第七講機械零件設計概論演示文稿

第七講機械零件設計概論演示文稿當前第1頁\共有55頁\編于星期五\8點（優(yōu)選）第七講機械零件設計概論當前第2頁\共有55頁\編于星期五\8點§9－1機械零件設計概述機械設計應滿足的要求：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。失效：機械零件由于某種原因不能正常工作（完不成規(guī)定的功能或達不到設計要求的性能）時，稱為失效。破壞是失效，但失效并不單純意味著破壞。工作能力：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。此限度對載荷而言時，又稱為承載能力。當前第3頁\共有55頁\編于星期五\8點機械零件可能的失效形式歸納起來主要有：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（當周期性干擾力的頻率與軸的自振頻率相等或接近時，就會發(fā)生共振，導致振幅急劇增大，這種現(xiàn)象稱為失去振動穩(wěn)定性。共振可能在短期內(nèi)使零件損壞）聯(lián)接的松弛摩擦傳動的打滑等機械零件雖然有多種可能的失效形式，但主要可歸納為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。當前第4頁\共有55頁\編于星期五\8點對于各種不同的失效形式，相應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，通常稱為工作能力計算準則。機械零件的設計準則有：強度準則強度準則是指零件中的應力不得超過允許的限度，即許用應力，用公式表示為當前第5頁\共有55頁\編于星期五\8點剛度準則指零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量不大于允許值（許用變形量），用公式表示為：

壽命準則－要求零件在預期工作期限內(nèi)，能正常工作而不失效。影響壽命的主要因素是：腐蝕、磨損和疲勞。當前第6頁\共有55頁\編于星期五\8點振動穩(wěn)定性準則在設計時應使機器中受激振作用的各個零件的自激振動頻率與激振源的頻率錯開。通常應保證

fp<0.85f或fp>1.15f可靠性準則機械零件的可靠性用可靠度表示?？煽慷仁侵噶慵谝?guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下完成規(guī)定功能的概率。如有NT個零件在規(guī)定的工作條件下使用，在t時刻后仍有NS個零件能正常工作，則此零件在該工作條件下工作t時間的可靠度為當前第7頁\共有55頁\編于星期五\8點擬定零件的計算簡圖。確定作用在零件上的載荷。選擇合適的材料。根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。應當注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。繪制工作圖并標注必要的技術條件。機械零件的設計常按下列步驟進行：當前第8頁\共有55頁\編于星期五\8點§9－2機械零件的強度進行強度計算所依據(jù)的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統(tǒng)稱為載荷。在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷?？紤]機器運轉時動力參數(shù)的不穩(wěn)定，工作阻力變化等原因，使零件受到各種附加載荷而引入的影響系數(shù)稱為載荷系數(shù)。載荷系數(shù)與名義載荷的乘積，稱為計算載荷。按照名義載荷用力學公式求得的應力，稱為名義應力。按照計算載荷求得的應力，稱為計算應力。當前第9頁\共有55頁\編于星期五\8點利用強度準則判斷零件的強度常用的方法有：①應力法應力法是判斷危險截面處的最大應力(σ，τ)是否小于或等于許用應力([σ]，[τ])。計算公式為②

安全系數(shù)法安全系數(shù)法是判斷危險截面處的實際安全系數(shù)(Sσ，Sτ)是否大于或等于許用安全系數(shù)([Sσ]，[Sτ])。計算公式可寫成當前第10頁\共有55頁\編于星期五\8點

一、應力的種類靜應力——不隨時間變化的應力(圖9-1a)。變應力——隨時間變化的應力。循環(huán)變應力——隨時間作有周期性變化的應力。圖9-1b所示為一般的非對稱循環(huán)變應力，圖中T為應力循環(huán)周期。當前第11頁\共有55頁\編于星期五\8點由圖可知，變應力的平均應力σm及應力幅σa分別為循環(huán)特性——變應力的最小應力與最大應力之比，用r表示，它可用來描述變應力的變化情況。對稱循環(huán)變應力——循環(huán)特性r＝-1的循環(huán)變應力，(圖9-1c

)，其σa=σmax=-σmin，σm=0。當前第12頁\共有55頁\編于星期五\8點脈動循環(huán)變應力——循環(huán)特性r=0的循環(huán)變應力，(圖9-1d)，其σa=σm=σmax/2，σmin=0。靜應力——可看作變應力的特例，其σmax=σmin

，循環(huán)特性r=+1。當-1<r<+1，并且r≠0時，稱為非對稱循環(huán)變應力(圖b)。

當前第13頁\共有55頁\編于星期五\8點對于用脆性材料制成的零件．應取強度極限σB作為極限應力，其許用應力為對于組織均勻的脆性材料，如淬火后低溫回火的高強度鋼。還應考慮應力集中的影響。

二、靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料，可按不發(fā)生塑性變形的條件進行計算。這時取材料的屈服極限σS作為極限應力，故許用應力為當前第14頁\共有55頁\編于星期五\8點

