第9章 机械零件设计概论HD.ppt

机械设计基础,本课程的内容研究机械设计的基础知识、基本原理、设计步骤与过程。机械原理机械设计,机械原理,机器、机构、构件和零件的概念(0章)平面机构的结构分析与自由度的概念(1章)平面机构的运动、动力分析(2章)常用机构（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）的组成、类型、特点和设计(37章)机构运动方案的选择；机器动力学的基本知识（机械调速、回转件的平衡）(8章),例:机构齿轮机构(三个构件)齿轮1、齿轮2、机架3,轴、轴承、套筒等轴系零件,构件零件（制造的单元）,齿轮传动件,键联接件,3,机原研究对象,机构构件（运动的单元）,直齿轮组装,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,机械设计,机械零件的工作能力和计算准则，常用材料的选择原则，零件的工艺性、标准化、通用化(9章)一般尺寸参数的通用零件的设计(1018章)联接件的设计：螺纹联接、键联接等；传动件设计：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动等；轴系的设计与计算：轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器、离合器等其它零件：弹簧等,第9章机械零件设计概论,9.1机械零件的失效形式及设计准则9.2机械制造常用材料及其选择9.3机械零件的结构工艺性及标准化作业：9.5、9.6、9.8*,1、满足功能要求2、经济（综合考虑）3、造型美观4、人机要求5、环保,凯迪拉客登攀者,机械设计应满足的要求,机械零件设计应满足的基本要求,机械零件由于某种原因不能正常工作,不发生失效,零件所能安全工作的限度,失效：,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,工作可靠、成本低廉保证工作可靠的设计内容：*避免在预定寿命周期内失效,保证成本低廉的措施：,选材,降低材耗,减少加工工时大型零件采用组合结构采用标准化零、部件,(Failuretypesanddesigncriteria)失效：机械零件由于某种原因不能正常工作常见失效形式：断裂或塑性变形强度问题弹性变形过大刚度问题工作表面过度磨损或损伤耐磨性、温升问题强烈震动振动稳定性问题联接的松弛、带的打滑等,9.1机械零件的失效形式及设计准则,螺栓联接滑移被联接件断裂,计算准则强度准则刚度准则振动稳定性准则其它准则,主要介绍,设计机械零件时，需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。,防止失效制定的判定条件，称为工作能力计算准则。,工作能力：不发生失效时零件所能安全工作的限度(承载能力),工作能力判定条件：计算量许用量强度条件：应力许用应力刚度条件：变形量许用变形量,l）选定零件类型；2）确定作用在零件上的载荷；3）选择合适的材料；4）根据零件可能出现的主要失效形式，选用相应的设计准则，确定零件的形状和主要尺寸；5）绘制工作图并标注必要的技术条件。-设计计算参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的理论校核公式进行校核验算。-校核计算,机械零件设计步骤,注意:,1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格将某些计算值加以圆整。2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计；3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数，才能得到比较合理的结果。,课程特点与学习方法,特点：,繁杂（门类多、关系多、要求多、公式多、图形多、表格多）,分析处理问题的思路：,（任务）设计零件,*受力分析（*载荷及应力分析功用、*工作原理）,*失效形式（*主要失效形式分类）,*计算准则（公式建立的依据）,强度计算（*设计方法先定主参数*许用应力材料）,结构设计（尺寸及绘图结构特点、标准）,(抓住)计算准则学习贯穿一条线：,9.1.1强度,(一)载荷及其分类,名义载荷,载荷系数,计算载荷,名义应力,计算应力,1.基本定义:,理想平稳工作条件下作用在零件上的载荷,K，考虑外载变化、零件载荷不均等影响如只考虑工作情况的影响，KA,名义载荷与载荷系数的乘积,按照名义载荷用力学公式求得的应力,按照计算载荷求得的应力,强度零件承受载荷后，抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力与载荷及应力有关,2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化),当max、min均维持常数稳定交变应力当max和min的数值随时间而改变不稳定的变应力,交变应力随时间作周期性变化的应力,(二)应力及分类:,*一个应力循环,构件中的应力由“最大值最小值最大值”的过程。,1.分类,2.交变应力的特征及典型的交变应力,*最大应力max*最小应力min,循环变应力,平均应力应力幅,应力循环特性,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。,应力的分类,*变化规律minmax=应力循环特性,*应力循环次数,=1对称循环,当min0(或max0),当maxmin,1静应力,=0脉动循环,当m0(maxmin),非对称应力,对称应力=1,脉动应力=0,静应力=+1,应力与载荷：,：应力(MPa=N/mm2)F：载荷(N)A：受力面积(m2),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注意：正确分析应力特性举例：静载荷拉杆,静载荷也可能产生变应力如转轴中弯曲应力(对称循环),齿轮弯曲应力单侧受载脉动循环,(三)机械零件的强度计算,应力比较法：=lim/S（正应力）强度计算通式=lim/S（切应力）关键:的计算的取值安全系数法：S=lim/S,与载荷、结构、尺寸、形状有关(材力),复合应力：材料力学基本强度理论,一静应力作用下的强度计算,二变应力作用下的强度计算,简单应力:（单向应力）拉；弯;剪;扭,1.