机械设计基础课件 第九章 机械零件设计概论.ppt

第九章机械零件设计概论,一、机械零件设计概述二、机械零件的强度三、机械零件的接触强度四、机械零件的耐磨性五、机械制造常用材料及其选择六、公差与配合、表面粗糙度和优先数系七、机械零件的工艺性及标准化,第一节机械零件设计概述,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。失效：机械零件由于某种原因不能正常工作称为失效。工作能力：在不发生失效的前提下、零件所能安全工作的限度。对载荷而言的工作能力称为承载能力。,吊钩最大起重量50kN工作能力或承载能力50kN,第一节机械零件设计概述,强度问题：包括各种断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）、塑性变形、点蚀（工件表面片状脱落）。刚度问题：如过量的弹性变形。耐磨性问题：如工件表面的各种磨损。其它问题：联接的松弛、摩擦传动的打滑、温度变化导致零件的尺寸和性能的变化、过大的振动和噪声等。对于不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。如强度判定条件，应力许用应力；刚度判定条件，变形量许用变形量。,第一节机械零件设计概述,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。,轴可能的失效形式：,强度条件：工作应力许用应力或,刚度条件：实际变形量许用变形量yy、,同一零件可能发生各种不同形式的失效,第一节机械零件设计概述,机械零件的设计步骤：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，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸并根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。绘制工作图并标注必要的技术条件。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，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。一般机器中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸，其余零件仅按结构和工艺要求设计。,第一节机械零件设计概述,传统设计方法：理论设计（半经验设计）,类比设计,经验设计,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。,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。,第一节机械零件设计概述,现代设计方法：,优化设计,对工程实际问题进行抽象，建立数学模型，用优化方法求解，得出最佳设计结果。,计算机辅助设计（CAD）,包括分析计算和绘图。,概率设计,将概率论与数理统计理论运用于机械设计。,模块化设计,二次设计,有限元分析,并行设计,第二节机械零件的强度,一、载荷及应力的分类,1、载荷的分类,载荷作用于零件上的力或力矩,静载荷变载荷,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,名义载荷计算载荷,理想工作条件下的载荷,作用于零件的实际载荷,计算载荷=K名义载荷,K载荷系数,第二节机械零件的强度,2、应力的分类,静应力变应力,不随时间改变或变化缓慢,随时间作周期性或非周期性变化,变应力,稳定变应力周期性循环变应力,非稳定变应力非周期性循环变应力,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,第二节机械零件的强度,第二节机械零件的强度,最小应力,最大应力,平均应力,应力幅,应力循环特性,当时，循环特性，称为对称循环变应力，其，。当、时，循环特性，称为脉动循环变应力。其。静应力可看作变应力的特例，其，循环特性。,第二节机械零件的强度,二、零件强度的基础知识零件整体或表面不允许出现断裂或塑性变形。目前工程上判断零件强度有两种方式：判断危险截面上的最大应力（、）判断危险截面处的实际安全系数（、）是否不小于许用安全系数。静应力下的许用应力,第二节机械零件的强度,静应力下零件破坏形式为断裂和塑性变形。塑性材料：脆性材料：变应力下的许用应力变应力作用下，零件的破坏形式是疲劳断裂。其特征：疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度低，甚至比屈服极限低；不论脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均无明显塑性变形的脆性突然断裂；疲劳断裂是损伤的累积，它初期为零件表面或表层形成微裂纹，随着应力循环次数的增加裂纹不断扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。,强度条件：,lim=？,疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关,N应力循环次数,rN疲劳极限（对应于N）,N0循环基数,r持久极限,由此得：,与应力状态有关的幂指数,第二节机械零件的强度,第二节机械零件的强度,疲劳曲线的左半部（NN0），可近似地用下面方程表示：（9-5）式中：为对应于循环次数N的疲劳极限；C为常数；m为随应力状态而不同的幂指数，如弯曲时m=9。由式（9-5）可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限许用应力,对称循环,脉动循环,第二节机械零件的强度,四、安全系数静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性变形可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.21.5；对于塑性较差的材料（屈强比大于0.6）或铸钢可取S=1.52.5。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，对于高强度钢或铸铁件可取S=34。变应力下，以疲劳极限为极限应力，可取S=1.31.7；若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=1.72.5。,第二节机械零件的强度,例9-1一小型转臂吊车如图9-4所示。横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车电葫芦的自重及起重量总计为W=20KN。试分析拉杆、横梁及支撑B的作用力；拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。,第二节机械零件的强度,第二节机械零件的强度,小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题按承受静载荷考虑，以最大起重量（包括小车、电动葫芦自重）作为计算载荷。,第二节机械零件的强度,第二节机械零件的强度,例9-2一车轴9-5所示。已知Fr=F=110KN，轴的材料为Q275钢，b=550MPa，-1=240MPa，规定的安全系数Smin=1.5。试较核AA截面的疲劳强度。,第二节机械零件的强度,解(1)车轴转动时，载荷F的大小、方向不变，因此轴内弯曲应力是对称循环变应力，循环特性系数为-1，(2)AA截面的弯曲应力。,第二节机械零件的强度,第二节机械零件的强度,例9-3一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力可看成哪类循环应力？若主动齿轮的转速n=200r/min，每天工作8h，问一年内（以250天计）该齿轮应力循环总数是多少？解(1)如图9-6a所示，正在啮合的轮齿，在法向力Fn作用下A点产生弯曲应力b在啮合过程中，轮齿A的弯曲应力由零变化到某一最大值，然后又回到零。齿轮旋转一周，这个齿啮合一次。齿轮不断地转动，A点的应力就不断地重复上述过程。作为定性显示，应力随时间t变化的曲线见图9-6b。由于、常数，故循环特性。,第二节机械零件的强度,(2)一年内齿轮的应力循环总次数为,所以一对齿轮作单向传动时，轮齿弯曲应力可看成脉动循环变应力。,第三节机械零件的接触强度,一类零件在承受载荷前是点接触或是线接触，受载后，由于变形（弹性）其接触处为一小面积，通常此面积很小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件的强度称为接触强度。如齿轮、滚动轴承等零件都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们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。,第三节机械零件的接触强度,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（图9-8），其接触面积为一狭长的矩形，最大接触应力发生在接触中线上，其值为,第三节机械零件的接触强度,式(9-9)、(9-10)称为赫兹(H.Hertz)公式。式中：最大接触应力或赫兹应力；b接触长度；作用在圆柱体上的载荷；综合曲率半径,正号用于外接触，负号用于内接触。,第三节机械零件的接触强度,综合弹性模量，、分别为两圆柱体材料的弹性模量。,接触强度的判定条件为,式中为由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢其经验公式为,若两零件硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。,第三节机械零件的接触强度,l,第三节机械零件的接触强度,第四节机械零件的耐磨性,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。零件抵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，运动副的间隙增大，会使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声加剧。这时应立即停车检修、更换零件。具统计，约有80%的零件是因磨损而报废的。,第四节机械零件的耐磨性,磨损现象十分复杂，有物理、化学和机械等方面的原因。其主要类型有：磨粒磨损硬质颗粒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称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是金属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痕。粘着磨损（胶合）加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有一部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动市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,第四节机械零件的耐磨性,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（点蚀）在高副中，零件受载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状脱落而在零件表层形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。腐蚀磨损在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。实用耐磨计算是限制运动副的压强p（比压），即pp式中p是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。速度高时用pvpv来校核。,第五节机械制造常用材料及其选择,金属材料,铸铁,钢,灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,碳素结构钢