机械零件设计概述

第九章机械零件设计概论 机械零件 本章教学内容和基本要求 了解机械零件设计的基本要求 理解机械零件的体积强度和表面强度 了解机械零件常用材料及其选择 了解机械零件的结构工艺性及机械零部件的标准化 系列化和通用化 机械零件设计概论 机械零件设计的基本要求及步骤机械零件的强度机械零件的接触强度机械零件的耐磨性机械零件常用材料及其选择公差与配合 表面粗糙度机械零件的工艺性及标准化 机械零件设计的基本要求及步骤 机械零件设计的基本要求机械零件的失效机械零件的设计步骤 机械零件设计的基本要求 机械设计应满足的要求是 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 在预定使用期限内安全可靠 操作方便 维修简单 造型美观等 概括的说 所设计的机械零件必须满足以下几点 工作可靠 成本低廉 维修简单 造型美观 机械零件的失效 失效机械零件由于某种原因不能正常工作时 称为失效 工作能力在不发生失效的情况下 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 所以习惯上又称为承载能力 失效形式工作能力计算准则 失效形式 机械零件有许多种失效形式 但归纳起来最主要的有以下几种形式 强度失效 零件发生断裂或塑性变形 刚度失效 零件发生过大的弹性变形 耐磨性失效 零件的工作表面产生过度磨损或损伤 稳定性失效 零件发生强烈的振动 温度失效 零件过热 工作能力计算准则 对于各种不同的失效形式 相应地有各种工作能力判定条件 判定条件可概括为计算量 许用量 这种为防止失效而制定的判定条件 通常称为工作能力计算准则 对于不同的失效形式 有以下几种计算准则 判定条件 工作能力计算准则 强度失效应力 许用应力 S S 刚度失效变形量 许用变形量 y y 耐磨性失效压强 许用压强 稳定性失效计算量 许用量 p1 15 温度失效温升 许用温升或满足热平衡计算准则 T T 或H1 H2 机械零件的设计步骤 设计机械零件时 常根据一个或几个可能发生的主要失效形式 运用相应的判定条件 确定零件的形状和主要尺寸 一般设计步骤如下 拟定零件的计算简图确定作用在零件上的载荷选择合适的材料根据零件可能出现的失效形式 选用相应判定条件 确定零件的形状和主要尺寸 应当注意 零件尺寸的计算值要根据工艺要求和标准 规格加以圆整 绘制加工图并标注必要的技术条件 机械零件的设计步骤 以上所述为设计计算 在实际工作中 也常采用相反的方式 校核计算 这时先参照实物 或图纸 和经验数据 初步拟定零件结构和尺寸 然后再用相关的判定条件进行验算 机械零件的强度 名义载荷理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 计算载荷在机器运转时 零件还会受到各种附加载荷 通常引入载荷系数K的办法来估计这些因素的影响 载荷系数与名义载荷的乘积 称为计算载荷 名义应力按照名义载荷用力学公式求得的应力 计算应力按照计算载荷求得的应力 机械零件的强度 机械零件的强度是指其抵抗体积断裂 塑性变形和表面损坏这类失效的能力 分为体积强度和表面强度 分别包括静强度和疲劳强度 体积强度 是指拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转等涉及零件整个体积的强度 表面强度 是指挤压 接触等涉及零件表面层的强度 机械零件的强度 机械零件按照强度条件判定时 常用的方式是比较危险截面处的计算应力 是否小于零件材料的许用应力 即 机械零件的强度 应力的种类静应力下的许用应力变应力下的许用应力安全系数 应力的种类 按照随时间变化情况 可分为静应力和变应力 静应力 不随时间变化的应力称为静应力 纯粹的静应力是没有的 但如变化缓慢 就可以看作是静应力 如图a 变应力 随时间变化的应力称为变应力 具有周期性的变应力称为循环变应力 如图b为一般的非对称性循环变应力 图中T为应力循环周期 应力的种类 对称循环变应力 当时 且 如图c 脉动循环变应力 静应力可看作是变应力的特例 静应力下的许用应力 静应力下 零件材料有两种损坏形式 断裂或塑性变形 对于塑性材料 可按不发生塑性变形的条件进行计算 这时应取材料的屈服极限作为零件的极限应力 故许用应力为 对于用脆性材料制成的零件 应取强度极限作为极限应力 其许用应力为 变应力下的许用应力 变应力下 零件的损坏形式是疲劳断裂 疲劳断裂具有以下特征 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低 甚至比屈服极限低 不管脆性材料或塑性材料 其疲劳断裂均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂 疲劳断裂是损伤的积累 它的初始现象是在零件表面或表层形成微裂纹 这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展 直至余下的未断开的截面积不足以承受外载荷时 零件就突然断裂 在零件的断口上可清晰的看到这种情况 变应力下的许用应力 疲劳曲线 疲劳曲线 表示应力 与循环应力次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线 