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第9章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論一、基本內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求二、學(xué)習(xí)指導(dǎo)三、典型實(shí)例分析四、復(fù)習(xí)題五、復(fù)習(xí)題參考答案

一、基本內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求1.基本內(nèi)容(1)機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則;(2)機(jī)械零件的強(qiáng)度(3)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度(4)機(jī)械零件的耐磨性(5)機(jī)械制造常用材料及其選擇(6)公差與配合(7)機(jī)械零件的制造工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化;

2.學(xué)習(xí)要求

(1)掌握有關(guān)機(jī)械零件設(shè)計(jì)和計(jì)算的基本概念;(2)掌握機(jī)械制造中常用材料的性能及選用原則;(3)了解機(jī)械零件工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化的意義一、基本內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求

第9章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論§9-1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則

1.機(jī)械、機(jī)構(gòu)、零件等由于某種原因喪失正常工作能力的現(xiàn)象稱為失效;在不發(fā)生失效的條件下,零件所能安全工作的限度,稱為工作能力或稱為承載能力。2.失效與損壞概念不同。以自行車為例,作為零件的車輪輻條損壞了幾根,并不影響乘騎,即自行車作為機(jī)器并未失效;如果其鏈條因磨損而掉鏈,此時自然不能乘騎了,即失效了

3.失效形式與斷裂破壞概念不同。機(jī)械零件由于強(qiáng)度不夠造成斷裂,屬于一種失效形式;除此之外,如機(jī)床主軸的剛度不足,零件表面過度磨損及其他各種破壞正常工作條件的因素,又如帶傳動打滑等均屬于失效形式?;啬夸浿饕问接校孩艛嗔眩豪?,齒輪輪齒根部的折斷、螺栓的斷裂等。⑵過大的殘余變形:零件受載后產(chǎn)生過量的彈性變形;零件的應(yīng)力如果超過材料的屈服極限,零件將產(chǎn)生殘余塑性變形。⑶表面失效:磨損、腐蝕和接觸疲勞等都會導(dǎo)致零件表面失效。⑷破壞正常工作條件而引起的失效:例如,帶傳動發(fā)生打滑、齒輪傳動噪聲過大等。工作能力計(jì)算準(zhǔn)則:針對各種不同的失效形式,相應(yīng)地有各種工作能力判定條件,這種為防止失效而制定的判定條件稱為工作能力計(jì)算準(zhǔn)則。主要有強(qiáng)度、剛度、耐磨性等。

§9-2機(jī)械零件的強(qiáng)度

一、名義載荷和計(jì)算載荷根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出并作用在零件上的載荷

稱為名義載荷(如力F功率P轉(zhuǎn)矩T)。計(jì)算載荷與名義載荷之間的關(guān)系為:計(jì)算載荷等于名義載荷乘以載荷系數(shù)K。機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算一般按計(jì)算載荷二、強(qiáng)度條件零件在外載荷作用下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力σ不超過零件的許用應(yīng)力[σ]。其表達(dá)式為工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力,即σ≤[σ]

三、應(yīng)力的種類(圖9-1)可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力:不隨時間變化的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力;

隨時間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力;具有周期性的變應(yīng)力

稱為循環(huán)變應(yīng)力。復(fù)習(xí)材料力學(xué)中學(xué)過的非對稱循環(huán)應(yīng)力、脈動循環(huán)應(yīng)力和對稱循環(huán)應(yīng)力的分類及特征,能繪出應(yīng)力-時間曲線,并能寫出最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和循環(huán)特性。的計(jì)算公式。

四、許用應(yīng)力

許用應(yīng)力=材料極限應(yīng)力/安全系數(shù),即[σ]=σlim/S材料的極限應(yīng)力應(yīng)根據(jù)工作應(yīng)力類型的不同來選擇。工作應(yīng)力為靜應(yīng)力時,極限應(yīng)力對于塑性材料為屈服極限;對于脆性材料為強(qiáng)度極限,工作應(yīng)力為變應(yīng)力時,極限應(yīng)力為其相應(yīng)應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)的疲勞極限。

1.靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力對塑性材料取材料的屈服極限σs

作為極限應(yīng)力[σ]=σs/s對脆性材料取材料的強(qiáng)度極限σB作為極限應(yīng)力

[σ]=σB/s

2.變應(yīng)力下的許用應(yīng)力對稱循環(huán)疲勞極限取σ-1作為極限應(yīng)力[σ-1]=σ-1/s脈動循環(huán)疲勞極限取σ0作為極限應(yīng)力[σ0]=σ0/s

