第九章机械零件设计概论

第九章机械零件设计概论9.1机械设计的基本要求和一般设计程序9.2机械零件的主要失效形式和工作能力9.3机械零件的设计准则和一般设计步骤9.4机械零件的材料及选择9.5摩擦、磨损与润滑9.6机械零件的结构工艺性及标准化9.1机械设计的基本要求和一般设计程序9.1.1机械设计的基本要求9.2.2机械设计的一般设计程序机械设计应满足的基本要求：①功能要求②可靠性与安全性要求③经济性要求④社会性要求⑤其它特殊要求。在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。产品规划概念设计构形设计编制技术文件技术审定和产品鉴定9.2机械零件的主要失效形式和工作能力零件的失效形式:①断裂;②过大的弹性变形或塑性变形;③工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）；④发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。失效并不简单地等同于零件的破坏。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为9.2.1机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：计算应力许用应力；防止失效的判定条件是：计算量许用量----工作能力计算准则。失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。刚度条件：变形量许用变形量；一、基本概念1.载荷（load）作用在零件上的外力公称载荷（nominalload）按理论力学方法计算出来的载荷用Fn、Mn、Tn表示计算载荷（calculatedload）考虑动力参数、工作阻力的变动而计算出的载荷用Fca、Mca、Tca表示K—载荷系数（工况系数）ncaKFF2.应力（stress）工作应力（workingstress）按材料力学公式求出的作用在零件剖面上的应力计算应力（calculatedstress）按一定的强度理论求出的与单向拉伸同等作用的应力表示用caσ许用应力（allowablestress）材料某个机械性能极限值计算应力允许达到的最大值极限应力（ultimatestress）用表示limσ表示用][σ][limS3.安全系数（safetyfactor）安全系数极限应力与许用应力的比值安全系数计算值cacaSlim极限应力与计算应力的比值引入安全系数的原因：①应力计算时的载荷不精确性；②力学模型与实际状况的差异；③材料机械性能的不均匀性；④零件使用场合的重要性。≥S一、应力的种类otσσ=常数脉动循环变应力r=0静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化2σσσminmaxm+=平均应力:2σσσminmaxa-=应力幅:循环变应力变应力的循环特性:maxminσσr=对称循环变应力r=-1----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例9.2.2材料的疲劳特性-1≤r≤+1例1已知：max=200N/mm2，r=－0.5，求：min、a、m。解：1002005.0maxminr5021002002minmaxm15021002002minmaxaa0tmaxmmin20050-100a10注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生t0σa静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料，取屈服极限σS作为极限应力,许用应力为：脆性材料：取强度极限σB作为极限应力,许用应力为：Sσ]σ[s=Sσ]σ[B=变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。▲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;▲疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;▲疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不管脆性材料或塑性材料，▲零件表层产生微小裂纹；疲劳断裂过程：▲随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；▲当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。疲劳断裂具有以下特征：▲断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。表面光滑表面粗糙1、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当NN0时,试件将不会断裂。N0----循环基数N0对应的应力称为：CNσNσ0m1mN1==--当NN0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。m01N1NNσσ--=2、许用应力在变应力，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晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。Skβσε]σ[σ1σ1-=当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：Skβσε]σ[σ0σ0=σ0为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，m0σ1σ1NNSkβσε]σ[-=有限寿命时，用σ-1N代入得：3、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹接触应力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层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、凸轮、滚动轴承等。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(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，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，这种现象称为渡劳点蚀。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。裂纹的扩展与断裂油失效形式常表现为：疲劳点蚀金属剥落出现小坑后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1(212bEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+”用于外接触，“-”用于内接触。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFn222121211111EEbFnHbEFnH)1(212bEFn418.0bEFnH418.0σH-------最大接触应力或赫兹应力;212121212EEEEEb-------接触长度;Fn-------作用在圆柱体上的载荷;-----综合曲率半径;-----综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：HHHHHSlim][],[而bFn9.3机械零件的设计准则和一般设计步骤9.3.1零件的设计计算准则强度准则其中]τ[τ]σ[σ≤≤==Sτ]τ[Sσ]σ[limlim刚度准则耐磨性准则≤≤];θ[θ];y[y]ρ[ρ≤抗振稳定性准则pff85.0或耐热性准则可靠性准则1.15ffp(1)确定零件的计算简图。(2)根据机器的工作要求和简化的计算方案确定作用在零件上的载荷。(3)根据零件工作情况的分析，选择合适的材料。(4)分析零件的可能失效形式，选定相应的设计准则进行有关计算，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的采用值，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)绘制零件工作图，制订技术要求，编写计算说明书及有关技术文件。2.3.2一般设计步骤9.4机械零件材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。一、金属材料1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金----含碳量2%----含碳量≤2%铁碳合金特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表2-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分我国资源丰富3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。2.塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。表9-2常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200▲载荷及应力的大小和性质▲零件的工作情况▲零件的结构及加工性▲材料的经济性▲零件的尺寸及重量三、机械零件材料的选用原则适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中