如图所示 可以看出 应力越小 试件能经受的循环次数就越多 变应力下的许用应力 疲劳极限 疲劳曲线的左半部 N N0 可近似地用下列方程式表示 式中 1N为对应循环次数N的疲劳极限 m为随材料和应力状态而不同的幂指数 例如弯曲时m 9 可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限为 变应力下的许用应力 许用应力 变应力下 应取材料的疲劳极限作为极限应力 同时还应考虑切口和沟槽等截面突变 绝对尺寸 表面状态等影响 为此引入有效应力集中系数K 尺寸系数 和表面状态系数 等 当应力是对称循环变化时 许用应力为 当应力是脉动循环变化时 许用应力为 式中 S为安全系数 0为材料的脉动循环疲劳极限 k 数值可在材料力学或相关设计手册中查得 注 以上为 无限寿命 下零件的许用应力 若零件在整个使用期限内 其循环次数N 1 故采用 1N可得到较大许用应力 从而减小零件的尺寸和重量 1 安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 如果安全系数定得过大将会使结构笨重 如果过小 则不够安全 在各个不同的机械制造部门 通过长期的生产试件 都制定有合适本部门的安全系数 或许用应力 的表格 这类表格虽然适用面较窄 但具有简单 具体 可靠等优点 本课程主要采用查表法选取安全系数 或许用应力 当没有专门的表格时 可参考下述原则选择 安全系数 静应力下 塑性材料以屈服极限为极限应力 由于塑性材料可以缓和过大的局部应力 故安全系数S 1 2 1 5 对于塑性较差的材料或铸钢可取S 1 5 2 5 静应力下 脆性材料以强度极限为极限应力 这时应取较大的安全系数 例如 对于高强度或铸铁件可取S 3 4 变应力下 以疲劳极限作为极限应力S 1 3 1 7 若材料不够均匀 计算不够精确时 可取S 1 7 2 5 机械零件的接触强度 零件受载时是在较大体积内产生应力 这种应力状态下的零件强度称为整体强度 体积强度 若两零件在受载前是点接触或线接触 受载后 由于变形 其接触处为一小面积 通常该面积甚小但表层产生的局部应力却很大 这种应力称为接触应力 这时零件强度称为接触强度 是表面强度的一种 机械零件的接触强度 疲劳点蚀 机械零件的接触应力通常是随时间做周期性变化的 在载荷重复作用下 首先在表层内约20 m处产生初始疲劳裂纹 然后裂纹逐渐扩展终于使表层金属成小片状剥落下来 而在零件表面形成一些小坑 这种现象称为疲劳点蚀 发生疲劳点蚀后 减小了接触面积 损坏了零件的光滑表面 因而也降低了承载能力 并引起振动和噪声 机械零件的接触强度 接触应力 由弹性力学的分析可知 当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时 如图示 其接触面积为一狭长矩形 最大接触应力发生在接触区中线上 其值为 对于钢或铸铁取泊松比 1 2 0 3 则上式可简化为 赫兹公式 机械零件的接触强度 接触应力 机械零件的接触强度 接触疲劳强度的判定条件 对于钢 经验公式为 若两零件的硬度不同时 常以较软零件的接触疲劳极限为准 机械零件的耐磨性 运动副中 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态 零件抗磨损的能力称为耐磨性 除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触 否则磨损总是难以避免的 但只要磨损速度稳定缓慢 零件就能够保持一定寿命 所以 在预定使用期限内 零件的磨损量不超过允许值时 就认为是正常磨损 出现剧烈磨损时 运动副的间隙将增大 能使机械的精度丧失 效率下降 使振动 冲击和噪声增大 这时应该立即停车检修 更换失效的零件 机械零件的耐磨性 磨损现象是相当复杂的 有物理 化学和机械等方面原因 下面对机械中磨损的主要类型做一简要介绍 磨粒磨损粘着磨损 胶合 疲劳磨损 点蚀 腐蚀磨损 磨粒磨损 硬质颗粒或摩擦表面上的凸峰 在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损 硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒 也可能是外来的尘土杂质等 摩擦面间的硬粒 能使表面材料脱落而留下沟纹 粘着磨损 加工后的零件表面总有一定的粗糙度 摩擦表面受载时 实际上只有部分峰顶接触 接触处的压强很高 能使材料产生塑性流动 若接触处发生粘着 滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面 这种现象称为粘着磨损 胶合 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱 严重时摩擦表面能相互咬死 疲劳磨损 在滚动或兼有滑动和滚动高副中如凸轮 齿轮 轴承等 受载时材料表面会有很大的接触应力 当载荷重复循环作用时 常会出现表层金属呈小片剥落 而在零件表面形成小坑 这种现象称为疲劳磨损或点蚀 腐蚀磨损及工作能力计算准则 在摩擦过程中 