计算应力,lim极限应力与材料、热处理有关塑性材料：lim=s屈服极限脆性材料：lim=B强度极限,2.失效形式：3.许用应力,塑性材料过大的残余变形,=lim/S=s/S,脆性材料断裂,=lim/S=B/S,二变应力作用下的强度计算,1.失效形式:,=r/S；=r/S疲劳极限=?,2.许用应力:,疲劳断裂,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，其疲劳端口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，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时,就突然断裂。,与应力循环次数密切相关,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,材料的疲劳曲线rNN（Curveoffatigue）,N0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,r疲劳极限,N0循环基数,m、C系数,rN1,rN2,N1,N2,rN0,103,设计寿命NN0时：材料lim=r,对称循环，r=-1，疲劳极限-1脉动循环，r=0，疲劳极限0,材料的条件疲劳极限rN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）,设计寿命103NN0：材料lim=rN,m、C材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）,Nr，采用rN可得到较大的许用应力，即“有限寿命”下零件的许用应力，从而减小零件的体积和重量。,疲劳强度的影响因素（Influencefactorsoffatiguestrength）,(1)应力集中：,零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力,尺寸效应:,绝对尺寸系数:,(3)表面状态,尺寸增加，疲劳极限,表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低,有效应力集中系数:k,(2)绝对尺寸,表面状态系数:,的现象,降低,许用应力:,对称循环:=1,脉动循环:=0,3.计算应力:(max、min),简单应力max；max,复合应力材料力学基本强度理论,4.安全系数:,查表法,1）静应力下，塑性材料一屈服极限为极限应力。S=1.21.5,2)静应力下，脆性材料强度极限为极限应力。S=34,3）变应力下，以疲劳极限为极限应力。S=1.31.7,部分系数法：S=S1S2S3,S1考虑载荷及应力计算的准确性。,S2考虑材料力学性能的均匀性。,S3考虑零件的重要性。,9.1.2机械零件的表面强度,(一)疲劳点蚀,如果两个零件在受载荷前是点接触或线接触，当受压变形后，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,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。齿轮，滚动轴承等零件的主要失效形式。,(二)接触应力计算,1.表面接触强度,疲劳点蚀机理,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时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，可取泊松比1=2=0.3代入上式整理后得：,=0.418,接触强度的判定条件为：,以面接触而无相对运动的零件，通过接触面来传递载荷时接触面会产生挤压应力。表面挤压强度不足时，塑性材料零件表面可能产生塑性变形，脆性材料表面可能产生压溃，引起零件失效。计算表面挤压强度时，接触应力按接触表面平均应力进行条件性计算，强度条件为,2.表面挤压强度,运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。,零件工作抗磨损的能力称为耐磨性。,(一)磨损的主要类型,1)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现象称为磨粒磨损。,2）粘着磨损若接触处发生粘着，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。,3）疲劳磨损,4）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。,(二)耐磨性计算,实用耐磨性计算是限制运动副的压强P,相对速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量。,9.1.3耐磨性,过大的弹性变形,9.1.4刚度:,(零件抵抗弹性变形的能力)失效形式计算准则,yy，刚度,(机器振幅不能超过许可值),共振：机器内的激振源频率零件固有频率（重合或整数倍）破坏,破坏正常工作条件引起的失效（联接松动、带传动打滑、腐蚀、过热.）,9.1.5振动稳定性:,其它：,计算准则：,9.2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,具有适当的易熔性，良好的液态流动性，可铸成形状复杂的零件。