机械设计基础 机械零件设计概论.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,*,*,*,第,11,章 机械零件设计概论,11-1,机械零件设计概述,11-2,常用材料及其选择,11-3,许用应力和安全系数,11-4,机械零件的工艺性和标准化,基本要求,:,掌握零件常见的失效形式和设计准则,掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法,了解零件的常用材料及性能,机械设计基础,机械零件设计概论,11-,1,机械零件设计概述,一、,机械零件分类,二、,机械零件设计基本要求,三、,机械零件设计过程,四、,机械零件传统设计方法,机械设计基础,机械零件设计概论,一、机械零件分类,机器：,机械、机构的总称构件,运动的单元,零件,制造的单元,机械设计基础,机械零件设计概论,通用,零件,传动件：,齿轮、蜗杆、带、链,联接件,：螺栓、键、花键,支承件：,轴、轴承,机械零件,专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨,其它：,联轴器、弹簧、机架,二、机械零件设计基本要求,1,、满足功能要求，能够准确实现预定的功能,2,、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效,3,、经济性要求,机械设计基础,机械零件设计概论,三、机械零件设计过程,零件设计时的共性：,机械设计基础,机械零件设计概论,过程：,1,、拟订零件的设计简图,2,、确定载荷的大小及位置,3,、选择材料,4,、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数,5,、绘制零件工作图,工作原理、结构、,类型、应用场合,受力分析、,失效形式,设计准则、,设计计算,四、机械零件传统设计方法,理论设计,(,半经验设计,),：,机械设计基础,机械零件设计概论,类比设计：,与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠,经验设计：,根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新,模型实验设计：,用于大型、复杂零件的设计,强度条件,(,或刚度,),设计计算,尺寸,校核计算,强度条件,(,或刚度,),五 机械零件的工作能力准则,1,、,机械零件常见失效形式,2,、,工作能力准则,3,、,强度准则,4,、刚度准则,5,、,耐磨性准则,6,、,振动稳定性准则,7,、,耐热性准则,机械设计基础,机械零件设计概论,1,、机械零件常见失效形式,失效：,丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏,常见主要失效形式有：,断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂,表面点蚀：工作表面片状剥落,塑性变形：零件发生永久性变形,过大弹性变形,表面破坏,过大振动和噪声、过热等,机械设计基础,机械零件设计概论,例如轴可能的失效形式：,断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振,强度问题,刚度问题,耐磨性问题,F,n,2,、工作能力准则,工作能力：,不失效条件下零件的安全工作限度,这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力”,如：,吊钩最大起重量,50,kN,工作能力或承载能力,50,kN,机械设计基础,机械零件设计概论,工作能力准则：,衡量零件工作能力的指标,对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计,具体有：,强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则,50,kN,3,、强度准则,机械零件工作能力的最基本准则,强度：,材料抵抗断裂或残余变形的能力,强度准则：,工作应力,许用应力,或,机械设计基础,机械零件设计概论,针对失效形式：,断裂、疲劳破坏、残余变形,典型零部件：,轴、齿轮、带轮等,正应力：,剪应力：,极限应力,4,、刚度准则,刚度：,材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：,实际变形量许用变形量,弯曲刚度：挠度条件,：,y y,倾角条件,：,扭曲刚度：扭角条件：,j,j,机械设计基础,机械零件设计概论,针对失效形式：,过大的弹性变形,典型零部件：,轴、蜗杆等,5,、耐磨性准则,耐磨性：,零件抗磨损的能力,磨损是相当复杂的物理化学过程,影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等,具体有：,磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损,耐磨性准则：,P,机械设计基础,机械零件设计概论,针对失效形式：,零件表面破坏,典型零部件：,齿轮、轴承、链等,6,、振动稳定性准则,共振：,当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等,振动稳定性：,机器工作时振幅不能超过许可值,振动稳定性准则：,0.85f,f,p,或,1.15f,f,p,机械设计基础,机械零件设计概论,针对失效形式：,共振产生的工作失常,典型零部件：,轴等,7,、耐热性准则,高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等,耐热性准则：,工作温度低于许用值,机械设计基础,机械零件设计概论,针对失效形式：,高温引起的润滑不良、蠕变,典型零部件：,蜗杆、齿轮、滑动轴承等,11-,2,常用材料及其选择,一、,常用材料,二、热处理方法,三、,材料力学性能指标,四、,材料选择原则,机械设计基础,机械零件设计概论,一、常用材料,常用零件材料的力学性能等级和牌号,1,铸铁：,含,2.06,易成型、价廉、吸振、可靠性差,灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁,2,钢：,含量,1.4,常用,碳素钢,：,（含、量不同）,普通碳素钢、优质碳素钢,合金钢：,综合机械性能好，但较贵,合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理,铸钢：,含（0.150.6）易成型,3,有色金属合金：,有特殊性能，价昂,少用,铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金,4,非金属材料：,工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料,机械设计基础,机械零件设计概论,二、热处理方法,1,退火,2,正火,3,淬火,4,回火,5,表面热处理,机械设计基础,机械零件设计概论,热处理比较,1,退火,降低硬度、提高,韧性、细化晶粒、消除内应力,2,正火,用于处理低中碳钢,，,代替,低中碳钢,的退火。