第九章設(shè)計(jì)總論

第九章設(shè)計(jì)總論第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、機(jī)械零件研究對(duì)象§9-1機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述

齒輪機(jī)構(gòu)（傳動(dòng)）齒輪傳動(dòng)件

軸、軸承、套筒等軸系零件

鍵聯(lián)接件機(jī)原：機(jī)構(gòu)←構(gòu)件→運(yùn)動(dòng)的單元機(jī)設(shè)：零件→制造裝配的單元第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月研究對(duì)象:在普通工作條件下工作的一般參數(shù)的通用零件和

部件的設(shè)計(jì)零件：組成機(jī)器的基本要素通用零件——各類機(jī)器常能用到的零件螺栓、齒輪、軸專用零件——特定類型機(jī)器才能用到的零件飛機(jī)螺旋槳、內(nèi)燃機(jī)曲軸、渦輪機(jī)葉片第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月傳動(dòng)零件軸系零件聯(lián)接零件附件機(jī)架第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：繁雜（門類多、關(guān)系多、要求多、公式多、圖形多、表格多）二、課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法:1、把握住每章的重點(diǎn)及分析處理問題的思路和基本方法--如何按已定的計(jì)算準(zhǔn)則來進(jìn)行設(shè)計(jì)?2、其次：公式推導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線來源3、只記基本簡單公式，稍復(fù)雜公式只需用不必記憶第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)用（*工作原理）及特點(diǎn)↓*載荷及應(yīng)力分析↓*失效形式及材料選擇↓*計(jì)算準(zhǔn)則↓*確定主要參數(shù)和尺寸↓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、分析處理問題的思路第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、設(shè)計(jì)機(jī)械零件應(yīng)滿足的基本要求（1）預(yù)定功能要求，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能（2）預(yù)定的壽命內(nèi)不能失效，工作可靠（3）結(jié)構(gòu)工藝性要求：加工、裝配（4）經(jīng)濟(jì)性要求第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月五、機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則1、機(jī)械零件常見失效形式2、工作能力準(zhǔn)則3、強(qiáng)度準(zhǔn)則4、剛度準(zhǔn)則5、耐磨性準(zhǔn)則6、耐熱性準(zhǔn)則7、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1機(jī)械零件常見失效形式失效：喪失預(yù)定功能或預(yù)定功能指標(biāo)降低到許用值以下。失效的主要形式是破壞，但不僅僅指破壞。常見主要失效形式有：斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點(diǎn)蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動(dòng)和噪聲、過熱等例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振強(qiáng)度問題剛度問題耐磨性問題Fn第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2工作能力準(zhǔn)則工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度這個(gè)限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為“承載能力”如：吊鉤最大起重量——50kN工作能力或承載能力——50kN工作能力準(zhǔn)則：衡量零件工作能力的指標(biāo)對(duì)零件設(shè)計(jì)，針對(duì)其主要失效形式選擇適合的工作能力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)具體有：強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則、耐熱性準(zhǔn)則50kN第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3強(qiáng)度準(zhǔn)則機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則強(qiáng)度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力強(qiáng)度準(zhǔn)則：工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力

σ≤[σ]或τ≤[τ]針對(duì)失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零部件：軸、齒輪、帶輪等正應(yīng)力：剪應(yīng)力：極限應(yīng)力第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面磨損:p≤[p](比壓、壓強(qiáng))→耐磨性表面壓潰:p≤[p](擠壓應(yīng)力)→擠壓強(qiáng)度接觸疲勞:

H≤[H](接觸應(yīng)力)→接觸強(qiáng)度(點(diǎn)蝕)（齒輪為例）

表面強(qiáng)度:→疲勞破壞整體斷裂(脆性材料)過大的殘余變形（塑性材料）→整體

破壞靜強(qiáng)度→疲勞斷裂(塑、脆性材料)→疲勞強(qiáng)度整體強(qiáng)度:變應(yīng)力靜應(yīng)力動(dòng)畫1動(dòng)畫2動(dòng)畫3齒輪、滾動(dòng)軸承等第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4剛度準(zhǔn)則剛度：材料抵抗彈性變形的能力剛度準(zhǔn)則：實(shí)際變形量≤許用變形量彎曲剛度：撓度條件：y≤[y]傾角條件：θ≤[θ]扭曲剛度：扭角條件：j≤[j]針對(duì)失效形式：過大的彈性變形典型零部件：軸、蝸桿等第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月5耐磨性準(zhǔn)則耐磨性：零件抗磨損的能力磨損是相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動(dòng)速度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)等具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損耐磨性準(zhǔn)則：

