第六章-机械零件设计和计算概论

1、第六章第六章 机械零件设计和计算概论机械零件设计和计算概论本章主要介绍机械零件的工作能力准则，机本章主要介绍机械零件的工作能力准则，机械零件常用材料及其选择，零件许用应力和安全械零件常用材料及其选择，零件许用应力和安全系数系数。第第 1 1 页页6-1 机械零件的工作能力准则机械零件的工作能力准则6-2 机械制造中常用材料及其选择机械制造中常用材料及其选择6-3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数第第 2 2 页页6-4 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化一、机械设计的基本要一、机械设计的基本要求求 1、对机械设计的要求、对机械设计的要求 a) 对机器使用功能方面的要求。对机器

2、使用功能方面的要求。 b) 对机器经济性的要求。对机器经济性的要求。2、对机械零件设计的基本要求对机械零件设计的基本要求 a) 有足够的强度和刚度，有一定的耐磨性，无强烈的有足够的强度和刚度，有一定的耐磨性，无强烈的 振动，具有耐热性。振动，具有耐热性。 b) 要尽量降低零件的生产、制造成本。要尽量降低零件的生产、制造成本。 6-1 机械零件的工作能力准则机械零件的工作能力准则 第第 3 3 页页 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷 2）选择零件的基本类型与结构。）选择零件的基本类型与结构。 3）选择零件的材料。）选择零件的材料。 4）按可能的失

3、效形式确定零件的计算准则，并确定零件的）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的 基本尺寸，并加于标准化和圆整。基本尺寸，并加于标准化和圆整。 5）零件的结构设计。）零件的结构设计。 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。 二、机械零件设计的一般步骤二、机械零件设计的一般步骤.KPPca第第 4 4 页页三、机械零件的失效形式三、机械零件的失效形式 失效失效零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能。零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能。失效形式失效形式强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、 精度失效、噪声

4、失效、可靠性失效。精度失效、噪声失效、可靠性失效。四、机械零件的计算准则四、机械零件的计算准则 工作能力工作能力零件不发生失效时的安全工作限度。零件不发生失效时的安全工作限度。 计算准则计算准则以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件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。工作能力计算依据的基本原则。第第 5 5 页页1、强度准则、强度准则 计算安全系数极限应力计算安全系数极限应力tSSlimlim 强度强度零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。 S S 安全系数：考虑到载荷、机械性能均匀性、安全系数：考虑到载荷、机械性能均匀性、 零件重要

5、程度而选取的系数，零件重要程度而选取的系数，S1 S1 。 第第 6 6 页页2、刚度准则、刚度准则 刚度刚度零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。yy y可以是挠度、偏转角或扭转角。可以是挠度、偏转角或扭转角。 3、耐磨性准则、耐磨性准则 磨损性磨损性作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。pvpvpp第第 7 7 页页典型的磨损过程：典型的磨损过程： 1、磨合磨损过程、磨合磨损过程 2、稳定磨损阶段、稳定磨损阶段 3、急剧磨损阶段、急剧磨损阶段 磨料磨损磨料磨损胶合磨损胶合磨损疲劳点蚀疲劳点蚀第第 8 8 页页5

6、、耐热性准则、耐热性准则 tt 4、振动和噪声准则、振动和噪声准则 f151ff850fpp.,.机器工作时不能发生超过容许的振动现象。机器工作时不能发生超过容许的振动现象。温度升高温度升高零件承载能力降低。零件承载能力降低。引起热变形及附加热应力，蠕变。引起热变形及附加热应力，蠕变。破坏正常的润滑条件，改变联接零件间的破坏正常的润滑条件，改变联接零件间的间隙，降低机器的精度。间隙，降低机器的精度。第第 9 9 页页6-2 机械制造中常用材料及其选择机械制造中常用材料及其选择 一、机械零件的常用材料一、机械零件的常用材料 1、黑色金属、黑色金属 碳钢与合金钢碳钢与合金钢应用最广泛。应用最广泛。

7、铸铁铸铁 脆性材料，只适用于铸造零件，脆性材料，只适用于铸造零件， 可铸造成形状复杂的零件。可铸造成形状复杂的零件。 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。铸钢铸钢 铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。 强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差。强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差。第第 10 10 页页钢制零件常用的热处理方法：钢制零件常用的热处理方法： 、退火、退火 、正火、正火 加热到临界温度，保温，随炉温冷却。加热到临界温度，保温，随炉温冷却。 消除内应力，改善切削性能。消除内应力，改善切削性能。 静止空气中冷却，提高硬度及刚度，部分消除内

8、应力。静止空气中冷却，提高硬度及刚度，部分消除内应力。 、淬火、淬火 急速冷却（水冷或油冷），大大提高了硬度，急速冷却（水冷或油冷），大大提高了硬度， 产生很大的内应力。产生很大的内应力。 、回火、回火 淬火钢重新加热到临界温度以下，保温，静止空气中冷却，淬火钢重新加热到临界温度以下，保温，静止空气中冷却， 消除内应力，保持高硬度。消除内应力，保持高硬度。第第 11 11 页页 低温回火低温回火150250刀具，量具滚动轴承刀具，量具滚动轴承中温回火中温回火300450弹簧弹簧高温回火高温回火450650 （调质）（调质）齿轮，轴，重要螺栓齿轮，轴，重要螺栓 5、表面热处理、表面热处理 1）表

