第六章-機械零件設計和計算概論

1、第六章第六章 機械零件設計和計算概論機械零件設計和計算概論本章主要介紹機械零件的工作能力準則，機本章主要介紹機械零件的工作能力準則，機械零件常用材料及其選擇，零件許用應力和安全械零件常用材料及其選擇，零件許用應力和安全系數(shù)系數(shù)。第第 1 1 頁頁6-1 機械零件的工作能力準則機械零件的工作能力準則6-2 機械制造中常用材料及其選擇機械制造中常用材料及其選擇6-3 許用應力和安全系數(shù)許用應力和安全系數(shù)第第 2 2 頁頁6-4 機械零件的工藝性和標準化機械零件的工藝性和標準化一、機械設計的基本要一、機械設計的基本要求求 1、對機械設計的要求、對機械設計的要求 a) 對機器使用功能方面的要求。對機器

2、使用功能方面的要求。 b) 對機器經(jīng)濟性的要求。對機器經(jīng)濟性的要求。2、對機械零件設計的基本要求對機械零件設計的基本要求 a) 有足夠的強度和剛度，有一定的耐磨性，無強烈的有足夠的強度和剛度，有一定的耐磨性，無強烈的 振動，具有耐熱性。振動，具有耐熱性。 b) 要盡量降低零件的生產(chǎn)、制造成本。要盡量降低零件的生產(chǎn)、制造成本。 6-1 機械零件的工作能力準則機械零件的工作能力準則 第第 3 3 頁頁 1）建立零件的受力模型，確定零件的計算載荷）建立零件的受力模型，確定零件的計算載荷 2）選擇零件的基本類型與結(jié)構(gòu)。）選擇零件的基本類型與結(jié)構(gòu)。 3）選擇零件的材料。）選擇零件的材料。 4）按可能的失

3、效形式確定零件的計算準則，并確定零件的）按可能的失效形式確定零件的計算準則，并確定零件的 基本尺寸，并加于標準化和圓整?；境叽纾⒓佑跇藴驶蛨A整。 5）零件的結(jié)構(gòu)設計。）零件的結(jié)構(gòu)設計。 6）繪制零件的工作圖，并編寫計算說明書。）繪制零件的工作圖，并編寫計算說明書。 二、機械零件設計的一般步驟二、機械零件設計的一般步驟.KPPca第第 4 4 頁頁三、機械零件的失效形式三、機械零件的失效形式 失效失效零件喪失正常工作能力或達不到設計要求的性能。零件喪失正常工作能力或達不到設計要求的性能。失效形式失效形式強度失效、剛度失效、磨損失效、振動、強度失效、剛度失效、磨損失效、振動、 精度失效、噪聲

4、失效、可靠性失效。精度失效、噪聲失效、可靠性失效。四、機械零件的計算準則四、機械零件的計算準則 工作能力工作能力零件不發(fā)生失效時的安全工作限度。零件不發(fā)生失效時的安全工作限度。 計算準則計算準則以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的零件以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的而擬定的零件工作能力計算依據(jù)的基本原則。工作能力計算依據(jù)的基本原則。第第 5 5 頁頁1、強度準則、強度準則 計算安全系數(shù)極限應力計算安全系數(shù)極限應力tSSlimlim 強度強度零件在載荷作用下抵抗破壞的能力。零件在載荷作用下抵抗破壞的能力。 S S 安全系數(shù)：考慮到載荷、機械性能均勻性、安全系數(shù)：考慮到載荷、機械性能均勻性、 零件重要

5、程度而選取的系數(shù)，零件重要程度而選取的系數(shù)，S1 S1 。 第第 6 6 頁頁2、剛度準則、剛度準則 剛度剛度零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。yy y可以是撓度、偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角?？梢允菗隙取⑵D(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角。 3、耐磨性準則、耐磨性準則 磨損性磨損性作相對運動的零件其工作表面抵抗磨損的能力。作相對運動的零件其工作表面抵抗磨損的能力。pvpvpp第第 7 7 頁頁典型的磨損過程：典型的磨損過程： 1、磨合磨損過程、磨合磨損過程 2、穩(wěn)定磨損階段、穩(wěn)定磨損階段 3、急劇磨損階段、急劇磨損階段 磨料磨損磨料磨損膠合磨損膠合磨損疲勞點蝕疲勞點蝕第第 8 8 頁頁5