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：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；不存在宏觀的、明顯的塑性變形跡象，是脆性突然斷裂；疲勞斷裂是損傷的積累，在循環(huán)應力多次反復作用下產(chǎn)生。對材料的組成、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件和外界環(huán)境等非常敏感?？傊?，疲勞破壞的最突出特點是發(fā)生突發(fā)性、高度局部性以及對各種缺陷的敏感性。當前第15頁\共有55頁\編于星期五\8點右圖所示為軸的彎曲疲勞斷裂的斷口，微裂紋常起始于應力最大的斷口周邊上。在斷口上明顯地有兩個區(qū)域：一個是在變應力重復作用下裂紋兩邊相互摩擦形成的表面光滑的疲勞區(qū)；一個是最終發(fā)生脆性斷裂的表面粗糙的斷裂區(qū)。當前第16頁\共有55頁\編于星期五\8點

疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂。它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂、所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）密切相關。當前第17頁\共有55頁\編于星期五\8點疲勞曲線表示應力σ與應力循環(huán)次數(shù)N之間的關系曲線稱為疲勞曲線，如圖9-3所示。從圖中可以看出，應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。

當循環(huán)次數(shù)N超過某一數(shù)值N0以后，曲線趨向水平，即可以認為在“無限次”循環(huán)時試件將不會斷裂。N0稱為循環(huán)基數(shù)，對應于N0的應力稱為材料的疲勞極限(σ-l)。當前第18頁\共有55頁\編于星期五\8點通常用σ-l表示材料在對稱循環(huán)變應力下的彎曲疲勞極限。疲勞曲線的左半部（N＜N。），可近似地用下列方程式表示：對稱循環(huán)變應力作用下，任意循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限為當前第19頁\共有55頁\編于星期五\8點

許用應力變應力下，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)等影響，為此引入有效應力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當應力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為當應力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為當前第20頁\共有55頁\編于星期五\8點

四、安全系數(shù)安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響。如果安全系數(shù)定得過大將使結構笨重；如定得過小，又可能不夠安全。在各個不同的機械制造部門，通過長期生產(chǎn)實踐，都制訂有適合本部門的安全系數(shù)（或許用應力）的表格。使用時可以從中查表選取所需的安全系數(shù)（或許用應力）。當前第21頁\共有55頁\編于星期五\8點§9-3機械零件的接觸強度若零件受載時是在較大的體積內(nèi)產(chǎn)生應力，這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為整體強度若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載變形后，其表層產(chǎn)生很大的局部應力，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。具有一定曲面的兩物體在壓力下互相接觸時，在接觸處產(chǎn)生的應力便是接觸應力。承受接觸應力的零件的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。當前第22頁\共有55頁\編于星期五\8點機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的接觸變應力，在載荷重復作用下，零件表面發(fā)生疲勞點蝕破壞，（圖9-7）。零件發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，接觸應力分布如圖9-8所示，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值由赫茲(H.Hertz)公式計算當前第23頁\共有55頁\編于星期五\8點對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，則上式簡化為：令及當前第24頁\共有55頁\編于星期五\8點零件受接觸變應力作用時接觸強度條件為

σH≤[σH]而[σH]=σlim/SH

(9-11)式中σlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。由圖9-8可看出，接觸應力具有上下對等、左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點。由于接觸應力是局部性的應力，且應力的增長與載荷Fn不成直線關系，而要緩慢得多[見式(9-9)]，故安全系數(shù)SH可取為等于或稍大于1。當前第25頁\共有55頁\編于星期五\8點當前第26頁\共有55頁\編于星期五\8點三牙輪鉆頭內(nèi)部結構當前第27頁\共有55頁\編于星期五\8點當前第28頁\共有55頁\編于星期五\8點§9－4機械零件的耐磨性運動副中，摩擦表面物質(zhì)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狀態(tài)。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。除非運動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避免的。但是只要磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能保持一定壽命。所以，在預定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。出現(xiàn)劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械的精度喪失，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。這時應立即停車檢修、更換零件。當前第29頁\共有55頁\編于星期五\8點據(jù)統(tǒng)計，約有80％的損壞零件是因磨損而報廢的。磨粒磨損硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗?，在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外界的塵土雜質(zhì)等。磨損面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。粘著磨損（膠合）當摩擦表面接觸時，由于表面不平，實際上只有部分峰頂接觸。在有相對運動和一定載荷作用下，接觸處壓強極高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉移到另一個表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損（膠合）。當前第30頁\共有55頁\編于星期五\8點疲勞磨損（點蝕）在滾動或兼有滑動和滾動的高副中，受載時材料表層有很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或點蝕。腐蝕磨損在摩擦過程中，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損。當前第31頁\共有55頁\編于星期五\8點實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即

p≤[p](9-12)式中[p]是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。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fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv值與許用[pv]值進行比較，即

