，消除內(nèi)應(yīng)力方面不如退火。3）淬火—水冷或油冷，淬火后硬度強度提高較大，脆性增加、存在較大內(nèi)應(yīng)力4）回火—淬火后又加熱冷卻（低溫、中溫、高溫）—消除淬火后內(nèi)應(yīng)力和脆性。仍保持較高硬度、強度。5）調(diào)質(zhì)—淬火＋高溫回火，可獲得強度、硬度、塑性、韌性等都較好的綜合力學(xué)性能。6）表面淬火（火焰加熱、感應(yīng)電流加熱）7）滲碳—低碳鋼表面滲入碳元素—耐磨8）滲氮—鋼材表面滲入氮碳元素—耐磨9）氰化—碳氮共滲—耐磨１０）碳氮共滲等等熱處理七、如何選材1、考慮零件工作要求—滿足強度、剛度等要求。大多數(shù)零件首先滿足強度要求。滿足強度要求方法；①選高指標(biāo)材料②加大零件尺寸。根據(jù)工作要求合理選材與設(shè)計零件尺寸。剛度要求：剛度與材料彈性模量E有關(guān)，各種鋼材E基本相同，熱處理也基本不影響E。如何選材2、考慮工藝要求—鑄件適合外形復(fù)雜、批量生產(chǎn)，塑性差的材料不能沖壓、鍛打。3、經(jīng)濟性—受載小的鑄件可用鑄鐵，受載大的鑄件可用鑄鋼。單件箱體適合焊接。批量生產(chǎn)適合鑄造。例如齒輪單件生產(chǎn)適合仿形法，批量生產(chǎn)適合范成法。八、機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化

一、工藝性在具體生產(chǎn)條件下，如所設(shè)計的機械零件便于加工而加工費用又很低，則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關(guān)工藝性的基本要求：毛坯選擇合理

機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技求條件有關(guān)，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。

結(jié)構(gòu)簡單合理

設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)形狀時，最好采用最簡單的表面及其組合，同時還應(yīng)當(dāng)盡量使加工表面數(shù)目最少和加工面積最小。規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃?/p>