机械零件设计基础-2.ppt

机械零件的计算准则 摩擦学设计基础 机械零件材料选用原则 机械零部件的标准化 第十三章 机械零件设计基础 机械零件的失效及其类型 强度准则 刚度准则 稳定性准则 耐热性准则 可靠性准则 1.1 机械零件的计算准则 机械零件的计算准则 机械零件的失效及其类型 失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 失效形式：变形、断裂、腐蚀、磨损、老化、打滑和松动 等，也有复合型式的失效 工作能力机械零件具有足够的抵抗失效的能力 计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的 零件工作能力计算依据的基本原则 因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型 也不同，故机械零件的计算准则也不同 载荷和应力1 载荷和应力 、载荷 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷 静载荷 变载荷 按是否随时间变化，载荷 机械零件的计算准则 2、应力 应力 静应力 循环应力 smax最大应力； smin最小应力 sm平均应力； sa应力幅值 r 应力比（循环特性） 循环应力 载荷和应力3 对称循环 脉动循环 常见的循环应力 对称循环应力 r = -1、 sm0 脉动循环应力 r=0、 smin0 静应力 r=1 静应力（可看作是循环应力的一个特例） 静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可 由静载荷产生。 机械零件的计算准则 强度准则 强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 强度条件有两种表示方法： 1） 用应力表示： 2）用安全系数表示： 式中： 计算最大应力 极限应力 计算安全系数 许用应力 许用安全系数 注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。 机械零件的计算准则 强度准则 静应力下的强 度 一、静强度 在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或 断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。 塑性材料 单向应力状态下： ， 复合应力状态下： 按第三或第四强度理论计算当量应力。 脆性材料 单向应力状态下： ， 复合应力状态下： 按第一强度理论计算当量应力。 l对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁）， 在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 l对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算 静强度时，应考虑应力集中的影响。 机械零件的计算准则 挤压强度 挤压应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用 下，接触表面上产生的应力，用 表示。 挤压强度：在挤压应力作用下的强度。其强度条件为： 挤压应力作用下，接触面的失效形式是“压溃” 。 相互挤压表面上的挤压应力相等。 机械零件的计算准则 接触强度 二、疲劳强度 机械零件的计算准则 疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式 设计方法：标称应力法、局部应力应变法、损伤容限设计 法和概率疲劳设计法 疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发 生疲劳的最大应力 疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应 力循环次数之间关系的曲线 机械零件的计算准则 无限寿命区 对称循环： 脉动循环： 当N103(104)高周循环疲劳 当时随循环次数疲劳极限 疲劳曲线方程 有限寿命区 当N2% 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较 好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。 机械零件常用材料 机械零件材料选用原则 -含碳量2% (1)铸钢 铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大 型零件。 (2) 特点：铸钢的力学性能接近变形钢，与灰铸铁比 较，其减振性较差，熔点较高，铸造收缩率较大， 容易出现气孔，故铸造性不如铸铁。 (2)变形钢 碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结 构钢、弹簧钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。 