P

針對(duì)失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月6耐熱性準(zhǔn)則高溫引起承載能力降低、蠕變，也會(huì)造成熱變形、附加熱應(yīng)力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間的間隙，降低精度等耐熱性準(zhǔn)則：工作溫度低于許用值針對(duì)失效形式：高溫引起的潤滑不良、蠕變典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動(dòng)軸承等第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則共振：當(dāng)機(jī)器的自振固有頻率f與周期性激振頻率相同或整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，此時(shí)振幅急劇增大，導(dǎo)致零件破壞或機(jī)器工作條件失常等振動(dòng)穩(wěn)定性：機(jī)器工作時(shí)振幅不能超過許可值振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：0.85f>fp或1.15f<fp針對(duì)失效形式：共振產(chǎn)生的工作失常典型零部件：軸等第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-2機(jī)械零件的強(qiáng)度一、載荷二、應(yīng)力三、機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、載荷載荷：作用于零件上的力或力矩工作載荷：機(jī)器正常工作時(shí)所受的實(shí)際載荷名義載荷：理想工作條件下的載荷計(jì)算載荷：作用于零件的實(shí)際載荷，考慮各種附加載荷計(jì)算載荷=K×名義載荷載荷系數(shù)第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月隨機(jī)變應(yīng)力1靜應(yīng)力：不隨時(shí)間變化的應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力二、應(yīng)力變應(yīng)力：不穩(wěn)定變應(yīng)力：規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力和隨機(jī)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力2變應(yīng)力：隨時(shí)間變化的應(yīng)力第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類1）基本參數(shù)應(yīng)力循環(huán)特性（應(yīng)力比）最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅2）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類γ=+1—靜應(yīng)力γ=-1—對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)γ=0—脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力-1<γ<00<γ<1—非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

靜應(yīng)力γ=+1脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力γ=0對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力γ=－1非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力-1<γ<00<γ<1第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：1、最大、最小應(yīng)力都是代數(shù)值，以絕對(duì)值較大者為最大應(yīng)力，并規(guī)定它為正號(hào)，按照這樣的規(guī)定，循環(huán)特征的范圍為：2、靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力破壞形式斷裂或塑性變形塑性材料:取屈服極限作為極限應(yīng)力脆性材料:取強(qiáng)度極限作為極限應(yīng)力三、機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

疲勞破壞特征：

1）破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的靜強(qiáng)度極限；

2）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；

3）在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下產(chǎn)生,即疲勞斷裂是損傷的累積;疲勞斷裂與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)

4）對(duì)零件的材料、形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件等都非常敏感。2

變應(yīng)力下的許用應(yīng)力機(jī)械零件在變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的破壞稱為疲勞破壞第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1）疲勞曲線應(yīng)力循環(huán)特性一定時(shí)，表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N間的關(guān)系曲線。(求材料在不同N下的疲勞極限)它是取同一r不同N值時(shí)做實(shí)驗(yàn)所得。不同材料具有不同疲勞曲線。σ當(dāng)N≥N0:σrN=σ-1→當(dāng)σ＜σ-1→無限循環(huán)不破壞σrN：對(duì)應(yīng)N的疲勞極限N↑→σrN↓用σ－1表示材料在對(duì)稱情況下的疲勞極限(N=N0)當(dāng)N＜N0:對(duì)應(yīng)N0的應(yīng)力稱為材料的疲勞極限σNσ－1N0σrNNN0－循環(huán)基數(shù)第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）變應(yīng)力下的許用應(yīng)力取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力（無限壽命下的許用應(yīng)力）當(dāng)應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)：εσ－零件的尺寸系數(shù)β－零件的表面狀態(tài)系數(shù)kσ－零件的有效應(yīng)力集中系數(shù)當(dāng)應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)：安全系數(shù)：參考相關(guān)資料第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-3機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度

