机械设计9章概论

前言机械零件设计概述机械零件的强度机械制造中常用材料及其选择公差与配合、表面粗糙度和优先数列机械零件的工艺性及标准化前言例:机构→齿轮机构(三个构件)齿轮1、齿轮2、机架3轴、轴承、套筒等→轴系零件构件←零件→制造的单元齿轮→传动件键→联接件12构件1←(小齿轮)3(一)机械零件的简介:最基本的通用零件研究对象→机构←构件→运动的单元分析处理问题的思路：∵（任务）设计零件→*受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理）↓*失效形式（*主要失效形式←分类）*计算准则（公式建立的依据）↓强度计算（*设计方法→先定主参数*←*许用应力↓←材料）结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准）↓∴(抓住)计算准则∴学习贯穿一条线：§9-1机械零件设计概述p.113(一)机械设计应满足的要求满足预期功能的前提下在预定使用期限内性能好、效率高、成本低安全可靠、操作方便、维修简单、造型完美§9-1机械零件设计概述p.113(二)设计机械零件应满足的要求*避免在预定寿命周期内失效－机械零件由于某种原因不能正常工作－在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度→既要工作可靠,又要成本低失效工作能力承载能力→对载荷而言(三)机械零件的主要失效形式及计算准则断裂或塑性变形；弹性变形过大；表面过度磨损或损伤；强烈振动；连接的松弛；摩擦传动的打滑失效原因→失效原因可能疲劳断裂+过大弹性变形轴为例→疲劳强度轴的刚度计算准则→(三)机械零件的主要失效形式及计算准则计算准则→┌强度准则├刚度准则├振动稳定性准则└其它准则→主要→介绍强度、刚度、耐磨性、稳定性、温度的影响失效形式→机械零件设计的步骤：1）拟定零件的计算简图根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸2）确定作用在零件上的载荷3）选择合适材料4）根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸5）根据零件的工艺要求和标准、规格加以圆整6）绘制工作图并标注必要的技术条件§9-2机械零件的强度名义载荷－载荷系数－计算载荷－名义应力－计算应力－1.基本定义:理想的平稳条件下作用在零件上的载荷p.112名义载荷与载荷系数的乘积p.112p.1122.强度条件判定:•许用应力法：比较危险截面处的计算应力σ是否小于零件材料的许用应力[σ]τlimσlimsτττsσσσ许用应力法或安全系数法•安全系数法：危险截面处的安全系数是否许用安全系数τlimσlimσSττSτSσσS循环变应力－随时间作周期性变化的应力一、应力及分类:*一个应力循环→构件中的应力由“最大值→最小值→最大值”的这一过程。(σmax－σmin)／2→应力幅σaσatσσm1.分类2.循环变应力的特征及典型的循环变应力*最大应力σmax*最小应力σmin静应力→不随时间变化变应力→不断随时间变化→平均值(平均应力σm)*变化规律→σmin／σmax=γ→应力循环特性→γ=－1→对称循环～图9-1.C当σmin＝0(或σmax＝0)当σmax＝σmin→γ＝＋1→静应力图a→γ=0→脉动循环～图d当σm＝0(σmax＝－σmin)tσtσtσtσ非对称～对称～γ=－1脉动～γ=0静～γ=+1失效形式：断裂或塑性变形塑性材料→应避免塑性变形二．静应力下的许用应力脆性材料→断裂σｓ－屈服极限σＢ－强度极限[σ]=σs/S[σ]=σB/S三．变应力作用下许用应力1.失效形式:2.疲劳断裂的特征1）疲劳断裂最大应力远低于静应力下材料的强度极限2）断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂3）疲劳断裂是损伤的积累→疲劳断裂（图9-2p.113)疲劳断裂是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，发生突然断裂→与应力循环次数（使用期限或寿命）密切相关。①疲劳曲线：应力与循环次数间的关系曲线当N≥N0:kN=1σ-1N=σ-1当N＜N0:1011NmNkNNσNN0NN0－循环基数CNmN1σ-1N：对应N的疲劳极限图9-3p.116σ↓→N↑σ－1:γ=－1的疲劳极限(N=N0)CNNmmN011kN：寿命系数②影响零件疲劳强度的主要因素:应力集中、尺寸、表面形状应力集中的影响：截面形状有突变，常用有效应力集中系数kσkσ=σ-1/(σ-1)k绝对尺寸的影响：尺寸↑→疲劳强度↓εσ=(σ-1)d/(σ-1)d0表面状态的影响：表面光滑或经过强化处理→疲劳强度↑β=(σ-1)β/(σ-1)β0③许用应力:在变应力下确定许用应力，应取材料的疲劳极限为极限应力，还考虑应力集中、尺寸和表面状态的影响Sk11Sk00对称循环变应力时脉动循环变应力时注意:以上为无限寿命条件下的许用应力。若使用期限内，循环次数N小于循环基数N0时，应取对应于N的疲劳极限。四．