五、安全系數(shù)安全系數(shù)取得過大將使結(jié)構(gòu)笨重;安全系數(shù)取得過小可能不夠安全。S>1要按教材給的系數(shù)取?!?-3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度因?yàn)楦吒睓C(jī)構(gòu)是以點(diǎn)、線接觸來傳遞載荷,由于局部彈性變形而形成了小的接觸區(qū),在很小的接觸區(qū)表層產(chǎn)生很大的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在接觸應(yīng)力作用下零件的強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度。比如:齒輪、滾動軸承等。最大接觸應(yīng)力為:接觸疲勞強(qiáng)度條件為:σH≤[σH]則[σH]=σHlim/SHσHlim——接觸疲勞極限SH——安全系數(shù)

§9-4機(jī)械零件的耐磨性零件抗磨損的能力稱為耐磨性1.磨粒磨損;2.粘著磨損;3疲勞磨損;

4腐蝕磨損。(含碳量小于2%,大于0.7%的鐵、碳合金)鋼:碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼:T7、T8普通碳素結(jié)構(gòu)鋼如Q235、Q275等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼C<0.25%如20合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼、高速工具鋼、硬質(zhì)合金工具鋼特類鋼不銹鋼,如2Cr13、滾動軸承鋼,如GGr9SiMn、耐熱鋼,如3Gr18Ni25Si2等。合金結(jié)構(gòu)鋼如35CrMn2,40CrNiMoA(優(yōu)質(zhì))低金結(jié)構(gòu)鋼如12Mn彈簧鋼如60Si2MnA中碳鋼0.6%<C<0.25%如45高碳鋼0.6%<C如60鋼

§9-5機(jī)械制造常用材料及其選擇一、金屬材料

(一)鋼鋼具有很高的強(qiáng)度、韌性和塑性,并可用熱處理方法改善機(jī)械性能和加工性能。鋼可以進(jìn)行鍛造、沖壓、焊接等應(yīng)用相當(dāng)廣泛。鋼和鑄鐵的區(qū)別主要是含碳量不同。含碳量小于2%的稱為鋼。含碳量大于2%的稱為鑄鐵。鋼可分為碳素鋼和結(jié)構(gòu)鋼。碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量,含碳量越高鋼的強(qiáng)度越高,但塑性越低。為了改善鋼的性能特意加入了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。

1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼GB700-88牌號:Q+數(shù)字例如:Q235表示屈服強(qiáng)度σs=235MPa。這種鋼主要用于受力不大,而且基本上承受靜載荷的機(jī)械零件和建筑材料??芍圃熹摪濉⒔卿?、槽鋼、圓鋼、鉚釘?shù)?。見?-1

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB699-88按含碳量的多少可分為(1)低碳鋼(10、15、20、25)含碳量小于0.25%適用于沖壓、焊接加工,常用來制造螺釘、螺母、墊圈等。(2)中碳鋼(30、35、40、45、50)含碳量為0.3%~0.5%常用來制造軸類、齒輪、絲杠等。

(3)高碳鋼(55、60、65、70)含碳量為0.55%~0.7%用來制造各種彈簧、鋼絲繩等。例如:45鋼表示含碳量0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。見表9-13.合金結(jié)構(gòu)鋼GB3077-88

牌號:數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字

注意:當(dāng)合金元素的含量<1.5%時,牌號中只標(biāo)明元素符號而不標(biāo)含量。例如:40Cr表示含碳量0.4%,含鉻小于1.5%,鉻能提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能。常用來制造中小型軸、齒輪以及各類工程結(jié)構(gòu)。見表9-1

4.鑄鋼GB1152-89將鋼熔化后澆注到鑄模中,以便獲得一定形狀和尺寸的毛坯。適用形狀復(fù)雜、尺寸較大、機(jī)械性能要求較高的機(jī)械零件。比如像重載大型齒輪、軋鋼機(jī)、機(jī)架、減速器、齒輪箱等。鑄鋼分為:碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩類。例如:ZG270-500表示屈服強(qiáng)度σs=270MpaσB=500Mpa碳素鑄鋼。

