第9章機械零件設(shè)計概論

第9章機械零件設(shè)計概論§9－1機械零件設(shè)計的根本準(zhǔn)那么和普通步驟§9－2機械零件的疲勞強度§9－3機械制造常用資料及其選擇§9－4機械零件的工藝性及規(guī)范化§9－1機械零件設(shè)計的根本準(zhǔn)那么和普通步驟機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、本錢低，在預(yù)定運用期限內(nèi)平安可靠，操作方便、維修簡單和外型美觀等。機械零件的失效：機械零件由于某種緣由喪失正常任務(wù)才干時，稱為失效。任務(wù)才干----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能平安任務(wù)的限制。通常此限制是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載才干。一、機械零件設(shè)計的根本準(zhǔn)那么零件的失效方式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;任務(wù)外表的過度磨損或損傷;發(fā)生劇烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種能夠的失效方式，歸納起來最主要的為失效緣由:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等緣由。對于各種不同的失效方式，相應(yīng)地有各種任務(wù)才干斷定條件。這種為防止失效而制定的斷定條件，通常稱為任務(wù)才干計算準(zhǔn)那么。1.強度判定條件：[σ]、[τ]-----許用應(yīng)力[Sσ]、[Sτ]-----許用平安系數(shù)σlim、τlim-----極限應(yīng)力。機械零件的強度可分為體積強度和外表強度兩種。1〕體積強度體積強度是抵御斷裂和過大塑性變形的才干。極限應(yīng)力的選擇：1〕靜應(yīng)力下，零件資料的破壞方式：斷裂或塑性變形塑性資料，取屈服極限σS、τS作為極限應(yīng)力脆性資料：取強度極限σb、τb作為極限應(yīng)力2〕變應(yīng)力下，零件無論是塑性資料還是脆性資料，其損壞方式是疲勞斷裂，因此常用資料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。2〕外表強度分為外表擠壓強度和外表接觸強度外表接觸強度是指兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的部分應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。外表擠壓強度是指面接觸的兩零件，受載后接觸面間產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，應(yīng)力分布在接觸面不太深的表層，擠壓應(yīng)力過大時，零件外表被壓潰。斷定條件：bFnσHσHρ1Fnbρ2σHσH斷定條件：初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋裂紋的擴展與斷裂油金屬剝落出現(xiàn)小坑后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑外表、降低了承載才干、引起振動和噪音。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷反復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(光滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件外表構(gòu)成一些小坑，這種景象稱為疲勞點蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑外表，因此也降低了承載才干。失效方式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕2.剛度指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的才干。斷定條件：y、[y]——零件的變形量和許用變形量θ、[θ]——零件的轉(zhuǎn)角和許用轉(zhuǎn)角φ、[φ]——零件的扭角和許用扭角3.機械零件的耐磨性運動副摩擦外表物質(zhì)不斷損失的景象稱為磨損。磨損會逐漸改動零件尺寸和摩擦外表外形。零件抗磨損的才干稱為耐磨性。磨損↑→間隙↑、精度↓、效率↓、振動↑、沖擊↑、噪音↑據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。適用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:p≤[p][p]由實驗或同類機器運用閱歷確定相對運動速度較高時，還應(yīng)思索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值與許用的[pv]值進(jìn)展比較。即:pv≤[pv]4.振動穩(wěn)定性準(zhǔn)那么在設(shè)計時應(yīng)防止機器中受激振作用的各個零件的自激振動頻率與激振源的頻率相等或成整數(shù)倍。二、機械零件設(shè)計的步驟：1)根據(jù)零件的運用要求，選擇零件的類型和構(gòu)造;5)繪制任務(wù)圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件，編寫闡明書。2)確定作用在零件上的載荷;3)選擇適宜的資料;4)根據(jù)零件能夠出現(xiàn)的失效方式，選用相應(yīng)的斷定條件，確定零件的外形;留意，零件尺寸的計算值普通并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標(biāo)誰、規(guī)格加以圓整一、應(yīng)力的種類otσσ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力σm靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環(huán)變應(yīng)力otσ變應(yīng)力的循環(huán)特性:σmaxσminσaσa對稱循環(huán)變應(yīng)力otσ----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力otσσaσaσmin靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例§9－2機械零件的疲勞強度二、疲勞斷裂的特征1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下資料的強度極限低，甚至比屈服極限低;2)疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性忽然斷裂;3)疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果；它的初期景象是在零件外表或表層構(gòu)成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的添加而逐漸擴展，直至余下的未斷裂的截面積缺乏以接受外載荷時，就忽然斷裂。疲勞斷裂不同于普通靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的忽然斷裂。所以疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關(guān)的斷裂。不論脆性資料或塑性資料，4)疲勞斷面明顯分為兩個區(qū)域，即外表光滑的疲勞開展區(qū)和外表粗糙的脆性斷裂區(qū)。三、疲勞曲線NOσrNσ-1N0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。實驗闡明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于程度，可以為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。疲勞極限σrN與循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線當(dāng)N≥N0時,σrN不再隨N的增大而降低，此時的疲勞極限用σr表示。N0----循環(huán)基數(shù)當(dāng)N<N0時,有近似公式：對應(yīng)于N的疲勞極限：用σ-1表示資料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限。1〕無限壽命區(qū)σr2〕有限壽命區(qū)kN----壽命系數(shù)m----壽命指數(shù)2、許用應(yīng)力在變應(yīng)力，應(yīng)取資料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)思索零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和外表形狀等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和外表形狀系數(shù)β等。