機(jī)械零件設(shè)計和計算準(zhǔn)則

1、6-6-1 1 6-1 機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則 6-2 許用應(yīng)力和安全系數(shù) 6-3 常用材料及其選擇6-6-2 2一、機(jī)械零件常見失效形式二、強(qiáng)度準(zhǔn)則三、剛度準(zhǔn)則四、耐磨性準(zhǔn)則五、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則6-6-3 3v失效：失效：喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求的性能，不僅僅指喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求的性能，不僅僅指破壞破壞 常見主要失效形式有：常見主要失效形式有：v斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂v表面點蝕：工作表面片狀剝落表面點蝕：工作表面片狀剝落v塑性變形：零件發(fā)生永久性變形塑性變形：零件發(fā)生永久性變形v過大彈性變形過大彈性變形v表面破壞表面破壞v過大振動和噪聲、過熱等過

2、大振動和噪聲、過熱等v例如軸可能的失效形式：例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形斷裂、塑性變形、過大彈性變形 強(qiáng)度問題強(qiáng)度問題剛度問題剛度問題耐磨性問題耐磨性問題Fn一、機(jī)械零件常見失效形式一、機(jī)械零件常見失效形式6-6-4 4v機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則v強(qiáng)度：強(qiáng)度：材料抵抗斷裂或材料抵抗斷裂或殘余變形殘余變形的能力的能力v強(qiáng)度準(zhǔn)則：強(qiáng)度準(zhǔn)則：工作應(yīng)力工作應(yīng)力許用應(yīng)力許用應(yīng)力v 或或 v針對失效形式：針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形斷裂、疲勞破壞、殘余變形v典型零部件：典型零部件：軸、齒輪、軸、齒輪、 帶輪等帶輪等Slim 正應(yīng)力：正應(yīng)力：S

3、lim 切應(yīng)力：切應(yīng)力：極限應(yīng)力極限應(yīng)力1、強(qiáng)度準(zhǔn)則、強(qiáng)度準(zhǔn)則6-6-5 5外力使零件變形，外力使零件變形， 其中引起塑性變形的外力作的功其中引起塑性變形的外力作的功以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當(dāng)以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當(dāng) 外力消除外力消除以后，應(yīng)力不均勻的能量要施放出來，引起了零件緩以后，應(yīng)力不均勻的能量要施放出來，引起了零件緩慢地變形，慢地變形， 即殘余應(yīng)力作功，使原有加工精度逐漸喪即殘余應(yīng)力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來為止，失，直到能量全部施放出來為止， 變形結(jié)束。變形結(jié)束。 殘余變形殘余變形: :6-6-6 6v剛度：剛度：材料抵抗彈性變形的能力材

4、料抵抗彈性變形的能力v剛度準(zhǔn)則：剛度準(zhǔn)則：實際變形量實際變形量許用變形量許用變形量彎曲剛度：撓度條件彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件：傾角條件： 扭曲剛度：扭角條件：扭曲剛度：扭角條件：j j j jv針對失效形式：針對失效形式：過大的彈性變形過大的彈性變形v典型零部件：典型零部件：軸、蝸桿等軸、蝸桿等2、剛度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則6-6-7 7v耐磨性：耐磨性：零件抗磨損的能力零件抗磨損的能力v磨損是相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程磨損是相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程v影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動速影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動速度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)等度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性

5、質(zhì)等v具體有：具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損磨損、沖蝕磨損、微動磨損v針對失效形式：針對失效形式：零件表面破壞零件表面破壞v典型零部件：典型零部件：齒輪、軸承、鏈等齒輪、軸承、鏈等3、耐磨性準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則6-6-8 8v共振：共振：當(dāng)機(jī)器的自振頻率與周期性干擾力變化頻當(dāng)機(jī)器的自振頻率與周期性干擾力變化頻率相同或整數(shù)倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急率相同或整數(shù)倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急劇增大，導(dǎo)致零件破壞或機(jī)器工作條件失常等劇增大，導(dǎo)致零件破壞或機(jī)器工作條件失常等v振動穩(wěn)定性：振動穩(wěn)定性：機(jī)器工作時振幅不能超過許可值機(jī)器工

