第六章-机械零件设计和计算概论

第六章机械零件设计和计算概论本章主要介绍机械零件的工作能力准则，机械零件常用材料及其选择，零件许用应力和安全系数。第1页§6-1机械零件的工作能力准则§6-2机械制造中常用材料及其选择§6-3许用应力和安全系数第2页§6-4机械零件的工艺性和标准化一、机械设计的基本要求1、对机械设计的要求a)对机器使用功能方面的要求。b)对机器经济性的要求。2、对机械零件设计的基本要求a)有足够的强度和刚度，有一定的耐磨性，无强烈的振动，具有耐热性。b)要尽量降低零件的生产、制造成本。§6-1机械零件的工作能力准则第3页1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷2）选择零件的基本类型与结构。3）选择零件的材料。4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整。5）零件的结构设计。6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。二、机械零件设计的一般步骤.KPPca第4页三、机械零件的失效形式失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能。失效形式——强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、精度失效、噪声失效、可靠性失效。四、机械零件的计算准则工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度。计算准则——以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则。第5页1、强度准则计算安全系数极限应力计算安全系数极限应力tSSlimlim][][强度——零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。S——安全系数：考虑到载荷、机械性能均匀性、零件重要程度而选取的系数，S≥1。第6页2、刚度准则刚度——零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。][yyy——可以是挠度、偏转角或扭转角。3、耐磨性准则磨损性——作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。pvpvpp][第7页典型的磨损过程：磨合磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段IIIIIIqt时间t磨损量qO1、磨合磨损过程2、稳定磨损阶段3、急剧磨损阶段磨料磨损胶合磨损疲劳点蚀第8页5、耐热性准则tt4、振动和噪声准则f151ff850fpp.,.机器工作时不能发生超过容许的振动现象。温度升高零件承载能力降低。引起热变形及附加热应力，蠕变。破坏正常的润滑条件，改变联接零件间的间隙，降低机器的精度。第9页返回节目录§6-2机械制造中常用材料及其选择一、机械零件的常用材料1、黑色金属碳钢与合金钢——应用最广泛。铸铁——脆性材料，只适用于铸造零件，可铸造成形状复杂的零件。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差。第10页钢制零件常用的热处理方法：１、退火２、正火加热到临界温度，保温，随炉温冷却。消除内应力，改善切削性能。静止空气中冷却，提高硬度及刚度，部分消除内应力。３、淬火急速冷却（水冷或油冷），大大提高了硬度，产生很大的内应力。４、回火淬火钢重新加热到临界温度以下，保温，静止空气中冷却，消除内应力，保持高硬度。第11页低温回火150－250——刀具，量具滚动轴承中温回火300－450——弹簧高温回火450－650（调质）——齿轮，轴，重要螺栓5、表面热处理1）表面淬火火焰加热、感应电流加热。常用于：齿轮、中轴、曲轴。2）化学热处理渗碳、氮化、氰化第12页2、有色金属1)铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好2)铜合金——黄铜：Cu与Zn合金青铜：Cu与Sn的合金无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金3、非金属材料橡胶——弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件。塑料——轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体。陶瓷——电热性好，硬度高。4、复合材料第13页二、机械零件材料选用的原则1、使用要求2、工艺要求3、经济性要求第14页返回节目录§6-3许用应力和安全系数不随时间变化或变化缓慢的应力。1、静应力——一、应力的分类2、变应力——随时间变化的应力。循环变应力——具有周期性的变应力。1)基本参数:2mminmax2aminmax平均应力:应力幅:ammaxammin最大应力:最小应力:ammaxamminammaxammin第15页2）变应力种类：表示变应力中应力变化的情况。应力循环特性:maxmin11-1γ+1——不对称循环变应力γ=0——脉动循环变应力γ=+1——静应力γ=–1——对称循环变应力第16页稳定循环变应力——T、σm、σa均不变第17页二、选择许用应力的方法许用应力——设计零件时所依据的条件应力。1、查许用应力表法2、部分系数法321SSSS安全系数：S1——考虑计算载荷及应力准确性的系数取1～1.5S2——考虑材料机械性能均匀性的系数S3——考虑零件重要程度的系数取1～1.5Slim第18页SSSB静应力下塑性材料失效形式——塑性变形静应力下脆性材料失效形式——断裂变应力作用下机械零件的失效形式——疲劳断裂第19页疲劳破坏特征：1）断裂过程：①产生初始裂纹。（应力较大处）②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳断裂。2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）②粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。疲劳破坏的机理：损伤的累积。第20页第21页塑性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌材料疲劳破坏断口形貌光滑的疲劳发展区粗糙的脆性断裂区第22页)(——疲劳极限，材料经过N次应力循环后，不发生破坏的最大应力值。疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N。疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线。ONN0NN有限寿命区N无限寿命区N0—循环基数—持久极限第23页Sk11Sk00kσ——应力集中系数εσ——尺寸系数β——表面状态系数变应力下，取材料的疲劳极限为极限应力！γ=0脉动循环变应力下：γ=–1对称循环变应力下：第24页返回节目录§6-4机械零件的工艺性和标准化一、工艺性——零件的结构既能满足使用的要求，又便于加工，而且加工费用最少，那么这种结构就是符合工艺性的。1、选择合理的毛坯种类。2、零件的结构要简单合理。3、规定合理的制造精度和表面粗糙度。零件的工艺性要求：将零件的型式、规格、试验方法、质量鉴定及标号等标准化，在机械制造及设计中具有重大意义。第25页二、标准化标准化：指以制定标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的原则：统一、简化、协调、优化。标准化的意义：1、制造上专业化大量生产，提高产品质量，降低生产成本。2、减轻设计量。3、维修方面，便于更换坏零件。第26页第六章小结第27页零件的工作能力的基本准则?钢的常用热处理?应力循环特性γ定义及变应力的分类?变应力下零件的主要失效形式是什么？部分系数法的安全系数主要考虑哪几个方面？第六章结束返回节目录返回章目录