机械零件设计和计算准则

第6章机械零件设计和计算概论6-1机械零件设计概述6-2机械零件的工作能力准则6-3许用应力和安全系数6-4常用材料及其选择6-5机械零件的工艺性和标准化基本要求:掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法了解零件的常用材料及性能机械设计基础——机械零件设计和计算概论6-1机械零件机械零件设计概述一、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、机械零件分类机器：机械、机构的总称构件——运动的单元零件——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1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、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：1、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置3、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5、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、机械零件传统设计方法理论设计(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：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，缺乏创新模型实验设计：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)五、机械零件现代设计方法优化设计：机械设计基础——机械零件设计和计算概论模拟设计：有限元优化与仿真结合CAD/CAM6-2机械零件的工作能力准则一、机械零件常见失效形式二、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，不仅仅指破坏常见主要失效形式有：断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀：工作表面片状剥落塑性变形：零件发生永久性变形过大弹性变形表面破坏过大振动和噪声、过热等机械设计基础——机械零件设计和计算概论例如轴可能的失效形式：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，所以又常称为“承载能力”如：吊钩最大起重量——50kN工作能力或承载能力——50kN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50kN三、强强度准准则机械零零件工工作能能力的的最基基本准准则强度：：材料抵抵抗断断裂或或残余余变形形的能能力强度准准则：：工作应应力≤≤许用用应力力σ≤[σσ]或或ττ≤≤[τ]机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论针对失失效形形式：：断裂、、疲劳劳破坏坏、残残余变变形典型零零部件件：轴、齿齿轮、、带带轮等等正应力力：剪应力力：极限应力四、刚刚度准准则刚度：：材料抵抵抗弹弹性变变形的的能力力刚度准准则：：实际变变形量量≤许许用变变形量量弯曲刚刚度：：挠度度条件件：y≤≤[y]倾角条条件：：θ≤≤[θθ]扭曲刚刚度：：扭角角条件件：j≤[j]机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论针对失失效形形式：：过大的的弹性性变形形典型零零部件件：轴、蜗蜗杆等等五、耐耐磨性性准则则耐磨性性：零件抗抗磨损损的能能力磨损是是相当当复杂杂的物物理化化学过过程影响磨磨损的的因素素包括括载荷荷的大大小和和性质质、滑滑动速速度、、润滑滑剂的的化学学性质质和物物理性性质等等具体有有：磨粒磨磨损、、粘着着磨损损、疲疲劳磨磨损、、腐蚀蚀磨损损、冲冲蚀磨磨损、、微动动磨损损耐磨性性准则则：P机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论针对失失效形形式：：零件表表面破破坏典型零零部件件：齿轮、、轴承承、链链等六、振振动稳稳定性性准则则共振：：当机器器的自自振频频率与与周期期性干干扰力力变化化频率率相同同或整整数倍倍时，，就会会发生生共振振，此此时振振幅急急剧增增大，，导致致零件件破坏坏或机机器工工作条条件失失常等等振动稳稳定性性：机器工工作时时振幅幅不能能超过过许可可值振动稳稳定性性准则则：0.85f>fp或1.15f<fp机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论针对失失效形形式：：共振产产生的的工作作失常常典型零零部件件：轴等七、耐耐热性性准则则高温引引起承承载能能力降降低、、蠕变变，也也会造造成热热变形形、附附加热热应力力，破破坏正正常的的润滑滑条件件，改改变零零件间间的间间隙，，降低低精度度等耐热性性准则则：工作温温度低低于许许用值值机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论针对失失效形形式：：高温引引起的的润滑滑不良良、蠕蠕变典型零零部件件：蜗杆、、齿轮轮、滑滑动轴轴承等等6-3许许用应应力和和安全全系数数一、载荷二、应力三、极限应应力四、许用应应力和和安全全系数数机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论一、载载荷载荷：：作用于于零件件上的的力或或力矩矩工作载荷荷：机器正常常工作时时所受的的实际载载荷名义载荷荷：理想工作作条件下下的载荷荷计算载荷荷：作用于零零件的实实际载荷荷，考虑虑各种附附加载荷荷计算载荷荷=K×名义载载荷机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论载荷系数二、应力力静应力：：不随时间间改变或或变化缓缓慢的应应力变应力：：随时间作作周期性性或非周周期性变变化的应应力变应力：：稳定变应应力（随时间作作周期性性）、不稳稳定变应应力（非周期性性循环变变应力）机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论稳定变应应力：对称循环环变应力力、脉动动循环变变应力、、非对称称循环变变应力tstssminsmaxsm应力参数数以正应力力s为例最大应力力:smax=sm+sa最小应力力:smin应