第九章機械零件設計概論

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1、第九章　 機械零件設計概論 0－1 機械零件設計概述 機械設計應滿足的要求:性能好、效率高、安全可靠、操作方便等。 機械零件的失效：因某種原因不能正常工作時; 機械零件的工作能力(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 過大的彈性變形 工作表面的過度磨損或損傷 發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛 摩擦傳動的打滑等 主要失效原因:強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等方面的問題； 強度條件：計算應力<許用應力; 剛度條件:變形量〈許用變形量 防止失效的判定條件 計算量＜許用量 工作能力計算準則 4)

2、根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判定條件，確定零件的形狀 5) 繪制工作圖并標注必要的技術條件 機械零件的設計步驟： 1) 擬定零件的計算簡圖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，選用相應的判定條件,確定零件的形狀5） 繪制工作圖并標注必要的技術條件 計算方法： 校核計算、設計計算 第二節(jié) 　機械零件的強度 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 名義應力:按名義載荷計算所得之應力 載荷系數(shù)K:考慮各種附加載荷因素的影響 計算載荷載荷系數(shù)與名義載荷的乘積 計算應力按名義載荷計算所得之應力 強度判

3、定條件 一、應力的種類o t σ σ=常數(shù) 靜應力: 　 σ=常數(shù) 變應力： σ隨時間變化 平均應力: 應力幅: 變應力的循環(huán)特性： -１脈動循環(huán)變應力 對稱循環(huán)變應力 -1 0 +1 靜應力 脈動循環(huán)變應力 對稱循環(huán)變應力 -1 0 +1 靜應力 ，對稱循環(huán)變應力 0，脈動循環(huán)變應力 +1，靜應力 循環(huán)變應力　 T σmax σmin σa σa σm o t σ σmax σmin σa σa o t σ r =+1 循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力

4、 o t σ σm σa σa σmin 脈動循環(huán)變應力 二、靜應力下的許用應力 靜應力下,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 作為極限應力,許用應力為:[σ]= σS／S 脆性材料:取強度極限σB 作為極限應力,許用應力為:[σ］= σB／S 三、變應力下的許用應力 變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂.疲勞斷裂具有以下特征: 1） 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低,甚至比屈服極限低; 2) 疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂； 3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。 1、疲勞曲線 應

5、力σ與應力循環(huán)次數(shù)Ｎ　之間的關系曲線稱為：疲勞曲線 由圖可知:應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當 Ｎ>N0以后,曲線趨于水平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。 當N>N0　時， 試件將不會斷裂。 N0 N O σ σ-1 σ-1N N N0 —-循環(huán)基數(shù)，N０ 對應的應力稱為：疲勞極限 用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限. 當N＜N０ 時， 有近似公式： 對應于N　的彎曲疲勞極限： 2、許用應力 在變應力，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應力集中系數(shù)kσ

6、、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。 當應力是對稱循環(huán)變化時，許用應力為: 當應力是脈動循環(huán)變化時,許用應力為： 四、安全系數(shù) S↑，可能不安全 典型機械的 S 可通過查表求得，無表可查時,按以下原則取: １）靜應力下,塑性材料的零件：S =1。2～1.5 　 　　 　 鑄鋼件：S =1。5～２.5 ２）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵: 　 　 　 　 　 　 　S =3～４ 3)變應力下,　 　 　S　=1。3~1.7　 材料不均勻，或計算不準時?。骸 =1。7～２.5 第三節(jié)

7、機械零件的接觸強度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸.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)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力，零件強度稱為接觸強度. 齒輪、凸輪、滾動軸承等 失效形式常表現(xiàn)為： 疲勞點蝕 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、引起振動和噪音. 接觸疲勞強度的判定條件為： 金屬剝落出現(xiàn)小坑 第四節(jié)　機械零件的耐磨性 運動副摩擦表面物質不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會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↑、沖擊↑、噪音↑ 據(jù)統(tǒng)計，約有8

8、０%的損壞零件是因磨損而報廢的. 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(疲勞點蝕) 4）腐蝕磨損 實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即： p　≤ ［p］ 相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量 f?。?v 。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將　p v　值與許用的 [p ｖ]　值進行比較。即: ｐ　ｖ ≤ ［ｐ v ] 第五節(jié) 機械制造常用材料及其選擇 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：良好的液態(tài)

9、流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。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(疲勞點蝕） 4)腐蝕磨損 特點：與鑄鐵相比,鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和加工性能?！? 零件毛坯獲取方法:鍛造、沖壓、焊接、鑄造等. 應用：應用范圍極其廣泛. 選用原則： 　優(yōu)選碳素鋼,其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。 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：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金

10、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 應用:應用范圍廣泛 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、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 ２、塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件,而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。 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、機械工藝性能、經(jīng)濟性 各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查

11、得。　 為了材料供應和生產(chǎn)管理上的方便，應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，不需要選擇和附加加工的就能滿足預期技術與使用要求的特性?！? 基本尺寸：由設計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。 實際尺寸：制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量有誤差，所以實際尺寸并非真值。相對于基本尺寸而言，總是有誤差。 尺寸公差:最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；即允許的尺寸變動量. 配合：基本尺寸相同，相互結合的孔與軸公差帶之間的關系 配合類型 間隙配合：孔>軸，用于可動聯(lián)接，如活動鉸鏈 過渡配合：可能有間隙，也可能具有過

12、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 最小過盈:　Ymｉn = 孔ｍax—軸miｎ 最大過盈： 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 Xmin= 0 過盈配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 Ymax Ymax Ymin= 0 Ymin 過渡配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公

13、差帶 軸公差帶 孔公差帶 Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax 軸公差帶 Xmax 配合基準制 基孔制配合 基軸制配合 基孔制配合：孔是基準孔，下偏差EI=０，　代號為:H ,通過改變軸的公差帶來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 間隙配合 過渡配合 過盈配合 基軸制配合：軸是基準軸,上偏差es＝0， 代號為:ｈ，通過改變孔的公差帶來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

14、合 過渡配合 過盈配合 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而凹凸不平的刀痕。 評定參數(shù)：輪廓算術平均偏差?a?a取樣長度l內,被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術平均值： 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) 機械零件的工藝性 及標準化 一、工藝性 零件設計要求 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志: 在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工且費用低。 工藝性的基本要

15、求: １）　毛坯選擇合理 制備方法 單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。 應用于大批量生產(chǎn)。 用型材 焊接 鍛造 鑄造 2)　結構簡單合理 3)　合理的制造精度和表面粗糙度 4)　盡量減小零件的加工量 二、標準化 定義:標準化是在經(jīng)濟、技術、科學及管理等社會實踐中,對重復事務和概念,通過制定、發(fā)布和實施標準，以獲得最佳秩序和效益. 內容: 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、基本結構等依次分檔,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、結構相近的零部件（如軸承、螺栓等），經(jīng)過統(tǒng)一后實現(xiàn)互換; 3)產(chǎn)品質量標準化 要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質量合格和穩(wěn)定，就必須做好設計、加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環(huán)節(jié)的標準化。 意義: 1)制造上可以實現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質量,又能降低成本； 2）設計方面可減少設計工作量； 3)管理維修方面可減少庫存量，便于更換損壞的零件。 不足之處，敬請諒解 7 / 7