与周围介质发生化学或电化学反应的磨损 称为腐蚀磨损 实用耐磨计算是限制运动副的压强 即p p 式中 p 是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强 机械零件常用材料及其选择 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁 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 金属材料 铸铁 钢 铜合金非金属材料 橡胶 塑料材料选择原则 金属材料 铸铁 铸铁和钢都是铁 碳合金 它们的区别在于含碳量的不同 含碳量小于2 的铁碳合金称为钢 含碳量大于2 的则称为铸铁 铸铁具有适当的易熔性 良好的液态流动性 因而可铸成形状复杂的零件 此外 铸铁还具有减震性 耐磨性 较好的切削性和低廉的成本 因此在机械制造中应用广泛 常用的铸铁有 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁等 其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料 不能进行辗压和锻造 金属材料 钢 与铸铁相比 钢具有高的强度 韧性和塑性 可用于热处理方法改善其力学性能和加工性能 按照用途 钢可分为结构钢 工具钢和特殊钢 按照化学成分 钢又可分为碳素钢和合金钢 碳素结构钢 0 7 含碳量0 25 0 1 0 2 0 3 0 5 0 55 0 7 合金钢 镍 提高强度而不降低韧性 铬 能提高硬度 高温强度 耐腐蚀性和耐磨性 高碳钢 锰 钼 提高耐磨性 强度和韧性 钒 提高韧性 强度 硅 提高弹性极限和耐磨性 但会降低韧性 铸钢 铸钢的液态流动性比铸铁差 在普通砂型铸造时 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稍大 金属材料 铜合金 铜合金有青铜和黄铜之分 此外还有轴承合金 黄铜是铜和锌的合金 并含有少量的锰 铝 镍等 具有很好的塑性和流动性 可进行辗压和锻造 青铜可分含锡青铜和不含锡的青铜两类 它们的减摩性和抗腐蚀性均较好 也可辗压和锻造 轴承合金主要用于制作滑动轴承的轴承衬 非金属材料 1 橡胶橡胶富于弹性 能吸收较多的冲击能量 常用于作联轴器或减震器的弹性元件 带传动的胶带等 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬 2 塑料塑料的比重小 易于制成形状复杂的零件 而且各种不同的塑料具有不同的特点 如耐腐蚀型 绝热型 绝缘型 减摩型等 所以近年来在机械制造中其应用日益广泛 以木屑 石棉纤维等作填充物 用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料 可用来制作仪表支架 手柄等受力不大的零件 材料选择原则 设计机械零件时 选择合适的材料是一项非常复杂的技术经济问题 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综合考虑 要求设计人员在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验 具体选择要求 使用要求 工艺要求 经济要求 公差与配合 表面粗糙度 公差与配合表面粗糙度优先数系 公差与配合 机器是由零件装配而成的 大规模生产要求零件具有互换性 为了实现零件的互换性 必须保证零件的尺寸 几何形状和相对位置以及表面粗糙度的一致性 就零件尺寸而言 它可以介于两个允许的极限尺寸之间 这两个极限尺寸之差称之为公差 互换性的含义 机器或仪器中同一规格的一批零件或部件任取其中一件不需要任何挑选或辅助加工 如钳工修理 就能进行装配并能保证满足机器或仪器的使用性能要求的一种特性互换性应同时具备两个条件即不需挑选不经修理就能进行装配 装配以后能满足使用要求 公差与配合 现以孔与轴为例 简要介绍相配圆柱表面的公差与配合 如下图所示 设计给定的尺寸为基本尺寸 零线代表基本尺寸的位置 由代表上下两边长的两条直线所限定的区域称为公差带 同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合 根据公差带的相对位置 配合分为间隙配合 如a 过渡配合 如b 和过盈配合 如c 三大类 公差与配合 国家标准规定 孔与轴的公差带位置各有28个 分别用大写和小写拉丁字母表示 还规定了20个公差等级 即尺寸精度等级 用阿拉伯数字表示 配合制度有基孔制和基轴制两种 基孔制的孔是基准孔 其下偏差为零 代号为H 而各种配合特性是靠改变轴的公差带来实现的 如下图示 基轴制的轴是基准轴 其上偏差为零 代号为h 而各种配合特性是靠改变孔的公差带来实现的 表面粗糙度 表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差 它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕 表面粗糙度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差 它是指在取样长