机械零件相关设计和计算概述

1、机械零件相关设计和计算概述一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础机械零件设计和计算概论一、机械零件分类一、机械零件分类机器：机械、机构的总称机器：机械、机构的总称构件构件运动的单元运动的单元零件零件制造的单元制造的单元 机械设计基础机械零件设计和计算概论通用零件传动件：齿轮、蜗杆、带、链传动件：齿轮、蜗杆、带、链联接件：螺栓、键、花键支承件：轴、轴承机械零件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨 其它：联轴器、弹簧、机架二、机械零件设计基本要求二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能、满足功能要求，能够准确

2、实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求、经济性要求机械设计基础机械零件设计和计算概论三、机械零件设计过程三、机械零件设计过程 零件设计时的共性：零件设计时的共性：机械设计基础机械零件设计和计算概论 过程：过程：1、拟订零件的设计简图、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置、确定载荷的大小及位置3、选择材料、选择材料4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数5、绘制零件工作图、绘制零件工作图工作原理、结构、类型、应用场合受力分析、失效形式设计准则、设计计算四、机械零件传

3、统设计方法四、机械零件传统设计方法 理论设计理论设计(半经验设计半经验设计)：机械设计基础机械零件设计和计算概论 类比设计：类比设计：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，较可靠工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 经验设计：经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新乏创新 模型实验设计：模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计用于大型、复杂零件的设计强度条件(或刚度) 设计计算尺寸校核计算强度条件(或刚度)一、机械零件常见失效

4、形式二、工作能力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则机械设计基础机械零件设计和计算概论一、机械零件常见失效形式一、机械零件常见失效形式 失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏破坏常见主要失效形式有：常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形过大弹性变形 表面破坏表面破坏 过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等机械设计基础机械零

5、件设计和计算概论 例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振强度问题刚度问题耐磨性问题Fn二、工作能力准则二、工作能力准则 工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为常称为“承载能力承载能力” 如：如： 吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN 工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN机械设计基础机械零件设计和计算概论 工作能力准则：衡量零件工作能力的指标工作能力准则：衡量零件工作

6、能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则则、振动稳定性准则、耐热性准则50 kN三、强度准则三、强度准则 机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力强度准则：工作应力许用应力许用应力 或或 机械设计基础机械零件设计和计算概论 针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变

7、形 典型零部件：轴、齿轮、典型零部件：轴、齿轮、 带轮等带轮等Slim 正应力：Slim 剪应力：极限应力四、刚度准则四、刚度准则刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度：材料抵抗弹性变形的能力刚度准则：刚度准则：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件：倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j j j机械设计基础机械零件设计和计算概论 针对失效形式：过大的弹性变形针对失效形式：过大的弹性变形 典型零部件：轴、蜗杆等典型零部件：轴、蜗杆等五、耐磨性准则五、耐磨性准则 耐磨性：零件抗磨损的能力耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当

8、复杂的物理化学过程磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则：耐磨性准则： P 机械设计基础机械零件设计和计算概论 针对失效形式：零件表面破坏针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等典型零部件：齿轮、轴承、链等六、振动稳定性准则六、振动稳定性准则共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频共振：当机器的

9、自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值振动稳定性准则：振动稳定性准则：0.85f fp 或或 1.15ffp机械设计基础机械零件设计和计算概论针对失效形式：共振产生的工作失常针对失效形式：共振产生的工作失常典型零部件：轴等典型零部件：轴等七、耐热性准则七、耐热性准则高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，

10、破坏正常的润滑条件，改变零件间附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等的间隙，降低精度等耐热性准则：工作温度低于许用值耐热性准则：工作温度低于许用值机械设计基础机械零件设计和计算概论针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等一、载荷二、应力三、极限应力四、许用应力和安全系数机械设计基础机械零件设计和计算概论一、载荷一、载荷 载荷：作用于零件上的力或力矩载荷：作用于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 名义载荷：理想工

11、作条件下的载荷名义载荷：理想工作条件下的载荷 计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷 计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义载荷机械设计基础机械零件设计和计算概论载荷系数二、应力二、应力 静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）力（非周期性循环变应力）机械设计基础机械零件设计和计算概论 稳定变应力：对称循

