第9章机械零件设计概论new

武汉科技学院专用第9章机械零件设计概论§9－1机械零件设计概论§9－2机械零件的强度§9－3机械零件的接触强度§9－4机械零件的耐磨性§9－5机械制造常用材料及其选择§9－6公差与配合、表面粗糙度和优先数系§9－7机械零件的工艺性及标准化武汉科技学院专用§9－1机械零件设计概论机械设计应满足的要求：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。机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。零件的失效形式: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。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武汉科技学院专用对于各种不同的失效形式，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；防止失效的而制定的判定条件是：计算量许用量----工作能力计算准则。机械零件设计计算的步骤：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;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谁、规格加以圆整5)绘制工作图并标注必要的技术条件。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；校核计算:根据实物和经验数据初步拟定零件结构和尺寸，再用相关的判定条件进行判定武汉科技学院专用载荷系数K---考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷---在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。§9－2机械零件的强度计算载荷---载荷系数与名义载荷的乘积。名义应力---按名义载荷计算所得应力。计算应力---按名义载荷计算所得应力：许用应力法：[][][σ]=、[τ]-----许用应力S---安全系数；[S]---许用安全系数σlim、τlim-----极限应力，由实验方法测定。SSlimlim][][然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入当机械零件按强度条件判定时，可采用许用应力法或者安全系数法：安全系数法：limlim[][]SSSS武汉科技学院专用§9－2机械零件的强度简单应力状态下的极限应力可以后实验方法测得；对于复杂应力状态下工作的零件，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。武汉科技学院专用一、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化2minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力：周期性的变应力。otσ变应力的循环特性:maxminrσmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例武汉科技学院专用二、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：Ss][SB][对于静应力下的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；对于内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响的脆性材料，计算时不考虑应力集中。退火：将钢加热到一定温度，并保温到一定时间后，随炉缓慢冷却的热处理方法。主要用来消除内应力、降低硬度，便于切削。正火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，空冷或风冷的热处理方法。可消除内应力，降低硬度，便于切削加工；对一般零件，也可作为最终热处理，提高材料的机械性能。武汉科技学院专用二、静应力下的许用应力淬火：将钢加热到一定温度，保温一定时间后，浸入到淬火介质中快速冷却的热处理方法。可提高材料的硬度和耐磨性，但存在很大的内应力，脆性也相应增加。淬火后一般需回火。淬火还可提高其抗腐蚀性。调质：淬火后加高温回火的热处理方法。可获得强度、硬度、塑性、韧性等均较好的综合力学性能，广泛应用于较为重要的零件设计中。表面淬火：迅速将零件表面加热到淬火温度后立即喷水冷却，使工件表层淬火的热处理方法。主要用于中碳钢或中碳合金钢，以提高表层硬度和耐磨性，同时疲劳强度和冲击韧性都有所提高。渗碳淬火：将工件放入渗碳介质中加热，并保温一定时间，使介质中的碳渗入到钢件中的热处理方法。适合于低碳钢或低碳合金钢，可提高表层硬度和耐磨性，而仍保留芯部的韧性和高塑性。回火：将淬火得到的马氏体的钢加热到不超过临界温度进行保温，而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。回火可以降低脆性，消除或减少内应力。武汉科技学院专用三、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)无论是脆性材料还是塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。武汉科技学院专用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----应力循环基数N0对应的应力称为：CNNmmN011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。mNNN011m随应力状态而不同的幂指数武汉科技学院专用2、影响机械零件疲劳强度的主要因素：应力集中；零件尺寸；表面状况；环境介质；加载顺序及其频率等。（1）应力集中的影响：常用有效应力集中系数表示疲劳强度降低的程度。有效应力集中系数为：材料、尺寸和受载荷情况都相同的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值。11/()kkσ-1和（σ-1）k分别为无（有）应力集中试样的疲劳极限。k（2）绝对尺寸的影响：零件尺寸越大，则其疲劳极限越低。其原因是尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷概率大，截面绝对尺寸对疲劳极限的影响可以定义为：直径为d的试样的疲劳极限于直径为d0=6-10mm试样疲劳极限的比值。110()/()dd武汉科技学院专用2、影响机械零件疲劳强度的主要因素：应力集中；零件尺寸；表面状况；环境介质；加载顺序及其频率等。（3）零件的表面应力状态包括表面粗糙度和表面处理的情况。零件表面光滑或经过各种强化处理（如喷丸、表面热处理或表面化学处理等),可以提高零件的疲劳强度。表面状态对疲劳极限的影响可用表面状态系数表示。表面状态系数定义为：试样在某种表面状态下的疲劳极限（σ-1）β和精抛光试样疲劳极限（σ-1）β0的比值。110()/()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。3、变应力下的许用应力武汉科技学院专用3、变应力下的许用应力Sk11][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：Sk00][σ0为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上系数均可机械设计手册中查得。以上公式为“无限寿命”下零件的许用应力。mNNSk011][有限寿命时，循环总次数N小于循环基数N0用σ-1N代入得：mNNN011武汉科技学院专用四、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武汉科技学院专用§9－3机械零件的接触强度通常，零件受载时在较大体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为整体强度。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，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此他们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于接触表面的接触强度。。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(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。失效形式常表现为：疲劳点蚀武汉科技学院专用§9－3机械零件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(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，这种现象称为疲劳点蚀。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，并引起振动和噪声。接触强度的失效形式常表现为：疲劳点蚀初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂油金属剥落出现小坑武汉科技学院专用由弹性力学可知，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武汉科技学院专用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bFn武汉科技学院专用§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形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损↑→间隙↑、精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、噪音↑据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。磨损的主要类型：1）磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦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(胶合磨损)：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，