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6.1机械零件的工作能力准则设计机器时，必须满足技术条件所规定的各项要求。对机器的要求首先是：机器的全部功能；预定的使用寿命；制造和运转成本；重量与尺寸指标等；此外还应考虑机器运输的可能性、操作方便、外形美观等要求。6.1机械零件的工作能力准则对机械零件的主要要求是：要有足够的强度和刚度、有一定的耐磨性、无强烈振动及具有耐热性。若上述某些要求不满足，机器就不能正常工作。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。零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则，常用的计算准则有强度、刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响以及振动稳定性、可靠性等方面的问题。所以将以上要求视为衡量机械零件工作能力的准则。6.1机械零件的工作能力准则6.1机械零件的工作能力准则机械零件的设计步骤拟定计算模型简图；确定作用在零件上载荷的大小；选择合适的材料；确定零件尺寸，并标准化；绘制零件工作图。各种计算准则的介绍1强度指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的能力。是机械零件工作能力的最基本准则，常用判断危险截面处的最大应力（、）是否小于或等于许用应力（、）。强度条件表达式为或][][各种计算准则的介绍2刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的大小常用产生单位弹性变形所需的外力或外力矩来表示。刚度的反义词是柔度，柔度的大小常用单位外力或外力矩所产生的弹性变形来表示。有些零件需有一定的刚度，即其变形不能超过容许的限度，如轴弯曲刚度不足时，轴颈将在轴承中倾斜而使两者接触不良；有些零件需有一定的柔度，如弹簧一类的弹性零件。各种计算准则的介绍刚度会影响零件的自振频率。刚度大自振频率高，刚度小自振频率低。按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大，满足刚度要求的零件往往也满足强度要求。各种计算准则的介绍3耐磨性指在载荷作用下两零件做相对运动其接触界面的抗磨损能力。零件磨损后会改变结构形状和尺寸，使机器的精度降低、效率下降、强度减弱。影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的性质等，但又不能准确估计出来，因此按磨损计算零件的方法只能是条件性的，不能十分精确。4振动稳定性振动稳定性是指机器在工作时不能发生振幅超过容许值的振动现象。零件发生周期弹性变形的现象称为振动。机器工作速度的提高和结构重量的减轻，易使机器出现振动问题，影响工作质量。当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或接近时，就要发生共振，这时振幅急剧增大，此现象称为失稳，即丧失振动稳定性。各种计算准则的介绍5耐热性在高温下工作的零件需要进行蠕变计算。蠕变是在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象。在设计摩擦副时，需进行热平衡计算，以判断单位时间内的摩擦发热量和散热量达到平衡时，零件的工作温度t是否超过许用值[t]。各种计算准则的介绍6.2机械制造中常用材料及其选择一、机械常用材料：铁碳合金（钢和铸铁）、有色合金、非金属材料和各种复合材料。钢是机械制造中最常用的材料。二、钢的热处理：将钢在固态下加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后用一定的速度冷却，来改变金属及合金的内部结构，以期改变金属及合金的物理、化学和力学性能的方法。用热处理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。1.退火：将钢加热到一定温度（45钢830～860℃），保温一段时间，随炉缓冷。退火可消除内应力，降低硬度。2.正火：与退火相似，只是保温后在空气中冷却。正火后钢的硬度和强度有所提高。低碳钢一般采用正火代替退火。3.