高副零件工作時(shí)，理論上是點(diǎn)接觸或線接觸→實(shí)際上由于接觸部分的局部彈性變形而形成面接觸→由于接觸面積很小，使表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力很大。該應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。在表面接觸應(yīng)力作用下的零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20處產(chǎn)生疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展，最后使表面金屬呈小片剝落疲勞點(diǎn)蝕疲勞點(diǎn)蝕是齒輪、滾動(dòng)軸承等零件的主要失效形式。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月兩圓柱體接觸接觸應(yīng)力（線接觸）計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式接觸強(qiáng)度的判斷條件：第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：當(dāng)三個(gè)相同的零件甲、乙、丙承受的σmax是相同的，但應(yīng)力的循環(huán)特性γ分別為+1，0，一1，其中，最易疲勞損傷的零件是——。答：丙例2：零件受交變應(yīng)力時(shí)，N次循環(huán)時(shí)的疲勞極限為，其中代號(hào)注腳“r”代表______。

A. B. C. D.例3：零件工作時(shí)可能出現(xiàn)塑性變形時(shí)，應(yīng)按準(zhǔn)則計(jì)算；零件工作時(shí)可能發(fā)生斷裂時(shí)，應(yīng)按準(zhǔn)則計(jì)算；零件工作時(shí)產(chǎn)生的彈性變形可能超過允許的極限時(shí)應(yīng)按準(zhǔn)則計(jì)算。A強(qiáng)度B剛度C壽命D振動(dòng)穩(wěn)定性E可靠性第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例5：應(yīng)力變化曲線如圖所示，該變應(yīng)力的循環(huán)特性為：例4：一對(duì)齒輪作單向傳動(dòng)，輪齒的彎曲應(yīng)力可看成哪類循環(huán)變應(yīng)力第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-4機(jī)械零件的耐磨性摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。耐磨性：零件抗磨損的能力稱為耐磨性磨損的類型磨料磨損：油不凈，硬質(zhì)顆?；虼植谟脖砻嬖谲洷砻嫔系那邢骰蚬尾磷饔靡鸬牟牧厦撀湔持p（膠合）：壓力作用—局部溫升高—粘著（焊接）—

相對(duì)運(yùn)動(dòng)—撕脫、剪切—材料轉(zhuǎn)移

疲勞磨損（點(diǎn)蝕）：交變接觸應(yīng)力—裂紋擴(kuò)展—表面剝落—

麻點(diǎn)、凹坑第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月腐蝕磨損：金屬表面與周圍介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中造成表面材料損失耐磨計(jì)算：高速時(shí)，要考慮發(fā)熱量：第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼和鑄鐵，其次是有色金屬和非金屬§9-5機(jī)械制造常用材料及其選擇1金屬材料（1）鑄鐵:含Ｃ＞2％的鐵碳合金稱為鑄鐵→良好的液態(tài)流動(dòng)性（易成型）、吸振、耐磨、價(jià)廉。（2）鋼:含Ｃ量＜2％的鐵碳合金稱為鋼→具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性，可用熱處理改變其特性按化學(xué)成分，鋼分為：

A.碳素鋼：低碳鋼(C)<0.25%、中碳鋼(C)=0.25%～0.55%

高碳鋼(C)＞0.55%(性質(zhì)取決于含碳量,含碳量越高，則強(qiáng)度越高）

B.合金鋼（加入了合金元素的鋼）一、常用材料第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月按用途鋼分為：結(jié)構(gòu)鋼（制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件）工具鋼（制造各種刃具、模具和量具）特殊鋼（如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等，用于…)常用鋼鐵材料的牌號(hào)及力學(xué)性能見表9-1（3）銅合金：分為：青銅和黃銅黃銅：銅和鋅的合金，塑性和流動(dòng)性好，可輾壓和鑄造青銅：減摩和抗腐蝕較好2非金屬材料（1）橡膠：彈性好，能吸收震動(dòng)和緩和沖擊（2）塑料：比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，應(yīng)用越來越廣泛第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、材料熱處理1目的2方法退火退火、正火、淬火、回火、表面熱處理正火將零件加熱到某一溫度→保溫→隨爐冷卻加熱到某一溫度→保溫→較快冷卻(例空冷)→消除內(nèi)應(yīng)力,硬度減小→改善切削性能