6、作時振幅不能超過許可值v針對失效形式：針對失效形式：共振產(chǎn)生的工作失常共振產(chǎn)生的工作失常v典型零部件：典型零部件：軸等軸等4、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則6-6-9 9一、載荷二、應(yīng)力三、極限應(yīng)力四、許用應(yīng)力和安全系數(shù)6-6-1010v載荷：載荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩v工作載荷：工作載荷：機(jī)器正常工作時所受的實際載荷機(jī)器正常工作時所受的實際載荷 v名義載荷：名義載荷：理想工作條件下的載荷理想工作條件下的載荷v計算載荷：計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷v計算載荷計算載荷=K 名義載荷名義載荷載荷系數(shù)載荷系數(shù)一、載荷一

7、、載荷6-6-1111v靜應(yīng)力：靜應(yīng)力：不隨時間改變或變化緩慢的應(yīng)力不隨時間改變或變化緩慢的應(yīng)力v變應(yīng)力：變應(yīng)力：隨時間作周期性或非周期性變化的應(yīng)力隨時間作周期性或非周期性變化的應(yīng)力v變應(yīng)力：變應(yīng)力：穩(wěn)定變應(yīng)力（穩(wěn)定變應(yīng)力（隨時間作周期性隨時間作周期性）、不穩(wěn)定變應(yīng)）、不穩(wěn)定變應(yīng)力（力（非周期性循環(huán)變應(yīng)力非周期性循環(huán)變應(yīng)力）v穩(wěn)定變應(yīng)力：穩(wěn)定變應(yīng)力：對稱循環(huán)變應(yīng)力、對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變脈動循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)力t tminmaxm二、應(yīng)力二、應(yīng)力6-6-1212v以正應(yīng)力以正應(yīng)力 為例為例v最大應(yīng)力最大應(yīng)力: max= m+ av最小應(yīng)力最小應(yīng)力: minv應(yīng)

8、力幅應(yīng)力幅: av平均應(yīng)力平均應(yīng)力: mv循環(huán)特征循環(huán)特征: r2minmaxa2minmaxmmaxminrt minmax m應(yīng)力參數(shù)應(yīng)力參數(shù)6-6-1313v應(yīng)力表達(dá)：應(yīng)力表達(dá)： +1（ +1 ）v最大應(yīng)力最大應(yīng)力: maxv最小應(yīng)力最小應(yīng)力: minv應(yīng)力幅應(yīng)力幅: av平均應(yīng)力平均應(yīng)力: mv循環(huán)特征循環(huán)特征: rt m0amminmax1r靜應(yīng)力靜應(yīng)力6-6-1414v應(yīng)力表達(dá)：應(yīng)力表達(dá)： 0（ 0 ）v最大應(yīng)力最大應(yīng)力: maxv最小應(yīng)力最小應(yīng)力: minv應(yīng)力幅應(yīng)力幅: av平均應(yīng)力平均應(yīng)力: mv循環(huán)特征循環(huán)特征: r mt 0min 2max ma0 r脈動循環(huán)變應(yīng)力脈動循

9、環(huán)變應(yīng)力6-6-1515v應(yīng)力表達(dá)：應(yīng)力表達(dá)： 1（ 1 ）v最大應(yīng)力最大應(yīng)力: maxv最小應(yīng)力最小應(yīng)力: minv應(yīng)力幅應(yīng)力幅: av平均應(yīng)力平均應(yīng)力: mv循環(huán)特征循環(huán)特征: rtminmax 0 m 1 rminmax a對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力6-6-16161 靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力v與材料性能有關(guān)與材料性能有關(guān)v脆性材料取強(qiáng)度極限脆性材料取強(qiáng)度極限 B( B)v塑性材料取屈服極限塑性材料取屈服極限 S( S) Be e 玻璃鋼玻璃鋼灰口鑄鐵灰口鑄鐵e e p S BA AB BCDE三、極限應(yīng)力三、極限應(yīng)力6-6-1717v疲勞極限：疲勞極限：材料經(jīng)過材料經(jīng)過N

10、次應(yīng)力循次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值環(huán)不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值 r( r)v各種材料的各種材料的 r可從有關(guān)手冊中查取可從有關(guān)手冊中查取0NNNrNr有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)2 2 變應(yīng)力下的極限應(yīng)力變應(yīng)力下的極限應(yīng)力變應(yīng)力條件下零件的失效形式變應(yīng)力條件下零件的失效形式: 疲勞斷裂疲勞斷裂.裂紋斷裂的斷口形狀裂紋斷裂的斷口形狀見書見書p71.6-6-1818v許用應(yīng)力：許用應(yīng)力：設(shè)計零件時設(shè)計零件時所依據(jù)的條件應(yīng)力所依據(jù)的條件應(yīng)力v安全系數(shù)安全系數(shù)許用應(yīng)力許用應(yīng)力結(jié)構(gòu)笨重結(jié)構(gòu)笨重v安全系數(shù)安全系數(shù)許用應(yīng)力許用應(yīng)力不夠安全不夠安全SlimSlim許用應(yīng)力許用應(yīng)力極限應(yīng)力極限應(yīng)力安全系數(shù)安全系數(shù)四、