pv≤[pv](9-13)當前第32頁\共有55頁\編于星期五\8點§9-5機械制造常用材料及其選擇

一、金屬材料鑄鐵鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，它們的區(qū)別主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2％的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當?shù)囊兹坌?，良好的液態(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。此外，它的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）均較好且成本低廉，因此在機械制造中應用甚廣。常用的鑄鐵有：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。當前第33頁\共有55頁\編于星期五\8點鋼鋼具有高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得，因此其應用極為廣泛。按照用途，鋼可分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼。結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的構件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼用于制造在特殊環(huán)境下工作的零件。按照化學成分，鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。當前第34頁\共有55頁\編于星期五\8點碳素結構鋼這類鋼的含碳量一般不超過0.7％。含碳量低于0.25％的低碳鋼，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接。含碳量在0.3％~0.5%的中碳鋼，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。含碳量在0.55％~0.7％的高碳鋼，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。當前第35頁\共有55頁\編于星期五\8點合金結構鋼鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。應當注意，合金鋼的優(yōu)良性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于適當?shù)臒崽幚?。鑄鋼鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時，壁厚常不小于10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。當前第36頁\共有55頁\編于星期五\8點選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格便宜供應充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優(yōu)先選用我國資源豐富的硅、錳、硼、釩類合金鋼。常用鋼鐵材料的力學性能見表9-1。銅合金銅合金有青銅與黃銅之分。黃銅是銅和鋅的合金，并含有少量的錳、鋁、鎳等，它具有很好的塑性及流動性，故可進行輾壓和鑄造。青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好，也可輾壓和鑄造。此外，還有軸承合金（或稱巴氏合金），主要用于制作滑動軸承的軸承襯。當前第37頁\共有55頁\編于星期五\8點

二、非金屬材料在機械制造中也常用到其他非金屬材料。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。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，近年來在機械制造中其應用日益廣泛。當前第38頁\共有55頁\編于星期五\8點設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經(jīng)濟問題。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。這就要求設計者在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經(jīng)驗。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。當前第39頁\共有55頁\編于星期五\8點§9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系

一、公差與配合機器是由零件裝配而成的。大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互換性，以便在裝配時不需要選擇和附加加工，就能達到預期的技術要求．零件的互換性要求保證零件的尺寸、幾何形狀和相對位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得絕對精確，但零件尺寸必須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?；Q性要求建立標準化的公差與配合制度。我國的公差與配合采用國際公差制。當前第40頁\共有55頁\編于星期五\8點如圖9-10所示，設計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。同一基本尺寸的孔與軸的結合稱為配合。當前第41頁\共有55頁\編于星期五\8點根據(jù)公差帶的相對位置，配合分為間隙配合、過渡配合和過盈配合三大類。間隙配合的孔比軸大，用于動聯(lián)接，如軸頸與滑動軸承孔。過盈配合的孔比軸小，用于靜聯(lián)接。如火車車輪與軸。過渡配合可能具有間隙，也可能具有過盈，用于要求具有良好同軸性而又便于裝拆的靜聯(lián)接，如齒輪與軸。當前第42頁\共有55頁\編于星期五\8點國家標準規(guī)定，孔與軸的公差帶位置各有28個，分別用大寫和小寫拉丁字母表示。大寫字母表示孔公差帶和小寫字母表示軸公差帶。20個公差等級（即尺寸精度等級），用阿拉伯數(shù)字表示。數(shù)字越小，精度越高。機械制造中最常用的公差等級是4~11級。當前第43頁\共有55頁\編于星期五\8點配合制度有基孔制和基軸制兩種。基孔制的孔是基準孔，其下偏差為零，代號為H，而各種配合特性是靠改變軸的公差帶來實現(xiàn)的（圖9-11）?；S制的軸是基準軸，其上偏差為零，代號為h，而各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實現(xiàn)的。

當前第44頁\共有55頁\編于星期五\8點為了減少加工孔用的刀具品種，工程中廣泛采用基孔制。特例：光軸與具有不同配合特性的零件相配合時采用基軸制；滾動軸承外徑與軸承孔配合時采用基軸制。

當前第45頁\共有55頁\編于星期五\8點當前第46頁\共有55頁\編于星期五\8點當前第47頁\共有55頁\編于星期五\8點當前第48頁\共有55頁\編于星期五\8點表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加工后在零件表面留下的微細而凸凹不平的刀痕。表面粗糙度的評定參數(shù)之一是輪廓算術平均偏差Ra，它是指在取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術平均值（圖9-12），即二、表面粗糙度當前第49頁\共有55頁\編于星期五\8點近似為表9-3（P127）列出了供優(yōu)先選用的表面粗糙度Ra值及與其對應的加工方法（通常條件下比表中等級降2～3級）。當前第50頁\共有55頁\編于星期五\8點

三、優(yōu)先數(shù)系優(yōu)先數(shù)系是用來使型號、直徑、轉速、承載量和功率等量值得到合理的分級。這樣可便于組織生產(chǎn)和降低成本。GB321—80規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系有四種基本系列，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分別為1.6、1.25、1.12、1.06。例如：R10系列數(shù)值分別為：1