力幅:sa机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论平均应力力:sm循环特征征:rtssminsmaxsm静应力应力表达达：s+1（t+1）最大应力力:smax最小应力力:smin应力幅:sa平均应力力:sm循环特征征:r机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论tssm脉动循环环变应力力应力表达达：s0（t0）最大应力力:smax最小应力力:smin应力幅:sa平均应力力:sm循环特征征:r机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论smts对称循环环变应力力应力表达达：s-1（t-1）最大应力力:smax最小应力力:smin应力幅:sa平均应力力:sm循环特征征:r机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论ts三、极限限应力1静应应力下的的极限应应力与材料性性能有关关脆性材料料取强度度极限sB(tB)机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论塑性材料料取屈服服极限sS(tS)sBes玻璃钢灰口铸铁esspsSsBABCDE2变应应力下的的极限应应力疲劳极限限：依据防疲劳断裂裂的准则确确定材料经过过N0次应力循循环不发发生破坏坏的应力力最大值值sr(tr)机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论各种材料料的sr可从有关关手册中中查取有限寿命区无限寿命区四、许用用应力和和安全系系数许用应力力：设计零件件时所依依据的条条件应力力机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论安全系数数↑→许用用应力↓↓→结构构笨重安全系数数↓→许用用应力↑↑→不够安全全许用应力极限应力安全系数许用应力力确定1查许许用应力力表根据实践践经验制制成表格格选取机械设计计基础———机械械零件设设计和计计算概论论2部分分系数法法S=S1S2S3S1：计算算载载荷荷和和应应力力准准确确性性系系数数（（1~1.5)S2：材料料的的均均匀匀系系数数（（铸铸铁铁:1.5~2.5,钢钢:1.2~1.5））S3：零件件重重要要性性系系数数（（1~1.5)6-4常常用用材材料料及及其其选选择择一、、常用用材材料料二、、热处处理理方方法法三、、材料料力力学学性性能能指指标标四、、材料料选选择择原原则则机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论一、、常常用用材材料料常用用零零件件材材料料的的力力学学性性能能等等级级和和牌牌号号1铸铸铁铁：：含ＣＣ＞＞2.06％％→→易易成成型型、、价价廉廉、、吸吸振振、、可可靠靠性性差差灰铸铸铁铁、、球球墨墨铸铸铁铁、、可可锻锻铸铸铁铁2钢钢：：含ＣＣ量量＜＜1.4％％→→常常用用碳素素钢钢：（含含ＳＳ、、ＰＰ量量不不同同））普通通碳碳素素钢钢、、优优质质碳碳素素钢钢合金金钢钢：：综合合机机械械性性能能好好，，但但较较贵贵合金金钢钢的的优优良良性性能能取取决决于于化化学学成成份份及及热热处处理理铸钢钢：：含ＣＣ→→（（0.15～～0.6））％％→→易易成成型型3有有色色金金属属合合金金：：有特特殊殊性性能能，，价价昂昂→→少少用用铝合合金金、、铜铜合合金金（（黄黄铜铜、、青青铜铜））、、轴轴承承合合金金4非非金金属属材材料料：：工程程塑塑料料、、橡橡胶胶、、烧烧结结材材料料、、复复合合材材料料……机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论二、、热热处处理理方方法法1退火火2正火火3淬火火4回火火5表面面热热处处理理机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论热处处理理比比较较1退退火火降低低硬硬度度、、提提高高韧韧性性、、细细化化晶晶粒粒、、消消除除内内应应力力2正正火火用于于处处理理低低中中碳碳钢钢，，代代替替低低中中碳碳钢钢的的退退火火。。提提高高硬硬度度，，增增加加韧韧性性，，易易于于切切削削，，减减少少应应力力机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论3淬淬火火（（蘸蘸火火））提高高硬硬度度和和耐耐磨磨性性、、但但内内应应力力增增大大，，会会发发脆脆，，应应再再回回火火4回回火火消除除淬淬火火后后的的内内应应力力，，以以获获得得零零件件所所需需的的性性能能，，提提高高韧韧性性低温温回回火火：：高强强度度、、高高硬硬度度及及良良好好的的耐耐磨磨性性中温温回回火火：：高弹弹性性、、硬硬度度中中等等高温温回回火火：：强度度、、塑塑性性、、韧韧性性都都较较好好(调质质———淬淬火火+高高温温回回火火)正火火(空空冷冷)退火火(炉炉冷冷)回火火加热热保温温淬火火时间温度表面面热热处处理理表面面热热处处理理：：表面面增增硬硬，，芯芯部部韧韧表面面淬淬火火法法（（火火焰焰加加热热、、感感应应加加热热……））化学学热热处处理理（（渗渗碳碳、、氮氮化化、、氰氰化化...））机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论三、、材材料料力力学学性性能能指指标标强度度：：弹性性极极限限：：sP抗拉拉强强度度：：sB屈服服强强度度：：sS(s0.2)机械械设设计计基基础础————机机械械零零件件设设计计和和计计算算概概论论硬度度：HBS:布布氏氏硬硬度度硬度度机机压压头头为为淬淬火火钢钢球球，，不不能能测测太太硬硬的的材材料料，，一一般般HBS<450HRC:洛洛氏氏硬硬度度120ºº金金刚刚石石锥锥体体，，载载荷荷150kgf,不不能能测测硬硬、、脆脆的的薄薄层层零零件件HV:维维氏氏硬硬度度136ºº金金刚刚石石四四角角锥锥体体，，载载荷荷小小，，5-30kgf三种硬硬度单单位之之比较较：HV(维氏氏)≈≈HBS(布氏氏)；；HRC(洛氏氏)××10≈≈HBSspsSsBesABCDE四、材材料选选择原原则使用要要求：：使用环环境、、载荷荷性质质、结结构、、重要要程度度...工艺要要求：：零件及及其毛毛坯的的形状状、批批量、、加工工方法法...经济要要求：：材料价价格结结合加加工费费用、、材料料利用用率...机械设设计基基础———机机械零零件设设计和和计算算概论论6-5机机械零零件的的工艺艺性和和标准准化一、工工艺性性主要体体现在在下面面三个个方面面：1.毛毛