（1）改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高材料力學(xué)性能（2）消除內(nèi)應(yīng)力(加工,熱處理)→韌度,強(qiáng)度有所提高消除內(nèi)應(yīng)力(不如退火)第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月淬火回火硬度大大提高→耐磨性,疲勞強(qiáng)度提高內(nèi)應(yīng)力增大→需消除(回火)→綜合力學(xué)性能較好(強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性)→重要零件調(diào)質(zhì)內(nèi)應(yīng)力及脆性均較大↓,硬度↓,彈性↑→彈簧內(nèi)應(yīng)力及脆性均↓,硬度及強(qiáng)度均較高→刀具高溫～→加熱到某一溫度→保溫→急速冷卻

將淬硬的鋼件加熱到某一溫度(較低)→保溫→冷卻(空冷)低溫～→中溫～→第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面熱處理強(qiáng)化零件表面→表面淬火,化學(xué)熱處理→表面硬度及耐磨性↑芯部韌性不變將某種化學(xué)元素(活性原子)滲入零件表面→力學(xué)性能↑→表面很硬,芯韌表面硬度、耐磨性、抗蝕性、疲勞強(qiáng)度↑→表面迅速加熱→急冷→低溫回火滲碳(碳原子):氮化(氮原子):氰化(碳+氮):表面淬火化學(xué)熱處理第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性極限：sP抗拉強(qiáng)度：sB屈服強(qiáng)度：sS(s0.2)硬度：HBS:布氏硬度硬度機(jī)壓頭為淬火鋼球，不能測(cè)太硬的材料，一般HBS<450HRC、HRB、HRA:洛氏硬度120o金剛石錐體，載荷150kgf,不能冊(cè)硬、脆的薄層零件HV:維氏硬度136o金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf顯微硬度三種硬度單位之比較：HV(維氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBSspsSsBesABCDE三、材料力學(xué)性能指標(biāo)第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月使用要求：使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度...工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經(jīng)濟(jì)要求：材料價(jià)格結(jié)合加工費(fèi)用、材料利用率...四、材料的選擇原則第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)列

批量零件應(yīng)有互換性，即裝配時(shí)不需要選擇和再加工。為實(shí)現(xiàn)零件的互換性，必須保證零件的尺寸在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；即加工的零件尺寸必須在兩個(gè)允許的極限尺寸之間公差：這兩個(gè)極限尺寸之差如圖：零線代表基本尺寸的位置。由上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶上偏差下偏差一、公差與配合動(dòng)畫第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差代號(hào)：孔與軸的公差帶位置各有28個(gè)。分別用大小寫拉丁字母表示軸→小寫－f、k、r孔→大寫－H、G、K第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差等級(jí)(尺寸精度等級(jí)):1～20級(jí)，常用4～11級(jí)→置于公差代號(hào)之后軸(f7、k7、r7);孔(F7、H7、K7)配合：基本尺寸相同、相互結(jié)合的孔與軸的公差帶之間的關(guān)系→┌間隙配合→孔＞軸│過渡配合→孔＜軸或孔＞軸└過盈配合→孔＜軸?35H7/f6?35H7/k6?35H7/r6配合制度：基孔制和基軸制基孔制：孔是基準(zhǔn)孔，下偏差為零，代號(hào)為H，各種配合是靠改變軸的公差來實(shí)現(xiàn)基軸制：軸是基準(zhǔn)軸，上偏差為零，代號(hào)為h，各種配合特性是靠改變孔的公差來實(shí)現(xiàn)第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月公差與配合的選用：1、在滿足使用要求的條件下，盡可能選低的等級(jí)；等級(jí)高于或等于8級(jí)時(shí)，孔比軸低一級(jí)；低于8級(jí)，軸與孔同級(jí)。2、優(yōu)先選用基孔制3、盡可能選用優(yōu)先配合(查手冊(cè)，如課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表18-5）第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月→（評(píng)定）輪廓算術(shù)平均偏差(表面粗糙度Ｒａ):在被測(cè)量的基本長度內(nèi)，輪廓上各點(diǎn)至輪廓中線偏距絕對(duì)值的算數(shù)平均值二、表面粗糙度近似為：→零件表面的微觀幾何形狀誤差中線：規(guī)定的測(cè)量基準(zhǔn)線，該線能使在測(cè)量的基本長度內(nèi)輪廓上各點(diǎn)與它的距離平方和為最小。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、形位公差第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、優(yōu)先數(shù)列→便于組織生產(chǎn)和降低成本ＧＢ321－80Ｒ5→公比=;Ｒ10→公比=Ｒ20→公比=;Ｒ40→公