是机械零件应用最广泛的材料 机械零件材料选用原则 二、非铁金属材料 特点：如减摩性、耐蚀性、耐热性、导电性等。 应用：在一般机械制造中，可用它们作承载、耐磨、减摩 和耐蚀材料，也用做装饰材料。机械制造采用的非铁金属 材料有：铜合金、铝合金、钛合金和轴承合金 三、粉末冶金材料 按材质分：铁基、铜基、镍基、不锈钢基、钛基和铝基粉 末冶金材料。 按用途分：结构材料、减摩材料、摩擦材料、多孔材料。 1粉末冶金结构材料 具有高强度、高硬度和韧性好等特点，并有良好的耐蚀、 密封性和耐磨性。主要用于传动齿轮、汽车和冰箱压缩机 零件等。 2粉末冶金减摩材料 承载能力高，摩擦因数低，具有良好的自润滑性、耐高温 性和耐磨性。摩擦时不伤配副件，噪声较低。主要用于制 作轴承、含油轴承等。 机械零件材料选用原则 3粉末冶金摩擦材料 摩擦因数大而稳定，耐短时高温，耐磨，导热性好，抗 胶合能力强，摩擦时不伤配副件，主要用于制作离合器片、 制动器片等。 4粉末冶金多孔材料 综合性能优良，对孔隙的形态、大小、分布及孔隙度均 可控制。主要用来制作过滤，减振和消音元件，以及催化、 止火、电极、热交换和人造骨等制品。 机械零件材料选用原则 四、 有机高分子材料 1工程塑料 密度小、容易加工，可用注塑成型法制成各种形状复 杂、尺寸精确的零件。但是导热性差。通常用工程塑料作 减摩、耐蚀、耐磨、绝缘、密封和减振材料。塑料分为热 塑性塑料和热固性塑料。 2橡胶 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类 特点：弹性高、弹性模量低。在机械制造中橡胶主要用作 密封、减振元件,传动带,轮胎等。 机械零件材料选用原则 五、无机非金属材料 结构陶瓷 有氧化物、氮化物、碳化物、硼化 物陶瓷等。具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧 化、难加工等特性，用来制造轴承、模具、活 塞环、气阀座、密封件、挺杆等零件。 功能陶瓷 电功能陶瓷，磁功能陶瓷，光功能 陶瓷，生物和化学功能陶瓷等。它们都是为某 一特殊功能要求而采用的材料。 .工程陶瓷 2炭石墨材料 强度不高，但密度低、耐高温、耐化学腐蚀、有自润 滑性，在机械工业中广泛用作密封圈、活塞环、轴承、电 刷、热交换器等。 3聚合物混凝土 是用高分子树脂代替水泥作粘合剂的混凝土。 特点：具有高的强度，良好的抗化学药品腐蚀的性能(优 于不锈钢)，减振和消声能力是灰铸铁的7倍，具有良好的 耐磨性和电绝缘性。 这种材料是金属加工机床底座的理想材料 机械零件材料选用原则 六、 复合材料 复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料 复合而成的一类多相材料。 l根据基体材料来分：金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料； l根据增强材料形状分：有颗粒复合材料、纤维复合材料和层迭 复合材料； l根据使用目的分：有结构复合材料和功能复合材料。 特点： la. 比强度和比模量高。比强度高的材料能承受高的应力；比 模量高象征材料轻而刚度大； lb. 抗疲劳性能好。 lc. 减振性能好。材料内大量界面对振动有反射吸收作用。 ld. 高温性能好。 机械零件材料选用原则 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的结构及加工性 材料的经济性 零件的尺寸及重量 材料选用原则 适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计 机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料 ，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根 据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工 艺性能以及经济因素等进行全面考虑。 选材的一般原则 通用化 系列化 组合化 1. 机械零部件的标准化 标准是对科学技术和经济领域中某些多次重复的事物给 予公认的统一规定。 标准化就是制订、贯彻和推广应用标准的过程。 机械产品标准化的主要内容和形式是通用化、系列化和 组合化(模块化)。 最大限度地扩大同一零部件使用范围的一种标准化形式。 它是以互换性为前提的，统一具有相同或相似功能和结构 的零部件，以扩大零部件的制造批量和重复使用范围，减 少设计和制造中的劳动量，保证结构、质量的稳定性，并 便于组织专业化生产和协作，以降低生产成本。 紧固件、滚动轴承等是通用化程度最高的零件之一。 通用化 机械零部件的标准 系列化 有目的的指导同类产品发展的一种标准化形式。通过对同 一类产品的发展规律和国内外的需求趋势预测及生产条件增 长的可能性的分析，将产品的主要参数按一定的数列作合理 安排或规划，再对其基本型式、尺寸和结构进行规定和统一 ，编制产品系列型谱和进行系列设计，以缩短设计周期，加 快品种的发展。 是开发满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。 在对一定范