第九章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

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1、第九章 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論 0－1 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述 機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求:性能好、效率高、安全可靠、操作方便等。 機(jī)械零件的失效:因某種原因不能正常工作時(shí)； 機(jī)械零件的工作能力（承載能力）:在不發(fā)生失效的條件下,零件所能安全工作的限度; 零件的失效形式 斷裂或塑性變形 過(guò)大的彈性變形 工作表面的過(guò)度磨損或損傷 發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛 摩擦傳動(dòng)的打滑等 主要失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等方面的問(wèn)題； 強(qiáng)度條件：計(jì)算應(yīng)力<許用應(yīng)力； 剛度條件：變形量<許用變形量 防止失效的判定條件 計(jì)算量<許用量 工作能力計(jì)算準(zhǔn)則 4

2、) 根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀 5) 繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)步驟: 1) 擬定零件的計(jì)算簡(jiǎn)圖2) 確定作用在零件上的載荷3) 選擇合適的材料4) 根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀5) 繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件 計(jì)算方法: 校核計(jì)算、設(shè)計(jì)計(jì)算 第二節(jié) 機(jī)械零件的強(qiáng)度 基本概念 名義載荷：在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷 名義應(yīng)力：按名義載荷計(jì)算所得之應(yīng)力 載荷系數(shù)K：考慮各種附加載荷因素的影響 計(jì)算載荷載荷系數(shù)與名義載荷的乘積 計(jì)算應(yīng)力按名義載荷計(jì)算所得之應(yīng)

3、力 強(qiáng)度判定條件 一、應(yīng)力的種類o t σ σ=常數(shù) 靜應(yīng)力: σ=常數(shù) 變應(yīng)力: σ隨時(shí)間變化 平均應(yīng)力: 應(yīng)力幅: 變應(yīng)力的循環(huán)特性: -1脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 0 +1 靜應(yīng)力 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 0 +1 靜應(yīng)力 ，對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 0，脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 +1，靜應(yīng)力 循環(huán)變應(yīng)力 T σmax σmin σa σa σm o t σ σmax σmin σa σa o t σ r =+1

4、 循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力 o t σ σm σa σa σmin 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力 靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形 塑性材料，取屈服極限σS 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：[σ]= σS/S 脆性材料：取強(qiáng)度極限σB 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：[σ]= σB/S 三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力 變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征： 1) 疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低； 2) 疲勞斷口均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的脆性

5、突然斷裂； 3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。 1、疲勞曲線 應(yīng)力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線 由圖可知：應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗(yàn)表明，當(dāng) N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無(wú)限次循環(huán)時(shí)試件將不會(huì)斷裂。 當(dāng)N>N0 時(shí), 試件將不會(huì)斷裂。 N0 N O σ σ-1 σ-1N N N0 ——循環(huán)基數(shù)，N0 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為：疲勞極限 用σ-1表示材料在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。 當(dāng)N

6、在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時(shí)還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對(duì)尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。 當(dāng)應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為： 當(dāng)應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為： 四、安全系數(shù) S↑，可能不安全 典型機(jī)械的 S 可通過(guò)查表求得，無(wú)表可查時(shí)，按以下原則取： 1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S =1.2～１.5 　　　　　　　　　　 鑄鋼件：S =1.５～２.5 ２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵： S =3～4

7、3）變應(yīng)力下， S =1.3～1.7 材料不均勻，或計(jì)算不準(zhǔn)時(shí)取： S =1.7～2.5 第三節(jié) 機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度 若兩個(gè)零件在受載前是點(diǎn)接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。 齒輪、凸輪、滾動(dòng)軸承等 失效形式常表現(xiàn)為： 疲勞點(diǎn)蝕 后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動(dòng)和噪音。 接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為： 金屬剝落出現(xiàn)小坑 第四節(jié) 機(jī)械零件的耐磨性 運(yùn)動(dòng)副摩

8、擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會(huì)逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。 零件抗磨損的能力稱為耐磨性 磨損↑間隙↑、精度↓、效率↓、 振動(dòng)↑、沖擊↑、噪音↑ 據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。 磨損的主要類型 ： 1）磨粒磨損 2）粘著磨損(膠合磨損) 3）疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕) 4）腐蝕磨損 實(shí)用耐磨計(jì)算是限制運(yùn)動(dòng)副的壓強(qiáng)p，即: p ≤ [p] 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)副單位時(shí)間單位接觸面積的發(fā)熱量 f p v 。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將 p v 值與許用的 [p v] 值進(jìn)行比較。即: p v ≤ [p v ] 第五節(jié) 機(jī)械制造

