第九章机械零件设计概论

第九章机械零件设计概论0－1机械零件设计概述机械设计应满足的要求:性能好、效率高、安全可靠、操作方便等。机械零件的失效:因某种原因不能正常工作时；机械零件的工作能力（承载能力）:在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度;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主要失效原因:强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等方面的问题；强度条件：计算应力许用应力；刚度条件：变形量许用变形量防止失效的判定条件计算量许用量工作能力计算准则机械零件的设计步骤: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5)绘制工作图并标注必要的技术条件计算方法:校核计算、设计计算第二节机械零件的强度基本概念名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷名义应力：按名义载荷计算所得之应力载荷系数K：考虑各种附加载荷因素的影响计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积计算应力按名义载荷计算所得之应力强度判定条件一、应力的种类静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:变应力的循环特性:-1，对称循环变应力0，脉动循环变应力otσσ=常数其中][][SSlimlim][][2minmaxm2minmaxamaxminr+1，静应力循环变应力循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力二、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：[σ]=σS/S脆性材料：取强度极限σB作为极限应力,许用应力为：[σ]=σB/S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)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；otσσmσaσaσminσmaxσminσaσaotσr=+1Tσmaxσminσaσaσmotσ3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。1、疲劳曲线应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线由图可知：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。当NN0时,试件将不会断裂。N0——循环基数，N0对应的应力称为：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。当NN0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：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。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：四、安全系数S↑，可能不安全典型机械的S可通过查表求得，无表可查时，按以下原则取：1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7N0NOσσ-1σ-1NNCNNmmN011mNNN011Sk11][Sk00][材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.5第三节机械零件的接触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，零件强度称为接触强度。齿轮、凸轮、滚动轴承等失效形式常表现为：疲劳点蚀后果：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。接触疲劳强度的判定条件为：第四节机械零件的耐磨性运动副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2）粘着磨损(胶合磨损)3）疲劳磨损(疲劳点蚀)4）腐蚀磨损实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:p≤[p]相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将pv值与许用的[pv]值进行比较。即:pv≤[pv]第五节机械制造常用材料及其选择一、金属材料常用金属材料铸铁：含碳量2%钢：含碳量≤2%铜合金1、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。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HHHHHSlim][],[而金属剥落出现小坑灰铸铁）、成本低廉磨损的主要类型：1）磨粒磨损2）粘着磨损(胶合磨损)3）疲劳磨损(疲劳点蚀)4）腐蚀磨损特点：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。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。3、铜合金种类青铜——含锡青铜、不含锡青铜黄铜——铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍轴承合金（巴氏合金）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：用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性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第六节公差与配合、表面粗糙度和优先系数一、公差与配合互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言，总是有误差。尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即允许的尺寸变动量。配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系配合类型间隙配合：孔轴，用于可动联接，如活动铰链过渡配合：可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；过盈配合：孔轴，用于静联接，如火车轮与轴最小间隙:Xmin=孔min-轴max最大间隙:Xmax=孔max-轴min最小过盈：Ymin=孔max-轴min最大过盈:Ymax=孔min-轴max间隙配合过盈配合过渡配合配合基准制基孔制配合基轴制配合基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0，代号为:H，通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带XmaxXminXmaxXmin=0孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带YmaxYmaxYmin=0Ymin孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带YmaxXmaxYmaxXmaxYmax轴公差带XmaxH零线D孔公差kjshgefrpms间隙配合过渡配合过盈配合基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0，代号为:h，通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。二、表面粗糙度定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数：轮廓算术平均偏差¡ª¡ª取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：第七节机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使用要求——具备所要求的工作能力；制造要求——制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。零线hD轴公差KJSHGEFRPMS间隙配合过渡配合过盈配合dxylRla01轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰高yp轮廓谷深yv中线lyx工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理2)结构简单合理3)合理的制造精度和表面粗糙度4)尽量减小零件的加工量二、标准化定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。内容：1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。制备方法单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。应用于大批量生产。用型材焊接锻造铸造