机械的设计基础第九章-机械零件的设计概论教学课件

本课程的主要研究内容：机械原理部分＋机械零件部分机械原理部分：常用机构的结构和运动特点、工作原理、基本分析和设计计算。(1~7章)（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构）机器动力学基本知识（机械的调速和平衡）(8章)

机械零件部分：通用零件的结构特点、工作原理、选用原则、使用维护、国家标准和有关规范。(9~19章)常用联接（螺纹联接、键联接、销联接）;机械传动（螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动和链传动）;轴系零、部件（轴、轴承、联轴器等）.第九章机械零件设计概论本章将扼要阐明机械零件设计计算的共性问题:机械零件设计概述;机械零件的强度、接触强度和耐磨性;机械制造常用材料及其选择;机械零件的工艺性及标准化;机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为承载能力。几个概念：§9-1机械零件设计概述零件的失效原因断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。强度刚度耐磨性振动稳定性耐热性等如：轴的失效疲劳断裂；弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。承载能力取决于轴的疲劳强度；取决于轴的刚度；两者中的较小值决定了轴的承载能力此外，还可能因轴颈过度磨损而失效；对高速运转的轴，还应验算其振动稳定性；机械零件设计应满足：足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。判定条件可概括为：计算量许用量如：强度为主要问题，按强度判定：应力许用应力刚度为主要问题，按刚度判定：变形量许用变形量.…..机械零件设计步骤1）拟定计算简图；2）确定零件工作载荷大小；3）选材；4）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸；5）绘制零件图；6）编制技术文件。———设计计算———校核计算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。注意:§9-2机械零件的强度强度准则：、—危险截面处的计算正应力、剪应力；[]、[]—材料的许用应力；lim、lim—材料的极限应力；S—安全系数。[]、[]取决于应力种类、材料极限应力和安全系数等。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

。一、应力的分类应力与载荷：：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。静载荷→也可能产生变应力(如转轴中弯曲应力)注意：正确分析应力特性举例：(1)静载荷拉杆r=1(2)转轴对称循环(3)齿轮应力脉动循环二、静应力下的许用应力零件材料损坏形式：断裂或塑性变形塑性材料:lim=S屈服极限许用应力脆性材料:lim=B强度极限许用应力变应力下零件的失效形式：

疲劳断裂

疲劳断裂特征：1）疲劳断裂的最大应力＜材料的屈服极限；2）疲劳断口均表现为无明显塑性变形；3）断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区；4）疲劳断裂是损伤的积累的结果。三、变应力下的许用应力1、疲劳曲线疲劳曲线----表示应力与应力循环次数N之间的关系曲线。横坐标----循环次数N纵坐标----断裂时的循环应力应力越小，试件能经受的循环次数N越多N>某数值N0，“无限次”循环试件不断裂N0----循环基数(106—107)材料经过N0次应力循环，发生破坏的应力值----疲劳极限r无限寿命区(NN0)r有限寿命区(N＜N0)rN2、许用应力变应力下，lim=r还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响,引入有效应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等对称循环r=-1脉动循环r=0四、安全系数安全系数S对零件尺寸影响很大：S过大，结构笨重；S过小，可能不够安全。部分系数法：S=S1·S2·S3S1—考虑载荷及应力计算的准确性；S2—考虑材料的力学性能的均匀性；S3—考虑零件的重要性。具体数值可参阅有关书刊。§9-3机械零件的接触强度整体强度--零件受载是在较大体积内产生应力。接触应力--两零件受载前点接触或线接触，受载后接触面积很小而表层产生很大局部应力。这时零件强度称为接触强度如齿轮、滚动轴承等，都是通过很小接触面积传递载荷的，承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。机械零件的接触应力通常是周期性变化的，载荷重复作用表层初始疲劳裂纹裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展）表层金属呈小片状剥落零件表面形成一些小坑----疲劳点蚀疲劳点蚀----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。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式接触疲劳强度的判定条件接触疲劳极限Hlim由实验测得，两零件硬度不同时以较软零件接触疲劳极限为准。而由弹性力学计算H两轴线平行的圆柱体相互接触并受压，接触面积为狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上。最大接触应力为：对于钢或铸铁取泊松比1=2==0.3令上式可化简为：赫兹(H.Hertz)公式赫兹(H.Hertz)公式H——最大接触应力(赫兹应力)b——接触长度Fn——作用在圆柱体上的载荷——综合曲率半径外接触(+)，内接触(-)E——综合弹性模量§9-4机械零件的耐磨性磨损----运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。磨损逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态；剧烈磨损时，运动副间隙增大，机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。应立即停车检修、更换零件；约80％的损坏零件因磨损而报废。耐磨性----零件抗磨损的能力。

1、磨粒磨损硬质颗粒（零件本身磨损造成的金属微粒或外来的尘土杂质等）进入摩擦表面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。2、粘着磨损（胶合）零件表面有一定粗糙度，摩擦受载时，部分峰顶接触处压强很高，导致接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料转移（接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面相互咬死）。

3、疲劳磨损(点蚀)滚动或兼有滑动和滚动的高副（凸轮、齿轮等）受载时材料表层接触应力很大，载荷重复作用，表层金属呈小片状剥落，在零件表面形成小坑。

4、腐蚀磨损摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。实用耐磨计算1）限制运动副的压强p————防止过度磨损即：p≤[p]许用压强[p]由实验或同类机器使用经验确定。2）限制运动副的pv——防止胶合即：pv≤[pv]

摩擦系数f一定时，fpv代表运动副单位时间单位接触面积的发热量。§9-5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、铸铁脆性材料,不能辗压和锻造常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。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%）具有高的强度、韧性和塑性。可用锻造、冲压、焊接。按化学成分：1）碳素钢—含碳量不超过0.7%（低中高碳钢）①普通碳素钢—Q235等(屈服强度235MPa)②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：40Cr35CrMo40CrNiMo等,采用40CrNiMo制造钻具。2、钢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）

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——青铜减摩性、耐磨、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。三、热处理热处理类型1）退火—随炉冷却—消除锻造、焊接内应力；2）正火—空气冷却，正火后硬度强度提高，消除内应力方面不如退火；3）淬火—水冷或油冷，淬火后硬度强度提高较大，脆性增加、存在较大内应力；热处理概念固态钢材加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却，可改变金属内部结构，达到改变金属性能的方法。4）回火—淬火后又加热冷却（低温、中温、高温）—消除淬火后内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度；5）调质—淬火＋高温回火，可获得强度、硬度、塑性、韧性等都较好的综合力学性能；6）表面淬火（火焰加热、感应电流加热）；7）渗碳—低碳钢表面渗入碳元素—耐磨；8）渗氮—钢材表面渗入氮碳元素—耐磨；9）氰化—碳氮共渗—耐磨。2、工艺要求——应考虑零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯种类；如：铸件适合外形复杂、批量生产，塑性差的材料不能冲压、锻造。3、经济性要求—不仅指材料本身的成本，还包括加工制造费用、使用维护费用等。四、如何选材1、使用要求根据使用要求合理选材与设计零件尺寸。§9-6机械零件的结构工艺性及标准化一、工艺性在具体生产条件下，所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，称为具有良好的工艺性。有关工艺性的基本要求是：1、毛坯选择合理----铸件、型材、冲压、焊接;2、结构简单合理----机床加工尽量方便、省时;3、精度、粗糙度合理----根据实际需要;4、便于安装、维修。

为了能够加工，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，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；2）零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件（如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；3）产品质量标准化——保证产品质量合格和稳定就必须做好