當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：σ0為資料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為平安系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命〞，有限壽命時，用σ-1N代入得：四、平安系數(shù)平安系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1〕靜應(yīng)力下，塑性資料的零件：S=1.2～１.5塑性較差的鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機械的S可經(jīng)過查表求得。無表可查時，按以下原那么取：→零件尺寸大，構(gòu)造笨重。S↓→能夠不平安。２〕靜應(yīng)力下，脆性資料，如高強度鋼或鑄鐵：S=3～43〕變應(yīng)力下，S=1.3～1.7資料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.5§9－3機械制造常用資料及其選擇機械制造中最常用的資料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬資料如塑料、橡膠等。一、金屬資料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：構(gòu)造鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素構(gòu)造鋼、合金構(gòu)造鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬資料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤2%鐵碳合金特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄呵斥外形復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性〔指灰鑄鐵〕、本錢低廉。運用：運用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原那么：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幹梅椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。運用：運用范圍極其廣泛。表9-2常用資料的相對價錢材料種類規(guī)格相對價錢熱軋圓剛碳素構(gòu)造鋼Q235〔φ33~42〕1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼〔φ29~50〕1.5~1.8合金構(gòu)造鋼〔φ29~50〕1.7~2.5滾動軸承鋼〔φ29~50〕3合金工具鋼〔φ29~50〕3~204Cr9Si2耐熱鋼〔φ29~50〕5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價錢廉價且供應(yīng)充分我國資源豐富3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。運用：運用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金〔巴氏合金〕-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬資料1.橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、傳動帶、密封圈、輪胎、絕緣資料等。2.塑料塑料的比重小，易于制成外形復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、耐磨性等，所以近年來在機械制造中其運用日益廣泛。3.其它非金屬資料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材要素：設(shè)計機械零件時，選擇適宜的資料是一項復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、任務(wù)條件和資料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)要素等進(jìn)展全面思索。用途、任務(wù)條件、物理、化學(xué)、機械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件資料各種資料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機械設(shè)計手冊中查得。為了資料供應(yīng)和消費管理上的方便，應(yīng)盡量縮減資料的種類。表9-1常用鋼鐵資料的牌號及力學(xué)性能材料力學(xué)性能試件尺寸類別牌號強度極限σB屈服極限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素構(gòu)造鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素構(gòu)造鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金構(gòu)造鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200§9－4機械零件的工藝性及規(guī)范化一、工藝性零件設(shè)計要求運用要求----具備所要求的任務(wù)才干；制造要求----制造工藝可行，本錢低；零件工藝性良好的標(biāo)志：在詳細(xì)的消費條件下，零件要便于加工且費用低。工藝性的根本要求：1)毛坯選擇合理制備方法毛坯選擇與消費批量、資料性能和加工能夠性有關(guān)。單件或小批量消費時，選用棒料、板材、型材或焊件。運用于大批量消費。用型材焊接鍛造鑄造沖壓2)構(gòu)造簡單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單外表及其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；3)合理的制造精度和外表粗糙度零件的加工本錢隨精度的提高和外表粗糙度的降低而急劇添加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足運用要求的前提下，盡量采用較低的精度和外表質(zhì)量。▲盡量采用規(guī)范件；▲添加一樣外形、一樣元素〔直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等〕的數(shù)量；4)盡量減小零件的加工量▲毛坯外形和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的外形和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約資料、降低本錢?！M量采用精細(xì)鑄造、精細(xì)鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進(jìn)工藝滿足上述要求。欲設(shè)計出工藝性良好的零件，設(shè)計者必需謙虛向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實際中積累閱歷。二、規(guī)范化內(nèi)容：1)產(chǎn)品種類規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、根本構(gòu)造等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格種類滿足用戶的廣泛要求。定義：規(guī)范化是在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會實際中，對反復(fù)事務(wù)和概念，經(jīng)過制定、發(fā)布和實施規(guī)范，以獲得最正確次序和效益。2)零部件的通用化將用途、構(gòu)造相近的零部件〔如軸承、螺栓等〕，經(jīng)過一致后實現(xiàn)互換；3)產(chǎn)質(zhì)量量規(guī)范化要保證產(chǎn)質(zhì)量量合格和穩(wěn)定，就必需做好設(shè)計、加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環(huán)節(jié)的規(guī)范化。根本特征：一致、簡化。意義：1)制造上可以實現(xiàn)專業(yè)化大批量消費，既可提高產(chǎn)質(zhì)量量，又能降低本錢；2)設(shè)計方面可減少設(shè)計任務(wù)量；3)管理維修方面可減少庫存量，便于改換損壞的零件。規(guī)范化是組織社會化大消費的重要手段，是實施科學(xué)管理的根底，也是對產(chǎn)品設(shè)計的根本要求之一。經(jīng)過規(guī)范化的實施，以獲得最正確的社會經(jīng)濟(jì)效果。規(guī)范層次：國際規(guī)范、國家規(guī)范、行業(yè)規(guī)范、企業(yè)規(guī)范。引薦性規(guī)范〔GB/T〕----鼓勵企業(yè)自愿采用。規(guī)范性質(zhì)強迫規(guī)范〔GB〕----必需強迫執(zhí)行；作為設(shè)計人員，要求必需熟習(xí)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，學(xué)會查詢和運用規(guī)范資料。無論設(shè)計何種產(chǎn)品，必需遵照相關(guān)規(guī)范。優(yōu)先數(shù)系數(shù)優(yōu)先數(shù)系是國際上一致的數(shù)值分級制度，是一種無量綱的分級系數(shù)，適用于各種量值的分級。在確定產(chǎn)品的參數(shù)或參數(shù)系列時，應(yīng)該最大限制采用。