安全系数安全系数过大→结构笨重；否则，不安全安全系数没有专门表格，可参考的原则1）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力，可取1.2-1.5；对于塑性较差的材料或铸钢件可取1.5-2.5。2）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应选取较大安全系数。3）变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取1.3-1.7。4）也可用部分系数法来确定。例题•步骤：1）受力分析0BMFBy0cM0AMFBxFx,Fy2）主要失效形式及其判定条件例题（1）载荷的大小方向不变，轴内弯曲应力为对称循环变应力，循环特性-1。（2）A-A截面的弯曲应力弯矩：MA=FL，截面系数：W=πd3/32，弯曲应力σb=MA/W（3）求各项系数：有效应力集中系数、尺寸系数、表面状态系数（4）疲劳强度校核：max1kS例题§9-3机械零件的接触强度若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其表面产生很大的局部应力（称为接触应力），这时零件的强度称为接触强度）。表面强度不够，会发生表面损伤。EbFZbFEEEEbFEnn222122212121nH1)11(1)11()11(对于刚和铸铁u=0.3EbFn418.0H1221最大接触应力或赫兹应力接触长度综合曲率半径综合弹性模量接触疲劳强度的判定条件：HHlimHHS][][，且HMPaHBS7076.2Hlim钢的经验公式：例子•（1）求法向压紧力•（2）接触应力•（3）验算表面接触强度§9-4机械零件的耐磨性磨损：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象→改变尺寸和摩擦表面形状→运动副间隙↑，精度↓，效率↓，振动噪音↑p≤[p]磨损的主要类型：（1）磨粒磨损（2）粘着磨损（胶合）（3）疲劳磨损（点蚀）（4）腐蚀磨损实用耐磨计算：运动速度较高时，还应考虑单位时间接触面积的发热量pv≤[pv]§9-5机械制造中常用材料及其选择p.122一.金属材料1.铸铁:含Ｃ＞2％，易溶性、良好的液态流动性→铸造减震性、耐磨性、切削性好且成本低常见铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁2.钢:含Ｃ量＜2％，具有较高的强度、韧性和塑性，并可用热处理改善其性能按用途分：结构钢、工具钢和特殊钢按化学成分：碳素钢和合金钢；碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越高，钢的强度高，塑性越低常用材料：钢和铸铁、其次有色金属合金碳素结构钢:含Ｃ不超过0.70.25%的低碳钢，强度和屈服极限低，塑性高，适于冲压、焊接，螺钉、螺母、垫圈等0.3%C0.5%的中碳钢，综合力学性能较好，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴0.55%C0.7%的高碳钢，具有较高的强度和弹性，常用作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等合金结构钢:Ｃ钢中添加合金元素来改善钢的性能铸钢:液态流动性比铸铁差3.铜合金二.非金属材料：橡胶、塑料§9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列一.极限与配合：p.124→互换性公差：零件尺寸的两个极限尺寸之差上偏差下偏差基本尺寸：设计给定的尺寸，零线代表基本尺寸的位置公差带：代表上下偏差的两条直线所限定的区域同一基本尺寸的孔与轴的结合→┌间隙配合→孔＞轴│过渡配合→孔＜轴或孔＞轴└过盈配合→孔＜轴配合：Ø35H7/f7Ø35H7/r7Ø35H7/k7→静联接→动联接配合制度公差等级:轴(f7、k7、r7);孔(F7、H7、K7)(尺寸精度等级):1～20级，常用4～11级公差代号：轴→小写拉丁字母－f、k、r孔→大写－H、G、K→置于公差代号之后基孔制→孔的下偏差＝0配合制度:)0025.0(740H)025.00(740h→常用基孔制基轴制→轴的上偏差＝0→零件表面的微观几何形状误差→（评定）轮廓算术平均偏差(表面粗糙度Ｒａ)510101020104010→便于组织生产和降低成本ＧＢ321－80Ｒ5→公比;Ｒ10→公比=Ｒ20→公比=;Ｒ40→公比=p.126倒2二.表面粗糙度p.126手册P.175三.优先数列:p.126手册P.117§9-7机械零件的工艺性及标准化p.127一.工艺性:P127第6工艺性好→易加工、装配，费用低基本要求：(1)毛抷选择合理(2)结构简单合理(3)规定适当的制造精度和表面粗糙度§9-7机械零件的工艺性及标准化p.127二.标准化：两重含意:分类:使用强制性推荐使用：尽量选用标准件按有关标准设计机械零件国际ISO、国家GB、行业标、(JB、YB、QB)、地方标、企业标准制图、公差、形位、模数……标准直径手册P.117→必须执行：运用范围→