《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第9章機械零件設(shè)計概論課件

第9章機械零件設(shè)計概論§9-1機械零件設(shè)計基礎(chǔ)§9-2機械制造常用材料及其選擇§9-3機械零件工藝及標(biāo)準化1.失效的定義：各種機械零件在運行中由于某種原因不能正常工作。2.機械零件設(shè)計的中心問題：

如何保證零件在預(yù)期的壽命內(nèi)不失效。零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。3.失效形式1）斷裂：占總失效的5％

零件在（拉、壓、彎、扭）的載荷作用下，σ>σB（材料的強度極限）就可能發(fā)生斷裂。

一、失效分析§9-1機械零件設(shè)計基礎(chǔ)3.失效形式：1）斷裂：占總失效的5％2）過大的殘余變形

在載荷的作用下σ>σS則產(chǎn)生殘余變形。

3）零件的表面破壞：占74％4）接觸疲勞在接觸變應(yīng)力長期作用下,產(chǎn)生點蝕5）腐蝕在有害介質(zhì)中，如零件生銹

6）正常工作條件破壞引起的失效

動壓滑動軸承：缺油、軸承油膜破壞帶傳動：過載打滑1.載荷a.靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷。b.動載荷：隨時間作周期性變化或非周期性變化的載荷。在設(shè)計計算中，常把載荷分為名義載荷和計算載荷。

Fc=K*F

Tc=K*T2.應(yīng)力靜應(yīng)力：不隨時間而變的應(yīng)力。變應(yīng)力：不斷隨時間變化的應(yīng)力。大多數(shù)零件都是處于變應(yīng)力狀態(tài)下工作。二、載荷和應(yīng)力3.交變應(yīng)力的描述sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力r─應(yīng)力比r=

σmin/σmax

描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。r=-1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力

4.變應(yīng)力下的破壞形式：疲勞破壞A、疲勞斷裂的特征：1）疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠比靜應(yīng)力下的強度極限低，甚至比屈服極限低。2）其疲勞斷口為無明顯塑性變形的脆性突稱然斷裂。3）疲勞斷裂是損傷的積累。形成過程：表面初始裂紋→裂紋擴展→斷裂。其斷口有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)。零件在變應(yīng)力作用下，其極限應(yīng)力不僅與材料的性能有關(guān)，而且應(yīng)力的循環(huán)特性r、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、應(yīng)力集中、零件的表面狀態(tài)和零件的大小都對極限應(yīng)力有很大的影響。三、機械零件的設(shè)計準則1.強度準則機械零件的強度分為體積強度和表面接觸強度。

≤

σca≤σlim/S

其中：σca--計算應(yīng)力

σlim--極限應(yīng)力

S--安全系數(shù)（1）體積強度接觸應(yīng)力兩個零件在受載前是點、線接觸，受載后，在接觸區(qū)附近產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，稱為接觸應(yīng)力和接觸變形。接觸應(yīng)力多為變應(yīng)力，在這種情況下產(chǎn)生的失效是疲勞點蝕(2)機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度計算

接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。

式中ρ1和ρ2

分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,其中正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸。對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計算。

2.剛度準則：

彈性變形≤允許極限值。例y≤[y]。

3.壽命準則：

Ln>Ln’滾動軸承

4.可靠性準則：

機械性設(shè)計可靠度R(t)=N/N。

N。－總數(shù)N－滾動軸承失效數(shù)106

轉(zhuǎn)

R(t)=0.90

1.傳統(tǒng)的設(shè)計方法

1）理論設(shè)計

依據(jù)人們長期總結(jié)出的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)進行的設(shè)計。

ａ.設(shè)計計算，可以簡化成簡單力學(xué)模型。根據(jù)零件的工作情況和工作能力準則確定計算公式。擬訂安全條件（［σ］或［y］）計算零件危險剖面的尺寸。根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝要求和尺寸協(xié)調(diào)原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

A≥F/［σ］如：齒輪傳動、螺栓聯(lián)接

四、機械零件的設(shè)計方法ｂ.校核計算：結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力分布復(fù)雜的零件①先參考已有實物、圖紙和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬訂零件的結(jié)構(gòu)布局和有關(guān)尺寸。②根據(jù)工作能力準則校核危險剖面尺寸

2）經(jīng)驗設(shè)計，類比設(shè)計

根據(jù)已有的某類零件的設(shè)計和使用實踐。歸納出經(jīng)驗關(guān)系式，或根據(jù)本人經(jīng)驗進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對關(guān)鍵部分進行校核如：箱體、機架、齒輪結(jié)構(gòu)、帶輪機構(gòu)3）模型實驗設(shè)計

做成小模型、小樣機，經(jīng)過各種檢驗和反復(fù)修改，使用于尺寸巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重型整體零件或特別重要的設(shè)計。2.現(xiàn)代設(shè)計方法：