淬火：将钢加热到一定温度（45钢840～850℃），保温一段时间，而后急速冷却（水冷或油冷）。淬火后钢的硬度急剧增加，但脆性也增加。4.回火将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然后空冷。回火可减小淬火引起的内应力和脆性，但仍保持高的硬度和强度。根据加热温度不同分低温回火、中温回火、高温回火。淬火后高温回火称调质。5.表面热处理表面淬火：将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。化学热处理：将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮、铬等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。据渗入元素不同有渗碳、氮化、氰化。•几种普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢的力学性能见表6－1～6－3。•几种常用的铸钢和铸铁的性能见表6－4。•几种青铜（有色金属）的力学性能见表6－5。三、选择材料应满足的要求：1.使用方面的要求；2.工艺方面的要求；3.经济方面的要求。1、满足零件的使用要求机械零件的使用要求主要有以下几点：（1）零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特点、强度、及刚度等方面考虑；（2）零件的工作条件（运动速度等）及工作环境（温度、潮湿、腐蚀等）；（3）耐磨性、寿命、可靠性等要求；（4）零件尺寸和质量的要求。1、满足零件的使用要求设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综合考虑其他因素，合理地选择材料。如零件受力较大且有较大的冲击载荷，工作速度较高、可靠性要高，而且要求零件的尺寸较小、重量较轻，应采用高强度合金钢制造，并要进行热处理及精加工。2、满足零件的工艺性要求在熟悉材料工艺性的前提下，根据零件的结构复杂程度、尺寸大小、生产批量的大小、毛坯制造及机械加工的特点，分析比较，合理选择机械零件的材料。对于结构复杂、尺寸大的零件，因难以锻造，宜采用铸造或焊接，所选的材料必须具有良好的铸造工艺性（液态流动性、收缩率、偏析及缩孔等），或焊接工艺性（可焊性、焊缝裂纹的倾向性等），同时零件的结构要适应铸造或焊接的要求。需要锻造的零件必须考虑材料的延展性、热脆性等。2、满足零件的工艺性要求铸造、模锻、冲压等适用于零件的大批量生产，焊接、自由锻使用于单件或小批量生产。对于需切削加工的零件要考虑材料的宜切削性能及已切削表面的粗糙度等。热处理对改善材料的机械性能有很大的作用，必须根据零件的使用要求、尺寸大小、结构复杂程度及工艺要求，合理选择材料及热处理工艺。3、满足经济性要求材料的经济性主要从以下几个方面考虑：（1）材料的相对价格：同样能满足使用要求的前提下，应采用价格相对低的材料；（2）考虑不同材料的加工（毛坯制造、机械加工及热处理等）成本；（3）采用局部品质的原则，如蜗轮的齿圈用铜合金，轮芯采用铸铁或碳钢；（4）材料的利用率，如采用无切削或少切削的材料及工艺；（5）考虑材料的供应状况及储运成本。6.3许用应力和安全系数•应力按随时间变化的特性分静应力和变应力。(载荷？)1.变应力为应力随时间变化的，分脉动循环变应力、对称循环变应力、任意非对称循环变应力。2.应力恒定，不随时间变化或变化很小的应力称为静应力；应力随时间变化图见P15选择许用应力的方法：1.查许用应力表法：2.部分系数法：S1：考虑计算载荷及应力准确性的系数，一般S1＝1～1.5S2：考虑力学性能均匀性系数，S2＝1.2～2.5S3：考虑零件重要程度的系数，一般S3＝1～1.5321ssss•静应力下：1.塑性材料的屈服极限σs作为极限应力，即：2.脆性材料的抗拉强度σb作为极限应力，即：•变应力下：1.零件疲劳断裂是主要的破坏形式，疲劳断裂与应力大小和应力循环次数有关。2.材料经过N次应力循环后，不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σr。sssB3.表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线称为疲劳曲线（σ－N曲线）。