机械设计第九章 机械零件设计概论(两学时).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,作 业,第九章：,9.4 9.6,（平时作业）,第九章 机械零件设计概论,本章将扼要阐明机械零件设计计算的,共性问题,:,机械零件设计概述,;,机械零件的强度、接触强度和耐磨性,;,机械制造常用材料及其选择,;,机械零件的工艺性及标准化,;,机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为,失效。,在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为,工作能力。,通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为,承载能力。,几个概念：,9-1,机械零件设计概 述,零件的失效原因,断裂或塑性变形；,过大的弹性变形；,工作表面的过度磨损或损伤；,发生强烈的振动；,联接的松弛；,摩擦传动的打滑,等。,强度,刚度,耐磨性,振动稳定性,耐热性等,如：轴的失效,疲劳断裂；,弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。,承载能力,取决于轴的疲劳强度；,取决于轴的刚度；,两者中的较小值决定了轴的承载能力,此外，,还可能因轴颈过度磨损而失效；,对高速运转的轴，还应验算其振动稳定性；,机械零件设计应满足：,足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。,判定条件可概括为：计算量,许用量,如：强度为主要问题，按强度判定：应力,许用应力,刚度为主要问题，按刚度判定：变形量,许用变形量,.,机械零件设计步骤,1,）拟定计算简图；,2,）确定零件工作载荷大小；,3,）选材；,4,）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸；,5,）绘制零件图；,6,）编制技术文件。,设计计算,校核计算,9-2,机械零件的强度,强度准则：,、,危险截面处的计算正应力、剪应力；,、,材料的许用应力；,lim,、,lim,材料的极限应力；,S,安全系数。,、,取决于应力种类、材料极限应力和安全系数等。,不随时间变化的应力。,随时间变化的应力。,具有周期性的变应力,。,一、应力的分类,应力与载荷：,：应力,(,MPa,=N/mm,2,),F,：,载荷,(N),A,：,受力面积,(m,2,),静载荷,离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等；,变载荷,石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等。,静载荷通常产生静应力 ；,变载荷产生变应力。,静载荷也可能产生变应力,(,如转轴中弯曲应力,),注意：正确分析应力特性,举例：,(1),静载荷拉杆,r=1,(2),转轴,对称循环,(3),齿轮应力,脉动循环,二、静应力下的许用应力,零件材料损坏形式：断裂或塑性变形,塑性材料,:,lim,=,S,屈服极限,许用应力,脆性材料,:,lim,=,B,强度极限,许用应力,变应力下零件的失效形式：,疲劳断裂,疲劳断裂 特征：,1,）疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限；,2,）疲劳断口均表现为无明显塑性变形；,3,）断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区；,4,）疲劳断裂是损伤的积累的结果。,三、变应力下的许用应力,1,、疲劳曲线,疲劳曲线,-,表示应力,与应力循环次数,N,之间的关系曲线。,横坐标,-,循环次数,N,纵坐标,-,断裂时的循环应力,应力,越小，试件能经受的循环次数,N,越多,N,某数值,N,0,，“,无限次”循环试件不断裂,N,0,-,循环基数,(10,6,10,7,),材料经过,N,0,次应力循环，发生破坏的应力值,-,疲劳极限,r,无限寿命区,(N,N,0,),r,有限寿命区,(N,N,0,),r,N,2,、许用应力,变应力下，,lim,=,r,还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响,引入有效应力集中系数,k,、,尺寸系数,和表面状态系数,等,对称循环,r=-1,脉动循环,r=0,四、安全系数,安全系数,S,对零件尺寸影响很大：,S,过大，结构笨重,；,S,过小，可能不够安全。,部分系数法：,S=S,1,S,2,S,3,S,1,考虑载荷及应力计算的准确性；,S,2,考虑材料的力学性能的均匀性；,S,3,考虑零件的重要性。,具体数值可参阅有关书刊。,9-3,机械零件的接触强度,整体强度,-,零件受载是在较大体积内产生应力。,接触应力,-,两零件受载前点接触或线接触，受载后接触面积很小而表层产生很大局部应力。,这时零件强度称为,接触强度,如齿轮、滚动轴承等，都是通过很小接触面积传递载荷的，承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。,机械零件的接触应力通常是周期性变化的，载荷重复作用,表层初始疲劳裂纹,裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展）,表层金属呈小片状剥落,零件表面形成一些小坑,-,疲劳点蚀,疲劳点蚀,-,减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。,疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式,接触疲劳强度的判定条件,接触疲劳极限,Hlim,由实验测得，,两零件硬度不同时以较软零件接触疲劳极限为准。,而,由弹性力学计算,H,两轴线平行的圆柱体相互接触并受压，接触面积为狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上。,最大接触应力为：,对于钢或铸铁取泊松比,1,=,2,=,=0.3,令,上式可化简为：,赫兹,(H.Hertz),公式,赫兹,(H.Hertz),公式,H,最大接触应力,(,赫兹应力,),b,接触长度,Fn,作用在圆柱体上的载荷,综合曲率半径,外接触,(+),，内接触,(-),E,综合弹性模量,9-4,机械零件的耐磨性,磨损,-,运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。