11、許用應(yīng)力和安全系數(shù)四、許用應(yīng)力和安全系數(shù)6-6-19191 查許用應(yīng)力表查許用應(yīng)力表v根據(jù)實踐經(jīng)驗制成表格選取根據(jù)實踐經(jīng)驗制成表格選取2 部分系數(shù)法部分系數(shù)法(已知極限應(yīng)力已知極限應(yīng)力)vS=S1S2S3vS1：計算載荷和應(yīng)力準(zhǔn)確性系數(shù)（計算載荷和應(yīng)力準(zhǔn)確性系數(shù)（11.5)vS2：材料的均勻系數(shù)（鑄鐵材料的均勻系數(shù)（鑄鐵:1.52.5,鋼鋼:1.21.5）vS3：零件重要性系數(shù)（零件重要性系數(shù)（11.5)許用應(yīng)力確定許用應(yīng)力確定6-6-2020一、常用材料二、熱處理方法三、材料力學(xué)性能指標(biāo)6-6-2121常用零件材料的力學(xué)性能等級和牌號常用零件材料的力學(xué)性能等級和牌號1 鑄鐵：鑄鐵：含含2.0

12、6易成型、價廉、吸振、可靠性差易成型、價廉、吸振、可靠性差v灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵2 鋼：鋼：含量含量1.4常用常用v碳素鋼碳素鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼v合金鋼：合金鋼：綜合機(jī)械性能好，但較貴綜合機(jī)械性能好，但較貴v合金鋼的優(yōu)良性能取決于化學(xué)成份及熱處理合金鋼的優(yōu)良性能取決于化學(xué)成份及熱處理v鑄鋼：鑄鋼：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金屬合金：有色金屬合金：有特殊性能，價昂有特殊性能，價昂少用少用v鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金4 非金屬材料：非金屬材料：v工程塑料、橡膠、燒結(jié)材料、

13、復(fù)合材料工程塑料、橡膠、燒結(jié)材料、復(fù)合材料一、常用材料一、常用材料材料牌號見書材料牌號見書p63頁頁.6-6-22221 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面熱處理二、熱處理方法二、熱處理方法6-6-23231 退火退火v降低硬度、提高韌性、細(xì)化晶降低硬度、提高韌性、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力粒、消除內(nèi)應(yīng)力(鍛造、焊接鍛造、焊接)3 淬火（蘸火）淬火（蘸火）v提高硬度和耐磨性、但內(nèi)應(yīng)力增大，會發(fā)脆，應(yīng)再回火提高硬度和耐磨性、但內(nèi)應(yīng)力增大，會發(fā)脆，應(yīng)再回火正火正火(空冷空冷)退火退火(爐冷爐冷)回火回火加熱加熱保溫保溫 淬火淬火時間時間溫度溫度2 正火正火v用于處理低中碳鋼，代替低中碳用于處理低中碳鋼

14、，代替低中碳鋼的退火。提高硬度，增加韌性，鋼的退火。提高硬度，增加韌性， 易于切削，減少應(yīng)力易于切削，減少應(yīng)力4 回火回火 v消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，以獲得零件所需的性能，提高韌性消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，以獲得零件所需的性能，提高韌性v低溫回火：低溫回火：高強(qiáng)度、高硬度及良好的耐磨性高強(qiáng)度、高硬度及良好的耐磨性(100-250)v中溫回火：中溫回火：高彈性、硬度中等高彈性、硬度中等(300-450)v高溫回火：高溫回火：強(qiáng)度、塑性、韌性都較好強(qiáng)度、塑性、韌性都較好(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)淬火淬火+高溫回火高溫回火)(450-650)熱處理比較熱處理比較6-6-2424v表面熱處理：表面熱處理：表面增硬，芯部韌表面增硬，芯部韌 表面淬火法（火焰加熱、感應(yīng)加熱表面淬火法（火焰加熱、感應(yīng)加熱） 化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、氰化、氧化）化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、氰化、氧化）表面熱處理表面熱處理6-6-2525強(qiáng)度：強(qiáng)度：v彈性極限：彈性極限： Pv抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度： Bv屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度： S( 0.2)硬度硬度：vHBS:布氏硬度布氏硬度 硬度機(jī)壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般硬度機(jī)