6、、耐熱性準則、耐熱性準則 tt 4、振動和噪聲準則、振動和噪聲準則 f151ff850fpp.,.機器工作時不能發(fā)生超過容許的振動現(xiàn)象。機器工作時不能發(fā)生超過容許的振動現(xiàn)象。溫度升高溫度升高零件承載能力降低。零件承載能力降低。引起熱變形及附加熱應力，蠕變。引起熱變形及附加熱應力，蠕變。破壞正常的潤滑條件，改變聯(lián)接零件間的破壞正常的潤滑條件，改變聯(lián)接零件間的間隙，降低機器的精度。間隙，降低機器的精度。第第 9 9 頁頁6-2 機械制造中常用材料及其選擇機械制造中常用材料及其選擇 一、機械零件的常用材料一、機械零件的常用材料 1、黑色金屬、黑色金屬 碳鋼與合金鋼碳鋼與合金鋼應用最廣泛。應用最廣泛。

7、鑄鐵鑄鐵 脆性材料，只適用于鑄造零件，脆性材料，只適用于鑄造零件， 可鑄造成形狀復雜的零件。可鑄造成形狀復雜的零件。 灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵?；诣T鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。鑄鋼鑄鋼 鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。 強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差。強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差。第第 10 10 頁頁鋼制零件常用的熱處理方法：鋼制零件常用的熱處理方法： 、退火、退火 、正火、正火 加熱到臨界溫度，保溫，隨爐溫冷卻。加熱到臨界溫度，保溫，隨爐溫冷卻。 消除內(nèi)應力，改善切削性能。消除內(nèi)應力，改善切削性能。 靜止空氣中冷卻，提高硬度及剛度，部分消除內(nèi)

8、應力。靜止空氣中冷卻，提高硬度及剛度，部分消除內(nèi)應力。 、淬火、淬火 急速冷卻（水冷或油冷），大大提高了硬度，急速冷卻（水冷或油冷），大大提高了硬度， 產(chǎn)生很大的內(nèi)應力。產(chǎn)生很大的內(nèi)應力。 、回火、回火 淬火鋼重新加熱到臨界溫度以下，保溫，靜止空氣中冷卻，淬火鋼重新加熱到臨界溫度以下，保溫，靜止空氣中冷卻， 消除內(nèi)應力，保持高硬度。消除內(nèi)應力，保持高硬度。第第 11 11 頁頁 低溫回火低溫回火150250刀具，量具滾動軸承刀具，量具滾動軸承中溫回火中溫回火300450彈簧彈簧高溫回火高溫回火450650 （調(diào)質(zhì)）（調(diào)質(zhì)）齒輪，軸，重要螺栓齒輪，軸，重要螺栓 5、表面熱處理、表面熱處理 1）表

9、面淬火）表面淬火 火焰加熱、感應電流加熱?；鹧婕訜?、感應電流加熱。 常用于：齒輪、中軸、曲軸。常用于：齒輪、中軸、曲軸。 2）化學熱處理）化學熱處理 滲碳、氮化、氰化滲碳、氮化、氰化第第 12 12 頁頁2、有色金屬、有色金屬1) 鋁合金鋁合金重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好2) 銅合金銅合金 黃銅：黃銅：Cu與與Zn合金合金 青銅：青銅：Cu與與Sn的合金的合金 無錫青銅：無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金與鋁、硅、錳、鎳的合金 3、非金屬材料、非金屬材料 橡膠橡膠 彈性、絕緣性好，常用作彈性元件和密封元件、彈性、絕緣性好，常用作彈性元件

10、和密封元件、減震元件。減震元件。 塑料塑料 輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普通機械零件、絕緣體。通機械零件、絕緣體。 陶瓷陶瓷 電熱性好，硬度高。電熱性好，硬度高。 4、復合材料、復合材料第第 13 13 頁頁二、機械零件材料選用的原則二、機械零件材料選用的原則 1、使用要求、使用要求2、工藝要求、工藝要求3、經(jīng)濟性要求、經(jīng)濟性要求第第 14 14 頁頁6-3 許用應力和安全系數(shù)許用應力和安全系數(shù)不隨時間變化或變化緩慢的應力。不隨時間變化或變化緩慢的應力。1、 靜應力靜應力一、應力的分類一、應力的分類2 、變應力、變應力 隨時間變化的應力。隨

11、時間變化的應力。循環(huán)變應力循環(huán)變應力 具有周期性的變應力。具有周期性的變應力。1) 基本參數(shù)基本參數(shù): 2mminmax 2aminmax 平均應力平均應力:應力幅應力幅:am maxam min最大應力最大應力:最小應力最小應力:ammaxamminammaxammin第第 15 15 頁頁2）變應力種類：）變應力種類： 表示變應力中應力變化的情況。表示變應力中應力變化的情況。應力循環(huán)特性應力循環(huán)特性:maxmin 11 -1 +1 不對稱循環(huán)變應力不對稱循環(huán)變應力 = 0 脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力 = +1 靜應力靜應力 = 1 對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力第第 16 16 頁頁 穩(wěn)定