12、环变应力、稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变脉动循环变应力、非对称循环变应力应力ttminmaxm应力参数应力参数 以正应力以正应力 为例为例 最大应力最大应力: max= m+ a 最小应力最小应力: min 应力幅应力幅: a机械设计基础机械零件设计和计算概论 平均应力平均应力: m 循环特征循环特征: r2minmaxa2minmaxmmaxminr11 rtminmaxm静应力静应力 应力表达：应力表达： +1（ +1 ） 最大应力最大应力: max 最小应力最小应力: min 应力幅应力幅: a 平均应力平均应力: m 循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件

13、设计和计算概论tm0amminmax1r脉动循环变应力脉动循环变应力 应力表达：应力表达： 0（ 0 ） 最大应力最大应力: max 最小应力最小应力: min 应力幅应力幅: a 平均应力平均应力: m 循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件设计和计算概论mt0min 2max ma0 r对称循环变应力对称循环变应力 应力表达：应力表达： 1（ 1 ） 最大应力最大应力: max 最小应力最小应力: min 应力幅应力幅: a 平均应力平均应力: m 循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件设计和计算概论tminmax 0 m 1 rminmax a三、极限应力三、极限应力1 静应力下

14、的极限应力静应力下的极限应力与材料性能有关与材料性能有关脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限 B( B)机械设计基础机械零件设计和计算概论塑性材料取屈服极限塑性材料取屈服极限 S( S)Be玻璃钢灰口铸铁epSBABCDE2 变应力下的极限应力变应力下的极限应力 疲劳极限：依据防疲劳断裂的准疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定则确定 材料经过材料经过N0次应力循环不发生破次应力循环不发生破坏的应力最大值坏的应力最大值 r( r)机械设计基础机械零件设计和计算概论各种材料的各种材料的 r可从有关手册中查取可从有关手册中查取0NNNrNr有限寿命区无限寿命区四、许用应力和安全系数四、许用应力和安全系

15、数 许用应力：设计零件时许用应力：设计零件时所依据的条件应力所依据的条件应力机械设计基础机械零件设计和计算概论 安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重 安全系数安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全SlimSlim许用应力极限应力安全系数许用应力确定许用应力确定 1 查许用应力表查许用应力表 根据实践经验制成表格选取根据实践经验制成表格选取机械设计基础机械零件设计和计算概论2 部分系数法部分系数法S=S1S2S3S1：计算载荷和应力准确性系数（：计算载荷和应力准确性系数（11.5)S2：材料的均匀系数（铸铁：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢）钢）S3：零件重要性系数（：零件重

16、要性系数（11.5)一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则机械设计基础机械零件设计和计算概论一、常用材料一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：铸铁：含含易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：钢：含量含量常用常用 碳素钢碳素钢：（含、量不同）：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵合金钢：综合机械性能好，但较贵 合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：

17、铸钢：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性能，价昂有特殊性能，价昂少用少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 非金属材料：非金属材料： 工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料机械设计基础机械零件设计和计算概论二、热处理方法二、热处理方法1 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面热处理机械设计基础机械零件设计和计算概论热处理比较热处理比较1 退火退火 降低硬度、提高韧性、细化晶粒、降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力消除内应力2 正火正火 用于处理低中碳钢，代替低中碳钢用于处理低中

18、碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，的退火。提高硬度，增加韧性， 易易于切削，减少应力于切削，减少应力机械设计基础机械零件设计和计算概论3 淬火（蘸火）淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火回火 消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 中温回火：高弹性、硬度中等中温回火：高弹性、硬度中等 高温回火：强度、塑性、韧性都较好高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬

19、火+高温回火高温回火)正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温 淬火时间温度表面热处理表面热处理 表面热处理：表面增硬，芯部韧表面热处理：表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热） 化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）机械设计基础机械零件设计和计算概论三、材料力学性能指标三、材料力学性能指标 弹性极限：弹性极限： P 抗拉强度：抗拉强度： B 屈服强度：屈服强度： S ( 0.2 )机械设计基础机械零件设计和计算概论 硬度：硬度： HBS:布氏硬度布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450 HRC、HRB、HRA:洛氏硬度洛氏硬度 120金刚石锥体，载荷金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件不能册硬、脆的薄层零件 HV:维氏硬度维氏硬度 136 金刚石四角锥体，载荷小，金刚