9、常用材料及其選擇 一、金屬材料 常用金屬材料 鑄鐵：含碳量>2% 鋼：含碳量≤ 2% 銅合金 1、鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。 特點(diǎn)：良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉 磨損的主要類型 ： 1）磨粒磨損 2）粘著磨損(膠合磨損) 3）疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕) 4）腐蝕磨損 特點(diǎn)：與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。 零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。 應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。 選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩

10、類合金鋼。 3、銅合金 種類 青銅——含錫青銅、不含錫青銅 黃銅——銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳 軸承合金（巴氏合金） 特點(diǎn)：具有良好的塑性和液態(tài)流動(dòng)性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。 零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造 應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛 二、非金屬材料 1、橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤(rùn)滑的軸承襯。 2、塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來(lái)在機(jī)械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

11、 3、其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。 選材因素：用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性 各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。 為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種 第六節(jié) 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù) 一、 公差與配合 互換性：零件在裝配時(shí)，不需要選擇和附加加工的就能滿足預(yù)期技術(shù)與使用要求的特性。 基本尺寸：由設(shè)計(jì)圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。 實(shí)際尺寸：制造加工后測(cè)量所得零件尺寸；由于測(cè)量有誤差，所以實(shí)際尺寸并非真值。相對(duì)于基本尺寸而言，總是有誤差。 尺寸公差：最大極限尺寸與最小極限尺

12、寸之差；即允許的尺寸變動(dòng)量。 配合：基本尺寸相同，相互結(jié)合的孔與軸公差帶之間的關(guān)系 配合類型 間隙配合：孔>軸，用于可動(dòng)聯(lián)接，如活動(dòng)鉸鏈 過(guò)渡配合：可能有間隙，也可能具有過(guò)盈。用于要求具有良好的同軸性而又便于拆裝的靜聯(lián)接，如齒輪與軸； 過(guò)盈配合：孔<軸，用于靜聯(lián)接，如火車輪與軸 最小間隙: Xmin = 孔min-軸max 最大間隙: Xmax = 孔max-軸min 最小過(guò)盈： Ymin = 孔max-軸min 最大過(guò)盈: Ymax = 孔min-軸max 間隙配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 Xmax Xmin Xmax Xm

13、in= 0 過(guò)盈配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 Ymax Ymax Ymin= 0 Ymin 過(guò)渡配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax 軸公差帶 Xmax 配合基準(zhǔn)制 基孔制配合 基軸制配合 基孔制配合：孔是基準(zhǔn)孔，下偏差EI=0， 代號(hào)為:H ，通過(guò)改變軸的公差帶來(lái)或得各種不同的配合特性。 H 零線 D 孔公差 k js h g e f r p m s

14、 間隙配合 過(guò)渡配合 過(guò)盈配合 基軸制配合：軸是基準(zhǔn)軸，上偏差es=0， 代號(hào)為:h，通過(guò)改變孔的公差帶來(lái)或得各種不同的配合特性。 零線 h D 軸公差 K JS H G E F R P M S 間隙配合 過(guò)渡配合 過(guò)盈配合 二、 表面粗糙度 定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度 特征：加工后零件表面留下的微細(xì)而凹凸不平的刀痕。 評(píng)定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差?a?a取樣長(zhǎng)度l內(nèi)，被測(cè)輪廓上各點(diǎn)至輪廓中線偏居絕對(duì)值的算術(shù)平均值：

15、 輪廓峰谷線 輪廓峰頂線 輪廓峰高 yp 輪廓谷深 yv 中線 l y x 第七節(jié) 機(jī)械零件的工藝性 及標(biāo)準(zhǔn)化 一、工藝性 零件設(shè)計(jì)要求 使用要求——具備所要求的工作能力； 制造要求——制造工藝可行，成本低； 零件工藝性良好的標(biāo)志： 在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工且費(fèi)用低。 工藝性的基本要求： 1) 毛坯選擇合理 制備方法 單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，選用棒料、板材、型材或焊件。 應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。 用型材 焊接 鍛造 鑄造 2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理 3) 合理的制

16、造精度和表面粗糙度 4) 盡量減小零件的加工量 二、標(biāo)準(zhǔn)化 定義：標(biāo)準(zhǔn)化是在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會(huì)實(shí)踐中，對(duì)重復(fù)事務(wù)和概念，通過(guò)制定、發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，以獲得最佳秩序和效益。 內(nèi)容： 1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化 將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求。 2)零部件的通用化 將用途、結(jié)構(gòu)相近的零部件（如軸承、螺栓等），經(jīng)過(guò)統(tǒng)一后實(shí)現(xiàn)互換； 3)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化 要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定，就必須做好設(shè)計(jì)、加工工藝、裝配檢驗(yàn)、包裝儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化。 意義： 1)制造上可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低成本； 2)設(shè)計(jì)方面可減少設(shè)計(jì)工作量； 3)管理維修方面可減少庫(kù)存量，便于更換損壞的零件。