如ZG35SiMn表示含碳量0.35%,含硅、錳在小于1.5%合金鑄鋼。表9-1(二)鑄鐵鑄鐵是脆性材料,不能進(jìn)行鍛造,但它比較容易溶解,具有良好的液態(tài)流動性,可以鑄造成許多形狀復(fù)雜的零件。另外它的切削性能好,耐磨,成本低,應(yīng)用非常廣泛。常用有以下兩種。1.灰口鑄鐵GB9439-88例如:HT200表示抗拉強(qiáng)度σB=200Mpa

常用來制造皮帶輪、輕載低速大齒輪、機(jī)座、箱體等。見表9-1

2.球墨鑄鐵GB1348-88球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性都比較高,常用來代替鋼材制造曲軸、齒輪、連桿和凸輪軸等重要零件。牌號:QT450-10表示σB=450Mpa最低延伸率δ=10%見表9-1。(三)有色金屬在工業(yè)上把鐵以外的金屬統(tǒng)稱為有色金屬。它具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和減摩性等。1.黃銅黃銅是銅和鋅組成的合金。主要制造墊片、襯套、管子,管接頭等耐腐蝕零件。牌號:H62表示黃銅:銅(Cu)含量62%,余量38%鋅(Zn)。例如:ZHPb48-3-2表示48%銅,3%鉛,2%鐵,余量為47%鋅的鑄造黃銅。

2.青銅GB1176-87

牌號ZCuSn5Pb5Zn5表示鑄錫青銅,含5%錫,5%鉛,5%鋅,余量85%的銅。可制造軸瓦、蝸輪及耐磨、耐蝕性等零件。二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性、能緩和沖擊、吸收振動,還具有耐磨、絕緣等性能。

常用在彈性元件、聯(lián)軸器、傳動膠帶、輪胎、密封墊圈等。2.塑料比重小、成本低,注塑成型方便等,可以制造齒輪、軸承村、摩擦片等。3.復(fù)合材料是由兩種以上金屬或非金屬材料復(fù)合而成的一種新型材料。用來制造壓力容器、車輛外殼等。

三、鋼的熱處理簡介熱處理

將鋼在固體狀態(tài)下進(jìn)行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法叫熱處理,目的是提高零件的力學(xué)性能和改善其工藝性能。1.退火2.正火3.淬火4.回火5.調(diào)質(zhì)6.表面處理

三、鋼的熱處理熱處理是將金屬材料在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式三個階段,改變金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)來得到所需的使用要求。1.退火退火目的:降低硬度,便于切削加工;細(xì)化晶粒,改善組織,提高機(jī)械性能;消除內(nèi)應(yīng)力,防止鋼件變形與開裂。2.正火正火目的:使鋼件組織細(xì)化,提高強(qiáng)度和韌性;減少內(nèi)應(yīng)力,改善切削性能。3.淬火提高硬度和強(qiáng)度;但韌性下降,內(nèi)應(yīng)力增加,往往會使鋼件變形或開裂。因此淬火后要經(jīng)過回火熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力,提高零件的韌性。

3.淬火提高硬度和強(qiáng)度;但韌性下降,內(nèi)應(yīng)力增加,往往會使鋼件變形或開裂。因此淬火后要經(jīng)過回火熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力,提高零件的韌性。4.回火根據(jù)回火加熱溫度不同可分為(1)低溫回火:加熱溫度在150°~200°??梢詼p少內(nèi)應(yīng)力和脆性,仍然保持淬火鋼的高硬度和耐磨性。適用刀具、量具等。(2)中溫回火:加熱溫度在350°~500°。淬火鋼經(jīng)中溫回火后,提高了彈性,但硬度下降,適用彈簧、模具等。(3)高溫回火:加熱溫度在500°~600°。淬火鋼經(jīng)高溫回火后,可以獲得強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等都較好的綜合性機(jī)械性能。

生產(chǎn)上習(xí)慣把淬火后經(jīng)高溫回火的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。45號鋼調(diào)質(zhì)用的最多。如軸、齒輪等。5.表面淬火表面淬火是將鋼件表面迅速加熱到淬火溫度,不等熱量傳到芯部就快速冷卻,通常是噴水冷卻。經(jīng)過表面淬火的零件,表面具有很高的硬度和耐磨性,而芯部仍然保持原來韌性比較好的組織。表面淬火的材料一般用中碳鋼或中碳合金鋼。淬硬層深度在2~6mm適用中小型零件以及大型重載荷受沖擊等零件。6.化學(xué)熱處理滲碳是向零件表層滲入碳原子的過程,滲碳層厚度為0.4~1.6mm。