减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，机械制造中应用甚广。常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。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%）两者均为脆性材料,不能辗压和锻造机器的基础或箱体(时效处理消除铸造内应力),2、钢,具有高的强度、韧性和塑性，可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，应用极为广泛。按用途分：1）结构钢(制造零件和工程构件)2）工具钢(制造各种刃具、模具和量具)3）特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)(制造特殊环境下工作零件）,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（A3钢)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，如镍、铬、锰、钼、钒等，极大地改善钢材性能。如：40Cr35CrMo40CrNiMo等,采用40CrNiMo制造钻具。合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，更大程度上取决于适当的热处理。,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）选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。,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）铜合金分为青铜与黄铜：黄铜=铜锌（含少量锰、铝、镍等），具有很好的塑性及流动性，可进行辗压和铸造，可制造散热器、油管、垫片、螺钉等；青铜=铜非锌合金（锡Sn,铅Pb,铝Al）分为含锡青铜和不含锡青铜两类，减摩性和抗腐蚀性均较好，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。,二、非金属材料,1、橡胶弹性好，吸振、密封等(联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可制造水润滑的轴承衬)；2、塑料比重小，易于制成形状复杂的零件。不同塑料具有耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等特点(仪表支架、塑料齿轮、摩擦片等）33、陶瓷、皮革、木材、石棉等。,三、复合材料,将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相的复合材料，它既可以保持组成材料各自原有的一些最佳特性，又可具有组合后的新特性，这样就可根据零件对于材料性能的要求进行材料配方的优化组合。复合材料主要由增强材料和基体材料组成。还有一类是通过加入各种短纤维等的功能复合材料，如导电性塑料、光导纤维、绝缘材料等。例如，可把纤维强度很高的玻璃、石墨、硼等非金属材料与金属、塑料、陶瓷等基体材料复合成各种纤维增强复合材料，用来制造薄壁压力容器、汽车外壳等。又如在普通碳素钢板表面贴附塑料或不锈钢，可分别获得强度高而又耐腐蚀的塑料复合钢板或金属复合钢板。由于复合材料的价格比较高，目前主要应用于航空、航天等高科技领域。近年来以材料的功能复合目的出发，应用于光、热、电、阻尼、润滑、生物等方面的新复合材料不断问世，复合材料的应用范围正不断地扩大。,双金属轴承,以优质低碳钢板为基体，表面烧结铅锡青铜合金，经数次高温烧结和致密轧制而成。结合强度高、承载能力大、耐摩性能好等。特别适合于中速中载及低速高载等场合。通过特殊工艺手段，在摩擦面上加工出各种油槽、油穴及油孔，适应各种不同润滑工况条件。广泛应用于汽车发动机、底盘、摩托车离合器、齿轮擦板和起重设备等领域。,三、钢的热处理,1.目的:,2.方法:,退火:,退火,正火,淬火,回火,时效,表面热处理,正火:,将零件加热到某一温度保温随炉冷却,加热到某一温度保温较快冷却(例空冷),消除内应力,硬度减小改善切削性能,1.改变金属内部结构提高材料力学性能2.消除内应力(加工,热处理),淬火:,回火:,硬度大大提高耐磨性,疲劳强度提高内应力增大需消除(回火),综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、韧性)结构件调质,内应力及脆性均较大,硬度,弹性弹簧,内应力及脆性均,硬度及强度均较高刀具,加热到某一温度保温急速冷却,加热到某一温度(较低)保温冷却(空冷),时效：,作用与回火类似,自然时效、人工时效,表面热处理:,强化零件表面表面淬火,化学热处理,表面硬度及耐磨性芯部韧性不变,将某种化学元素(活性原子)渗入零件表面力学性能,表面很硬,芯韧,表面硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度,表面迅速加热急冷低温回火,一、工艺性在具体生产条件下，所设计的机械零件易加工、装配，费用低工艺性好基本要求：1、毛坯选择合理-铸件、型材、冲压、焊接、锻造2、结构简单合理-机床加工尽量方便、省时，便于装配3、精度、粗糙度合理-根据实际需要,9.3机械零件的结构工艺性及标准化,为了便于加工，对于车、刨、滚切和磨等加工表面，应留有退刀槽或砂轮越程槽,为了能够装拆，对于螺纹联接应留有扳手空间,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：,制图、公差、形位、模数,标准直径手册,产品标准化本身包括三个方面的含义：1）产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品