第6章机械零件设计和计算概论

第6章机械零件设计和计算概论6-1机械零件设计概述6-2机械零件的工作能力准则6-3许用应力和安全系数6-4常用材料及其选择6-5机械零件的工艺性和标准化基本要求:掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能机械设计基础——机械零件设计和计算概论6-1机械零件机械零件设计概述一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础——机械零件设计和计算概论一、机械零件分类机器：机械、机构的总称构件——运动的单元零件——制造的单元机械设计基础——机械零件设计和计算概论通用零件传动件：齿轮、蜗杆、带、链联接件：螺栓、键、花键支承件：轴、轴承机械零件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨其它：联轴器、弹簧、机架二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求机械设计基础——机械零件设计和计算概论三、机械零件设计过程零件设计时的共性：机械设计基础——机械零件设计和计算概论过程：1、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置3、选择材料4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数5、绘制零件工作图工作原理、结构、类型、应用场合受力分析、失效形式设计准则、设计计算四、机械零件传统设计方法理论设计(半经验设计)：机械设计基础——机械零件设计和计算概论类比设计：与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计强度条件(或刚度)设计计算尺寸校核计算强度条件(或刚度)6-2机械零件的工作能力准则一、机械零件常见失效形式二、工作能力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则机械设计基础——机械零件设计和计算概论一、机械零件常见失效形式失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等机械设计基础——机械零件设计和计算概论例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn二、工作能力准则工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力”如：吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN机械设计基础——机械零件设计和计算概论工作能力准则：衡量零件工作能力的指标对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则50kN三、强度准则机械零件工作能力的最基本准则强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度准则：工作应力≤许用应力σ≤[σ]或τ≤[τ]机械设计基础——机械零件设计和计算概论针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形典型零部件：轴、齿轮、带轮等Slim][正应力：Slim][剪应力：极限应力四、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：实际变形量≤许用变形量弯曲刚度：挠度条件：y≤[y]倾角条件：θ≤[θ]扭曲刚度：扭角条件：j≤[j]机械设计基础——机械零件设计和计算概论针对失效形式：过大的弹性变形典型零部件：轴、蜗杆等五、耐磨性准则耐磨性：零件抗磨损的能力磨损是相当复杂的物理化学过程影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损耐磨性准则：P机械设计基础——机械零件设计和计算概论针对失效形式：零件表面破坏典型零部件：齿轮、轴承、链等六、振动稳定性准则共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：0.85ffp或1.15ffp机械设计基础——机械零件设计和计算概论针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等七、耐热性准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值机械设计基础——机械零件设计和计算概论针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等6-3许用应力和安全系数一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数机械设计基础——机械零件设计和计算概论一、载荷载荷：作用于零件上的力或力矩工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷名义载荷：理想工作条件下的载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷=K×名义载荷机械设计基础——机械零件设计和计算概论载荷系数二、应力静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）机械设计基础——机械零件设计和计算概论稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力ttminmaxm应力参数以正应力为例最大应力:max=m+a最小应力:min应力幅:a机械设计基础——机械零件设计和计算概论平均应力:m循环特征:r2minmaxa2minmaxmmaxminr1~1rtminmaxm静应力应力表达：+1（+1）最大应力:max最小应力:min应力幅:a平均应力:m循环特征:r机械设计基础——机械零件设计和计算概论tm0amminmax1r脉动循环变应力应力表达：0（0）最大应力:max最小应力:min应力幅:a平均应力:m循环特征:r机械设计基础——机械零件设计和计算概论mt0min2maxma0r对称循环变应力应力表达：1（1）最大应力:max最小应力:min应力幅:a平均应力:m循环特征:r机械设计基础——机械零件设计和计算概论tminmax0m1rminmaxa三、极限应力1静应力下的极限应力与材料性能有关脆性材料取强度极限B(B)机械设计基础——机械零件设计和计算概论塑性材料取屈服极限S(S)Be玻璃钢灰口铸铁epSBABCDE2变应力下的极限应力疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定材料经过N0次应力循环不发生破坏的应力最大值r(r)机械设计基础——机械零件设计和计算概论各种材料的r可从有关手册中查取0NNNrNr有限寿命区无限寿命区四、许用应力和安全系数许用应力：设计零件时所依据的条件应力机械设计基础——机械零件设计和计算概论安全系数↑→许用应力↓→结构笨重安全系数↓→许用应力↑→不够安全Slim][Slim][许用应力极限应力安全系数许用应力确定1查许用应力表根据实践经验制成表格选取机械设计基础——机械零件设计和计算概论2部分系数法S=S1S2S3S1：计算载荷和应力准确性系数（1~1.5)S2：材料的均匀系数（铸铁:1.5~2.5,钢:1.2~1.5）S3：零件重要性系数（1~1.5)6-4常用材料及其选择一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则机械设计基础——机械零件设计和计算概论一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号1铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2钢：含Ｃ量＜1.4％→常用碳素钢：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素钢、优质碳素钢合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3有色金属合金：有特殊性能，价昂→少用铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4非金属材料：工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料…机械设计基础——机械零件设计和计算概论二、热处理方法1退火2正火3淬火4回火5表面热处理机械设计基础——机械零件设计和计算概论热处理比较1退火降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力2正火用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，易于切削，减少应力机械设计基础——机械零件设计和计算概论3淬火（蘸火）提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4回火消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性中温回火：高弹性、硬度中等高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质——淬火+高温回火)正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度表面热处理表面热处理：表面增硬，芯部韧表面淬火法（火焰加热、感应加热…）化学热处理（渗碳、氮化、氰化...）机械设计基础——机械零件设计和计算概论三、材料力学性能指标弹性极限：P抗拉强度：B屈服强度：S(0.2)机械设计基础——机械零件设计和计算概论硬度：HBS:布氏硬度硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120º金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件HV:维氏硬度136º金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf显微硬度三种硬度单位之比较：HV(维氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBSpSBeABCDE四、材料选择原则使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度...工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法...经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...机械设计基础——机械零件设计和计算概论6-5机械零件的工艺性和标准化一、工艺性主要体现在下面三个方面：1.毛坯选择合理铸件、锻件、型材…？单件生产、批量生产？2.结构设计合理几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀...3.制造精度及表面粗糙度选择合理二、标准化品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企业标准标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册机械设计基础——机械零件设计和计算概论