滲碳材料一般用低碳鋼或低碳合金鋼。零件經(jīng)滲碳后表面為高碳組織具有很高的硬度和耐磨性。而芯部為低碳組織,保持原有的韌性。常用于處理汽車、拖拉機(jī)中的齒輪、凸輪等?!?-6公差與配合一、公差機(jī)器是由零件裝配而成的。大批量生產(chǎn)要求零件具有互換性。這樣在裝配時可以不加選擇和附加加工,就能達(dá)到預(yù)期的技術(shù)要求。為了實(shí)現(xiàn)零件的互換性,必須保證零件的尺寸、幾何形狀和相互位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言,它不可能做的絕對精確,但必須使尺寸介于兩個允許的極限尺寸之間,這兩個極限尺寸之差稱為公差。

現(xiàn)以孔與軸為例簡單介紹公差與配合。如圖所示:設(shè)計(jì)給定的尺寸稱為基本尺寸。零線代表基本尺寸的位置。由代表上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶。在國家標(biāo)準(zhǔn)中,公差帶包括“公差帶大小”與“公差帶位置”兩個參數(shù)。公差帶大小由標(biāo)準(zhǔn)公差確定,公差帶位置由基本偏差確定。

例如f8-表示軸的公差帶代號,軸的基本偏差代號f。標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T8公差等級8級,

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定孔與軸的公差帶位置各有28個,分別用大小寫字母表示。還規(guī)定了20個公差等級,用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

例如:H7表示孔的公差帶代號,基本偏差代號為H,標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T7公差等級。機(jī)械制造中常用的公差等級是4~11級。從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查。

二、配合

同一基本尺寸的孔與軸裝配在一起稱為配合。

根據(jù)公差帶的相對位置,配合分為:間隙配合——孔比軸大,用于可動聯(lián)接。過盈配合——孔比軸小,用于靜聯(lián)接。過渡配合——可能具有間隙,也可能具有過盈,用于要求具有良好的同軸性而又便于裝拆的靜連接。

配合制度有基孔制和基軸制。

基孔制——孔是基準(zhǔn)孔,下偏差為零,代號H。它的各種配合特性是改變軸的公差帶來實(shí)現(xiàn)的(9-11)。

基軸制——軸是基準(zhǔn)軸,上偏差為零,代號h。各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實(shí)現(xiàn)的。

例1:Φ28f7查表:上偏差-20μm下偏差-41μm查表方法:先查Φ28標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T7=21μm;再查Φ28基本偏差f的上偏差es=-20μm然后計(jì)算下偏差ei=es-IT=-20-21=-41得到上偏差-20μm下偏差-41μm

復(fù)習(xí)機(jī)械制圖。例2:

二、學(xué)習(xí)指導(dǎo)

9-6機(jī)械零件的制造工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化-、機(jī)械零件的工藝性零件的工藝性是指在既定的生產(chǎn)條件和規(guī)模下,能用較少的勞動和較低的成本把零件制造和裝配出來。為此,設(shè)計(jì)者必須了解零件的制造工藝,能從材料選擇、毛坯制造、機(jī)械加工、裝配以及維修等環(huán)節(jié)考慮有關(guān)的工藝問題。1.毛坯選擇合理2.結(jié)構(gòu)簡單合理3.規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙?/p>

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化

零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化是我國實(shí)行的一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。標(biāo)準(zhǔn)化的意義在于:減輕設(shè)計(jì)工作量,有利于把主要精力用于關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì);可安排專門工廠集中生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)零部件有利于降低成本,提高互換性;有利于改進(jìn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量,擴(kuò)大和開發(fā)新產(chǎn)品,便于修理和更換。

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、部頒標(biāo)準(zhǔn)如JB和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三級。出口產(chǎn)品應(yīng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)。

四、復(fù)習(xí)題1.是非題⑴受靜載荷作用的零件中產(chǎn)生的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力-----------()⑵零件本身重量在零件中產(chǎn)生的應(yīng)力,因?yàn)橹亓Φ姆较蚴且欢ǖ?,所以產(chǎn)生的應(yīng)力都是靜應(yīng)力----

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