9、面淬火）表面淬火 火焰加热、感应电流加热。火焰加热、感应电流加热。 常用于：齿轮、中轴、曲轴。常用于：齿轮、中轴、曲轴。 2）化学热处理）化学热处理 渗碳、氮化、氰化渗碳、氮化、氰化第第 12 12 页页2、有色金属、有色金属1) 铝合金铝合金重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好2) 铜合金铜合金 黄铜：黄铜：Cu与与Zn合金合金 青铜：青铜：Cu与与Sn的合金的合金 无锡青铜：无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金与铝、硅、锰、镍的合金 3、非金属材料、非金属材料 橡胶橡胶 弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、弹性、绝缘性好，常用作弹性元件

10、和密封元件、减震元件。减震元件。 塑料塑料 轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体。通机械零件、绝缘体。 陶瓷陶瓷 电热性好，硬度高。电热性好，硬度高。 4、复合材料、复合材料第第 13 13 页页二、机械零件材料选用的原则二、机械零件材料选用的原则 1、使用要求、使用要求2、工艺要求、工艺要求3、经济性要求、经济性要求第第 14 14 页页6-3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数不随时间变化或变化缓慢的应力。不随时间变化或变化缓慢的应力。1、 静应力静应力一、应力的分类一、应力的分类2 、变应力、变应力 随时间变化的应力。随

11、时间变化的应力。循环变应力循环变应力 具有周期性的变应力。具有周期性的变应力。1) 基本参数基本参数: 2mminmax 2aminmax 平均应力平均应力:应力幅应力幅:am maxam min最大应力最大应力:最小应力最小应力:ammaxamminammaxammin第第 15 15 页页2）变应力种类：）变应力种类： 表示变应力中应力变化的情况。表示变应力中应力变化的情况。应力循环特性应力循环特性:maxmin 11 -1 +1 不对称循环变应力不对称循环变应力 = 0 脉动循环变应力脉动循环变应力 = +1 静应力静应力 = 1 对称循环变应力对称循环变应力第第 16 16 页页 稳定

12、循环变应力稳定循环变应力T、m、a均不变均不变第第 17 17 页页二、选择许用应力的方法二、选择许用应力的方法许用应力许用应力设计零件时所依据的条件应力。设计零件时所依据的条件应力。1 1、查许用应力表法、查许用应力表法2 2、部分系数法、部分系数法321SSSS安全系数：安全系数：S S1 1考虑计算载荷及应力准确性的系数考虑计算载荷及应力准确性的系数 取取1 11.51.5S S2 2考虑材料机械性能均匀性的系数考虑材料机械性能均匀性的系数S S3 3考虑零件重要程度的系数考虑零件重要程度的系数 取取1 11.51.5 Slim 第第 18 18 页页 SS SB 静应力下塑性材料失效形

13、式静应力下塑性材料失效形式塑性变形塑性变形静应力下脆性材料失效形式静应力下脆性材料失效形式断裂断裂变应力作用下机械零件的失效形式变应力作用下机械零件的失效形式疲劳断裂疲劳断裂第第 19 19 页页疲劳破坏特征：疲劳破坏特征：1）断裂过程：）断裂过程：产生初始裂纹。产生初始裂纹。 （应力较大处）（应力较大处） 裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展， 直至产生疲劳断裂。直至产生疲劳断裂。2）断裂面：）断裂面： 光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区） 粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力

14、（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性， 应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。疲劳破坏的机理：损伤的累积。疲劳破坏的机理：损伤的累积。第第 20 20 页页第第 21 21 页页塑性材料拉伸断口形貌塑性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌材料疲劳破坏断口形貌材料疲劳破坏断口形貌光滑的疲劳发展区光滑的疲劳发展区粗糙的脆性断裂区粗糙的脆性断裂区第第 2222页页)( 疲劳极限，材料经过疲劳极

15、限，材料经过N N次应力循环后，次应力循环后， 不发生破坏的最大应力值。不发生破坏的最大应力值。疲劳寿命（疲劳寿命（N） 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数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。应力循环次数之间关系的曲线。N0 循环基数循环基数 持久极限持久极限第第 23 23 页页Sk11 Sk00 变应力下，取材料的疲劳极限为极限应力！变应力下，取材料的疲劳极限为极限应力！ = 0 脉动循环变应力下：脉动循环变应力下： = 1 对称循环变应力下：对称循环变应力下：第第

16、24 24 页页6-4 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化一、工艺性一、工艺性零件的结构既能满足使用的要求，又便于加零件的结构既能满足使用的要求，又便于加 工，而且加工费用最少，那么这种结构就是工，而且加工费用最少，那么这种结构就是 符合工艺性的。符合工艺性的。1、选择合理的毛坯种类。、选择合理的毛坯种类。2、零件的结构要简单合理。、零件的结构要简单合理。3、规定合理的制造精度和表面粗糙度。、规定合理的制造精度和表面粗糙度。零件的工艺性要求：零件的工艺性要求： 将零件的型式、规格、试验方法、质量鉴定及标号等将零件的型式、规格、试验方法、质量鉴定及标号等标准化，在机械制造及设计中具有重大意义。标准化，在机械制造及设计中具有重大意义。第第 25 25 页页二、标准化二、标准化标准化：指以制定标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化：指以制定标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的原则：统一、简化、协调、优化。标准化的原则：统一、简化、协调、优化。标准化的意义：标准化的意义：1、制造上专业化大量生产，提高产品质量，降低生产成本。