12、循環(huán)變應力穩(wěn)定循環(huán)變應力T、m、a均不變均不變第第 17 17 頁頁二、選擇許用應力的方法二、選擇許用應力的方法許用應力許用應力設計零件時所依據(jù)的條件應力。設計零件時所依據(jù)的條件應力。1 1、查許用應力表法、查許用應力表法2 2、部分系數(shù)法、部分系數(shù)法321SSSS安全系數(shù)：安全系數(shù)：S S1 1考慮計算載荷及應力準確性的系數(shù)考慮計算載荷及應力準確性的系數(shù) 取取1 11.51.5S S2 2考慮材料機械性能均勻性的系數(shù)考慮材料機械性能均勻性的系數(shù)S S3 3考慮零件重要程度的系數(shù)考慮零件重要程度的系數(shù) 取取1 11.51.5 Slim 第第 18 18 頁頁 SS SB 靜應力下塑性材料失效形

13、式靜應力下塑性材料失效形式塑性變形塑性變形靜應力下脆性材料失效形式靜應力下脆性材料失效形式斷裂斷裂變應力作用下機械零件的失效形式變應力作用下機械零件的失效形式疲勞斷裂疲勞斷裂第第 19 19 頁頁疲勞破壞特征：疲勞破壞特征：1）斷裂過程：）斷裂過程：產(chǎn)生初始裂紋。產(chǎn)生初始裂紋。 （應力較大處）（應力較大處） 裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展， 直至產(chǎn)生疲勞斷裂。直至產(chǎn)生疲勞斷裂。2）斷裂面：）斷裂面： 光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)） 粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4）破壞時的應力

14、（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限。）破壞時的應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限。影響因素：不僅與材料性能有關，變應力的循環(huán)特性，影響因素：不僅與材料性能有關，變應力的循環(huán)特性， 應力循環(huán)次數(shù)，應力幅都對疲勞極限有很大影響。應力循環(huán)次數(shù)，應力幅都對疲勞極限有很大影響。疲勞破壞的機理：損傷的累積。疲勞破壞的機理：損傷的累積。第第 20 20 頁頁第第 21 21 頁頁塑性材料拉伸斷口形貌塑性材料拉伸斷口形貌脆性材料拉伸斷口形貌脆性材料拉伸斷口形貌材料疲勞破壞斷口形貌材料疲勞破壞斷口形貌光滑的疲勞發(fā)展區(qū)光滑的疲勞發(fā)展區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)粗糙的脆性斷裂區(qū)第第 2222頁頁)( 疲勞極限，材料經(jīng)過疲勞極

15、限，材料經(jīng)過N N次應力循環(huán)后，次應力循環(huán)后， 不發(fā)生破壞的最大應力值。不發(fā)生破壞的最大應力值。疲勞壽命（疲勞壽命（N） 材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N。疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與 應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線。應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線。N0 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù) 持久極限持久極限第第 23 23 頁頁Sk11 Sk00 變應力下，取材料的疲勞極限為極限應力！變應力下，取材料的疲勞極限為極限應力！ = 0 脈動循環(huán)變應力下：脈動循環(huán)變應力下： = 1 對稱循環(huán)變應力下：對稱循環(huán)變應力下：第第

16、24 24 頁頁6-4 機械零件的工藝性和標準化機械零件的工藝性和標準化一、工藝性一、工藝性零件的結(jié)構(gòu)既能滿足使用的要求，又便于加零件的結(jié)構(gòu)既能滿足使用的要求，又便于加 工，而且加工費用最少，那么這種結(jié)構(gòu)就是工，而且加工費用最少，那么這種結(jié)構(gòu)就是 符合工藝性的。符合工藝性的。1、選擇合理的毛坯種類。、選擇合理的毛坯種類。2、零件的結(jié)構(gòu)要簡單合理。、零件的結(jié)構(gòu)要簡單合理。3、規(guī)定合理的制造精度和表面粗糙度。、規(guī)定合理的制造精度和表面粗糙度。零件的工藝性要求：零件的工藝性要求： 將零件的型式、規(guī)格、試驗方法、質(zhì)量鑒定及標號等將零件的型式、規(guī)格、試驗方法、質(zhì)量鑒定及標號等標準化，在機械制造及設計中具有重大意義。標準化，在機械制造及設計中具有重大意義。第第 25 25 頁頁二、標準化二、標準化標準化：指以制定標準和貫徹標準為主要內(nèi)容的全部活動過程。標準化：指以制定標準和貫徹標準為主要內(nèi)容的全部活動過程。標準化的原則：統(tǒng)一、簡化、協(xié)調(diào)、優(yōu)化。標準化的原則：統(tǒng)一、簡化、協(xié)調(diào)、優(yōu)化。標準化的意義：標準化的意義：1、制造上專業(yè)化大量生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。