机械零件设计概论

第9章机械零件设计概论9.1机械零件设计概述机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。通常此限度对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。零件的失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。设计机械零件时，常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。机械零件的设计常按下列步骤进行：1)拟定零件的计算简图。2)确定作用在零件上的载荷。3)选择合适的材料。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。应当注意，零件尺寸的计算值一·般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。5)绘制工作图并标注必要的技术条件。以上所述为设计计算。在实际工作中，也常采用相反的方式─—校核计算，这时先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。还应注意，在一般机器中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。9.2机械零件的强度在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数K（有时只考虑工作情况的影响，则用工作情况系数KA）的办法来估计这些因素的影响。载荷系数与名义载荷的的乘积，称为计算载荷。按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力，按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。当机械零件按强度条件判定时，比较危险截面处的计算应力（σ、τ）是否小于零件材料的许用应力([σ]、[τ])。即SSlimlim，而，而(9-1)材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的。对于在简单应力状态下工作的零件，可直接按式(9—1)进行计算；对于在复杂应力状态下的零件，则应根据材料力学中所述的强度理论确定其强度条件。许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。9.2.1应力的种类按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力，称为静应力图（9-1a），纯粹的静应力是没有的，但如变化缓慢，就可看作是静应力。例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。随时间变化的应力，称为变应力。具有周期性的变应力称为循环变应力，图9-1b所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。从图b可知平均应力2minmaxm(9-2)应力幅2minmaxa应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中的应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用r表示，即maxminr。当σmax＝—σmin时，循环特性r＝-l，称为对称循环变应力（图c），其σa=σmax＝-σmin，σm=0。当σmax≠0、σmin=0时，循环特性r＝0，称为脉动循环变应力（图d），其σa=σmax＝1/2σmax。静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin，循环特性r=+1。图9-1应力的种类9.2.2静应力下的许用应力静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力，故许用应力为Ss(9-3)对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为SB（9-4）对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢．还应考虑应力集中的影响．灰铸铁虽属脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在，其内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响，故计算时不考虑应力集中。表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。9.2.3变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳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，它的初期现象是在零开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。1．疲劳曲线由材料力学可知，表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某—数值N0以后，曲线趋向水平，即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂（图9-3）。N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。通常用1表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。疲劳曲线的左半部N〈N0），可近似地用下列方程式表示：cNNmmN011（9-5）式中：N1为对应于循环次数N的疲劳极限；C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数，例如弯曲时m=9。从式（9-5）可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限mNNN011（9-6）２．许用应力变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响，为此引入有效应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数β等。当应力是对称变化时，许用应力为Sk11（9-7）当应力是脉动循环变化时，许用应力为Sk00（9-8）式中：S为安全系数；σ0为材料的脉动循环疲劳极限；k、及β的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”下零件的许用应力。若零件在整个使用期限内，其循环总次数N小于循环基数N0时，可根据式（9-6）求得对应于N的疲劳极限N1。代入式（9-7）后，可得“有限寿命”下零件的许用应力。由于N1大于1，故采用N1可得到较大的许用应力，从而减小零件的体积和重量。9.2.4安全系数当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：(1)静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2～1.5；对于塑性较差的材料(如Bs＞0.6)或铸钢件可取S=1.5～2.5。(2)静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可取S=3～4。(3)变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S＝1.3～1.7；若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=1.7～2.59.3机械零件的接触强度通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称整体强度(如§9-2所述)。若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表面产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如齿轮，滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展)，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑（图9-7）。这种现象称为疲劳电蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效2形式。由弹性力学的分析可知，当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时（图9-8），其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为222121211111EEbFnH（9-9）令11121及EEE121121，对于钢或铸铁取泊松比μ1=μ2=μ=0.3，则上式可化简为bEFbEFnnH418.01212（9-10）接触疲劳强度的判定条件为HH，而HHHSlim（9-11）图9-7疲劳点蚀式中limH为实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其经验公式为MPaHBSH70762lim、若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。9.4机械零件的耐磨性运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损，磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。零件抗磨损的能力称为耐磨性。除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触，否则磨损总是难以避免的。但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停车检修、更换零件。据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。可见研究零件耐磨性具有重要意义。磨损现象是相当复杂的，有物理、化学和机械等方面原因。下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。1．磨粒磨损硬质颗粒或磨檫表面上硬的凸峰，在磨檫过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。2．粘着磨损(胶合)加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动这种现象称为粘着磨损（胶合）。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，时摩擦表面能相互咬死。3.疲劳磨损（点蚀）在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮，齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。4.腐蚀磨损在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。实用耐磨计算是限制运动副的压强P，即：PP（9-12）式中[P]是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间接触面积的发热量fpv。在摩檫系数一定的情况下，可将pv值与许用pv值进行比较，即PvPv（9-13）9.5机械制造常用材料及其选择9.5.1金属材料1．铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。2．钢与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。按照用途，钢可分为结构钢，工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢(如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)用于制造在特殊环境下工作的零件。按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低．为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。（1）碳素结构钢这类钢的含碳量一般不超过0.7%。含碳量低于0.25%的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在0．1％～0．2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。含碳量在0．3％～0．5%的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓，螺母、键，齿轮和轴等零件。含碳量在0.55%～0.7%的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作