CAD計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、有限元法等。

1.選取零件的類型和結(jié)構(gòu)；

要求設(shè)計人員對各種零件的類型、優(yōu)缺點、特性、使用范圍有透徹了解。五、機械零件設(shè)計的一般步驟2.受力分析

根據(jù)機器運動簡圖、工作要求、計算作用于零件上的載荷3.選取材料

根據(jù)工作條件，對零件的特殊要求4.失效分析，確定計算準則

通過計算確定立功腦筋基本尺寸或主要參數(shù)5.進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計繪出零件的工作圖，標(biāo)出必要的技術(shù)條件，說明書。一、金屬材料1.鋼：含碳量＜2%的鐵碳合金1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號為Q215、Q235等主要用于一般要求的機械零件，如連桿、拉桿、鋼筋、地腳螺栓、鋼板等§9-2機械制造常用材料及其選擇2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼：牌號表示，用鋼中含碳量的萬分數(shù)表示，例45表示鋼中含碳量為萬分之45。C≤0.25%為低碳鋼：強度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、沖壓件等C為0.3～0.5%為中碳鋼：具有綜合的機械性能，用作齒輪、軸等零件C為0.55～0.7的鋼：用作制造彈簧、鋼絲繩等3）合金結(jié)構(gòu)鋼：在鋼中加入鎳、鉻、錳、鉬、釩等元素的鋼。牌號表示數(shù)字—化學(xué)元素—數(shù)字含C量元素名稱元素的平均含量，以1%為單位例：60Si2Mn表示平均含C量0.6%，含Si量2%，含Mn量＜1.5%用于:重要的零件或需要某種特殊性能的零件。4）鑄鋼：用于形狀復(fù)雜、尺寸較大的零件。2鑄鐵：含碳量＞2%的鐵碳合金。1）灰鑄鐵：C大部分以片狀石墨形狀存在其基體中特點：強度低，塑性低，鑄造性好，減磨性、消震性好，切削性好用途：機床身，箱體，帶輪等2）球墨鑄鐵：C以球狀石墨存在基體中特點：強度提高，塑性提高，比灰鐵貴，比鋼便宜。用途：柴油機曲軸，汽缸套，活塞等機械制造中的非金屬材料有很多，主要有橡膠、塑料、陶瓷、木材、復(fù)合材料等。二、非全屬材料1）橡膠：富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。2）塑料：其比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結(jié)而成的塑料稱為結(jié)合塑料，可用來制作儀表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體，用熱固性樹脂壓結(jié)而成的塑料稱為層壓塑料，可用來制作無聲齒輪、軸承村和摩擦片等。三、機械零件材料的選用原則一）使用要求

1.根據(jù)零件承受載荷情況和工作條件選?。?/p>

a一般情況下均選用碳素鋼45＃調(diào)質(zhì)處理軸，齒輪

b承受沖擊載荷，要求耐磨或結(jié)構(gòu)要求緊湊時采用低碳鋼合金鋼滲碳淬火，如18CrMnTi齒輪軸

c載荷比較穩(wěn)定時可選鑄鐵。如：HT250、機床，箱體，床身。

d在高溫下工作的零件選耐磨熱材料4Cr9Si2e在腐蝕介質(zhì)中工作的零件選耐腐蝕材料，不銹鋼，銅鋁合金、軸承

2.受尺寸重量限制時：

a一般情況下采用碳素鋼鍛造毛坯b要求尺寸及重量及小時可采用高強度合金鋼c零件尺寸重量較大時且結(jié)構(gòu)復(fù)雜時采用鑄造毛坯，可選：鑄鐵(批量)、鑄鋼(單件)或板材沖壓后焊接

選材料時要考慮材料的工藝性鑄造：流動性好鍛造：還原性、熱脆性機加工：易切削性熱處理：可淬性、淬火變形、淬造能力二）工藝要求：

材料價格：鑄鐵1、鋼2、合金8～10、普通鋼1、優(yōu)質(zhì)鋼1.5～１.8、合金鋼1.7～2.5、軸承鋼3、工具鋼3～20、耐熱鋼5材料加工費用：重量大，加工量大材料利用率三）經(jīng)濟性要求：§9-3機械零件工藝和標(biāo)準化

一、機械零件的工藝性

從工藝性的角度出發(fā)，對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要提出以下幾個方面的要求：2.零件的結(jié)構(gòu)要簡單合理3.選擇合理的制造精度和表面質(zhì)量1.選擇合理的毛坯種類二、機械零件的標(biāo)準化標(biāo)準化：是指將產(chǎn)品(特別是零部件)的質(zhì)量、規(guī)格、性能、結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)指標(biāo)加以統(tǒng)一規(guī)定并作為標(biāo)準來執(zhí)行。系列化：是指對同一產(chǎn)品,在同一基本結(jié)構(gòu)或基本條件下規(guī)定出若干不同的尺寸系列。通用化：是指在不同種類的產(chǎn)品或不同規(guī)格的同類產(chǎn)品中盡量采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件。

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