提高硬度，增加韧性，,易于切削,，减少应力,机械设计基础,机械零件设计概论,3,淬火,（蘸火）,提高硬度和耐磨性、但内应力增大,，,会发脆，,应,再回火,4,回火,消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能,，提高韧性,低温回火,：,高强度、高硬度及良好的耐磨性,中温回火,：,高弹性、硬度中等,高温回火,：,强度、塑性、韧性都较好,(,调质,淬火,+,高温回火,),正火,(,空冷,),退火炉冷,),回火,加热,保温,淬火,时间,温度,表面热处理,表面热处理：,表面增硬，芯部韧,表面淬火法（火焰加热、感应加热,）,化学热处理（渗碳、氮化、氰化,.,）,机械设计基础,机械零件设计概论,三、材料力学性能指标,弹性极限：,s,P,抗拉强度：,s,B,屈服强度：,s,S,(,s,0.2,),机械设计基础,机械零件设计概论,硬度：,HBS:,布氏硬度,硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般,HBS450,HRC,、,HRB,、,HRA:,洛氏硬度,120,金刚石锥体，载荷,150kgf,不能册硬、脆的薄层零件,HV:,维氏硬度,136,金刚石四角锥体，载荷小，,5-30kgf,显微硬度,三种硬度单位之比较：,HV(,维氏,)HBS(,布氏,),；,HRC(,洛氏,)10 HBS,s,p,s,S,s,B,e,s,A,B,C,D,E,四、材料选择原则,使用要求,：,使用环境、载荷性质、结构、重要程度.,工艺要求,：,零件及其毛坯的形状、批量、加工方法.,经济要求,：,材料价格结合加工费用、材料利用率.,机械设计基础,机械零件设计概论,11-3,许用应力和安全系数,一、,载荷,二、,应力,三、,极限应力,四、,许用应力和安全系数,机械设计基础,机械零件设计概论,一、载荷,载荷：,作用于零件上的力或力矩,工作载荷：,机器正常工作时所受的实际载荷,名义载荷：,理想工作条件下的载荷,计算载荷：,作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷,计算载荷,=,K,名义载荷,机械设计基础,机械零件设计概论,载荷系数,二、应力,静应力：,不随时间改变或变化缓慢的应力,变应力：,随时间作周期性或非周期性变化的应力,变应力：,稳定变应力（,随时间作周期性,）、不稳定变应力（,非周期性循环变应力,）,机械设计基础,机械零件设计概论,稳定变应力：,对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力,t,s,t,s,s,min,s,max,s,m,应力参数,以正应力,s,为例,最大应力,:,s,max,=,s,m,+,s,a,最小应力,:,s,min,应力幅,:,s,a,机械设计基础,机械零件设计概论,平均应力,:,s,m,循环特征,:,r,t,s,s,min,s,max,s,m,静应力,应力表达：,s,+1,（,t,+1,）,最大应力,:,s,max,最小应力,:,s,min,应力幅,:,s,a,平均应力,:,s,m,循环特征,:,r,机械设计基础,机械零件设计概论,t,s,s,m,脉动循环变应力,应力表达：,s,0,（,t,0,）,最大应力,:,s,max,最小应力,:,s,min,应力幅,:,s,a,平均应力,:,s,m,循环特征,:,r,机械设计基础,机械零件设计概论,s,m,t,s,对称循环变应力,应力表达：,s,-,1,（,t,-,1,）,最大应力,:,s,max,最小应力,:,s,min,应力幅,:,s,a,平均应力,:,s,m,循环特征,:,r,机械设计基础,机械零件设计概论,t,s,三、极限应力,1,静应力下的极限应力,与材料性能有关,脆性材料取强度极限,s,B,(,t,B,),机械设计基础,机械零件设计概论,塑性材料取屈服极限,s,S,(,t,S,),s,B,e,s,玻璃钢,灰口铸铁,e,s,s,p,s,S,s,B,A,B,C,D,E,2,变应力下的极限应力,疲劳极限：,依据防疲劳断裂的准则确定,材料经过,N,0,次应力循环不发生破坏的应力最大值,s,r,(,t,r,),机械设计基础,机械零件设计概论,各种材料的,s,r,可从有关手册中查取,有限寿命区,无限寿命区,四、许用应力和安全系数,许用应力：,设计零件时所依据的条件应力,机械设计基础,机械零件设计概论,安全系数,许用应力,结构笨重,安全系数,许用应力,不够安全,许用应力,极限应力,安全系数,许用应力确定,1,查许用应力表,根据实践经验制成表格选取,机械设计基础,机械零件设计概论,2,部分系数法,S=S,1,S,2,S,3,S,1,：,计算载荷和应力准确性系数（,11.5),S,2,：,材料的均匀系数（铸铁,:1.52.5,钢,:1.21.5,）,S,3,：,零件重要性系数（,11.5),11-,4,机械零件的工艺性和标准化,一、工艺性,主要体现在下面三个方面：,1.,毛坯选择合理,铸件、锻件、型材,？单件生产、批量生产？,2.,结构设计合理,几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀,.,3.,制造精度及表面粗糙度选择合理,二、标准化,品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化,国际标准,ISO,、国家标准,GB,、行业标准,(JB,、,YB,、,QB),、企业标准,标准又分为,强制性（,GB,）和推荐性（,GB/T,）,两种,这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册,机械设计基础,机械零件设计概论,