,磨损逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态；,剧烈磨损时，运动副间隙增大，机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。应立即停车检修、更换零件；,约,80,的损坏零件因磨损而报废。,耐磨性,-,零件抗磨损的能力。,1,、磨粒磨损,硬质颗粒（零件本身磨损造成的金属微粒或外来的尘土杂质等）进入摩擦表面或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落的现象。,2,、粘着磨损（胶合）,零件表面有一定粗糙度，摩擦受载时，部分峰顶接触处压强很高，导致接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料转移（接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面相互咬死）。,3,、疲劳磨损,(,点蚀,),滚动或兼有滑动和滚动的高副（凸轮、齿轮等）受载时材料表层接触应力很大，载荷重复作用，表层金属呈小片状剥落，在零件表面形成小坑。,4,、腐蚀磨损,摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。,实用耐磨计算,1,）限制运动副的压强,p,防止过度磨损,即：,p,p,许用压强,p,由实验或同类机器使用经验确定。,2,）限制运动副的,pv,防止胶合,即：,p,v,p,v,摩擦系数,f,一定时，,f,p,v,代表运动副单位时间单位接触面积的发热量,。,9-5,机械制造常用材料及其选择,一、金属材料,黑色金属,铁碳合金,铁碳含金,铸铁,(,含碳量大于,2,),钢,(,含碳量小于,2,),机械性能,总体上，含碳量越高，材料强度硬度提高、塑性下降。,钢和铸铁,最常用，其次是,有色金属合金,，,非金属材料,如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。,1,、铸铁,脆性材料,不能辗压和锻造,常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。,灰口铸铁,HT150(,抗拉强度,150MPa,）,球墨铸铁,QT500-7(,抗拉强度,500MPa,，,拉伸率,7%,）,具有高的强度、韧性和塑性。可用锻造、冲压、焊接。,按化学成分：,1,）碳素钢,含碳量不超过,0.7%,（低中高碳钢）,普通碳素钢,Q235,等,(,屈服强度,235MPa),优质碳素钢,45,等,(,含碳量,0.45%,左右）,2,）合金钢,钢中添加合金元素，如：,40Cr 35CrMo 40CrNiMo,等,采用,40CrNiMo,制造钻具。,2,、钢,3,）铸钢,液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造，壁厚常不小于,10mm,。,铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。,如：,ZG230-450,（,屈服强度,抗拉强度）,表,9-2,常用钢铁材料的力学性能,表,9-2,3,、,有色金属合金（减摩、耐腐蚀）,1,）铜合金,青铜,减摩性、耐磨、抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。,2,）轴承合金（称巴氏合金）,为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗胶合性好，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。,三、热处理,热处理类型,1,）退火,随炉冷却,消除锻造、焊接内应力；,2,）正火,空气冷却，正火后硬度强度提高，消除内应力方面不如退火；,3,）淬火,水冷或油冷，淬火后硬度强度提高较大，脆性增加、存在较大内应力；,热处理概念,固态钢材加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却，可改变金属内部结构，达到改变金属性能的方法。,4,）回火,淬火后又加热冷却（低温、中温、高温）,消除淬火后内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度；,5,）调质,淬火高温回火，可获得强度、硬度、塑性、韧性等都较好的综合力学性能；,6,）表面淬火（火焰加热、感应电流加热）；,7,）渗碳,低碳钢表面渗入碳元素,耐磨；,8,）渗氮,钢材表面渗入氮碳元素,耐磨；,9,）氰化,碳氮共渗,耐磨。,2,、工艺要求,应考虑零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯种类；,如：铸件适合外形复杂、批量生产，塑性差的材料不能冲压、锻造。,3,、经济性要求,不仅指材料本身的成本，还包括加工制造费用、使用维护费用等。,四、如何选材,1,、使用要求,根据使用要求合理选材与设计零件尺寸。,9-6,机械零件的结构工艺性及标准化,一、工艺性,在具体生产条件下，所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，称为具有良好的,工艺性。,有关工艺性的基本要求是：,1,、毛坯选择合理,-,铸件、型材、冲压、焊接,;,2,、结构简单合理,-,机床加工尽量方便、省时,;,3,、精度、粗糙度合理,-,根据实际需要,;,4,、便于安装、维修。,1,、在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；,2,、在设计方面可减少设计工作量，缩短设计周期；,3,、在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。,指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。,标准化意义,定义,二、标准化,本章学习要求,1,、掌握机械零件的主要失效形式和工作能力计算准则；,2,、掌握载荷、应力分类及关系，掌握极限应力、安全系数、许用应力概念及公式，掌握疲劳强度、接触强度、磨损等概念及公式；,3,、熟悉常用材料及其选择；,4,、了解机械零件工艺性及标准化。,