如P17图1-20，当循环次数N超过某一数值N0以后，曲线趋向水平，即σ不再随N的增加而降低，NN0的区域称无限寿命区，NN0的区域称有限寿命区，N0称为循环基数。对应与N0的疲劳极限为σr，在对称循环变应力下σr=σ-1，在脉动循环变应力下σs=σ0。（r为应力循环特性系数）maxminr•考虑到零件的截面突变、绝对尺寸及表面状态对疲劳极限的影响，在变应力下加入影响系数1.应力对称循环变化时2.应力脉动循环变化时εσ为尺寸系数；βσ为表面状态系数；kσ为应力集中系数sk00sk116.4机械零件的工艺性和标准化从零件的工艺性出发，对零件结构提出三个基本要求：•选择合理的毛坯种类；•零件的结构简单合理，便于切削加工、便于装拆和维修；•规定合理的制造精度和表面粗糙度。6.4.1机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下，能用生产率高、劳动量小、材料消耗少和成本低的方法制造出来。凡符合上述要求的零件结构被认为具有良好的工艺性。机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。设计时，必须使结构在各个生产环节都具有良好的工艺性。1.零件的结构工艺性与生产条件和批量有着密切的联系。单件和小批生产的零件，应利用现有生产条件制造，例如大尺寸的齿轮毛坯，在一般设备条件下锻造较困难，就应采用铸件或焊接件；当缺少磨齿设备时，就不能用变形大的热处理工艺等。成批和大量生产的零件，可采用专门设备、数控加工中心和自动线生产，这种条件应考虑用无切削或少切削成形工艺；采用组装结构等。2.零件的结构应与毛坯种类相适应设计铸件时，应考虑到铸件的最小壁厚需满足液态金属的流动性要求(对砂型铸造，通常灰铸铁件壁厚δ≥6mm，铸钢件壁厚δ≥8mm)；铸件各部分的壁厚应均匀，要避免局部材料集聚，产生缩孔；铸件不同壁厚的联接处，应采用过渡结构（如图1-4(a)所示），各个面的交接处不应有锐角；垂直分型面的表面应有铸造斜度，以便于造型和起模（如图1-4(b)所示）；尽量减少加工面等。2.零件的结构应与毛坯种类相适应对于品种繁多的单件、小批量生产，在设计锻件时，要考虑在自由锻造时使用简单通用锻模进行操作。因此，自由锻件结构的复杂程度受到很大限制，例如锥面、斜面和其他复杂剖面、非直线的交接结构、加强肋和凸台等应尽量避免，而采用简单、平直的形状。模锻对零件结构形状的限制有所减少，但零件的结构形状也应力求简单，避免剖面尺寸变化过大、薄壁、深槽和高肋等形状，应有一定的模锻斜度和圆角，以便造型和起模。图1-4铸件过渡结构和铸造斜度3.零件的结构应便于切削加工零件的切削加工工艺对零件结构设计影响很大，因此应考虑零件的结构要能够加工。图1-5(a)车；(b)磨；(c)刨例如车、刨、磨加工应留有退刀槽或砂轮越程槽(如图1-5)等；图1-6加工所需空间(a)不正确；(b)正确零件的结构要便于加工，例如保证采用一般刀具加工时所需的工作空间(如图1-6)图1-7(a)不正确；(b)允许；(c)正确零件的结构要便于加工，例如保证采用一般刀具加工时所需的定位支承面（如图1-7）图1-8减少刀具调整次数(a)改进前；(b)改进后减少刀具及量具的种类，减少刀具调整次数(如图1-8)等；图1-9减少加工面积(a)改进前；(b)改进后合理地减少加工量及加工面积，例如留有凸台或鱼眼坑结构（如图1-9）等。同时，要合理选择制造精度和表面粗糙度。4.零件的结构应便于装配、拆卸，并尽可能减少装配工作量。主要应考虑：(1)能装能拆。例如为螺钉留出装入的空间(如图1-10)和合理的扳手工作空间(如图1-11)；对圆柱面过盈配合零件增设拆卸螺钉(如图1-12)；采用便于装配的结构(如图1-13)图1-10留出装入螺钉空间(a)不正确；(b)正确图1-11留出扳手工作空间(a)不正确；(b)正确图1-12增设拆卸螺钉(a)改进前；(b)改进后图1-13便于装配的结构(a)不正确；(b)正确(2)保证正确地安装。例如要有正确的装配定位基准(如图1-14)；要求零件的端面同时贴合(如图1-15)；采用不易导致安装错误的结构等。图1-14有定位基准(a)改进前；(b)改进后图1-15端面同时贴合(a)不正确；(b)正确图1-16避免安装错误(a)改进前；(b)改进后(3)力求降低装配精度要求。例如圆柱齿轮传动