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1、洛陽高專用,第9章 機械零件設計概論,91 機械零件設計概論,92 機械零件的強度,93 機械零件的接觸強度,94 機械零件的耐磨性,95 機械制造常用材料及其選擇,96 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系,97 機械零件的工藝性及標準化,洛陽高專用,洛陽高專用,,,,,,,,,,,,機械設計部分的特點： “四多”關系多、要求多、公式多、圖表多 學習時應注意：理論與實踐結合 重視結構設計,洛陽高專用,91 機械零件設計概論,機械設計應滿足的要求： 在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和 造型美觀等。,1. 機械
2、零件的失效： 機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。,2. 工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：,承載能力。,一、 基本概念,洛陽高專用,（）零件的失效形式 1. 整體斷裂 1）一次擊裂：零件在一次性外力作用下，由于某 一危險剖面上的應力超過零件的 強度極限而發(fā)生的斷裂。,3. 強度----構件在載荷作用下抵抗破壞的能力 4. 剛度----構件在載荷作用下抵抗變形的能力 5. 穩(wěn)定性----構件保持其原有平衡狀態(tài)的能力 6. 耐磨性----作相對運動的零件工作表面抵抗磨損的能力,二 、 機械
3、零件的失效形式及計算準則,洛陽高專用,2）疲勞斷裂：零件在變應力作用下，危險截面上的應力大于零件的疲勞極限而發(fā)生的斷裂。 2. 過大的彈性變形; 如機床主軸。 3. 工作表面的過度磨損或損傷; 4. 正常工作條件被破壞引起的失效如帶傳動等。,機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來 最主要的失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等方面的影響。,（二）計算準則,洛陽高專用,強度條件：計算應力 許用應力； 剛度條件：變形量許用變形量 歸納為： 防止失效的判定條件是：計算量 許用量 ----工作能力計算準則。,三 、 機械零件的設計方法,1. 設計計算：根據(jù)主要的失
4、效形式，運用相應的計算準則確定零件的形狀和主要尺寸； 2. 校核計算：參照實物或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬定零件的結構和尺寸，然后用相關的準則進行驗算。,洛陽高專用,1)擬定零件的計算簡圖; 2) 確定作用在零件上的載荷; 3) 選擇合適的材料; 4) 根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判 定條件，確定零件的形狀 ; 注意，零件尺寸的計算值一般并不是最 終采用的數(shù)值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標誰、規(guī)格加以圓整 5) 繪制工作圖并標注必要的技術條件。,四、 機械零件的設計步驟,洛陽高專用,載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。,名義載荷-----在理想的平穩(wěn)工作條件下
5、作用在零件上 的載荷。,92 機械零件的強度,計算載荷-----載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。,計算應力-----按計算載荷計算所得之應力：,名義應力-----按名義載荷計算所得之應力。,強度判 定條件：,、, 、-----許用應力,S-----安全系數(shù),lim、 lim -----極限應力，由實驗方法測定。,然而在機器運轉時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入,洛陽高專用,一、應力的種類（按應力隨時間的變化特性分）,,,,,脈動循環(huán)變應力,r =0,靜應力: =常數(shù),變應力: 隨時間變化,平均應力:,應力幅:,,循環(huán)變應力,變應力的循環(huán)特性:,,對稱循環(huán)變應力,r =-1,----脈
6、動循環(huán)變應力,----對稱循環(huán)變應力,----靜應力,min,,r =+1,靜應力是變應力的特例,洛陽高專用,二、靜應力下的許用應力,靜應力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形,對于塑性材料，當應力達到屈服極限S時，零件將發(fā)生明顯的塑性變形而影響其正常工作，即失效。 故取屈服極限S 作為極限應力,許用應力為：,對于脆性材料，直到斷裂也無明顯的塑性變形，斷裂是脆性材料破壞的唯一標志，故取強度極限B 作為極限應力,許用應力為：,不管脆性材料或塑性材料，,洛陽高專用,三、變應力下的許用應力,變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：,1)疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限
7、 低，甚至比屈服極限低;,2)疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;,3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。 它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。 疲勞斷裂是與應力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關的斷裂此關系用疲勞曲線來描述。,洛陽高專用,,,1、疲勞曲線,由圖可知：應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當 NN0以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。
8、,應力與應力循環(huán)次數(shù)N 之間的關系曲線稱為：疲勞曲線,N0 --循環(huán)基數(shù),N0 對應的應力稱為：,當 N < N0 時, 有近似公式：,對應于循環(huán)次數(shù)N 的彎曲疲勞極限：,材料的疲勞極限,用-1表示材料在對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限。,式中：m為隨應力狀態(tài)不同的冪指數(shù),洛陽高專用,2、許用應力,在變應力，應取材料的疲勞極限作為極限應力。 再引人應力集中系數(shù)k、尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)等。,當應力是對稱循環(huán)變化時，許用應力為：,當應力是脈動循環(huán)變化時，許用應力為：,0 為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。,有限壽命時，用-1N代入得：,洛陽高專用,四、安全系數(shù) 安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有
9、很大影響,1）靜應力下，塑性材料的零件：S =1.2.5 鑄鋼件：S =1..5,S,典型機械的 S 可通過查表求得。 無表可查時，按以下原則?。? 零件尺寸大，結構笨重。,S, 可能不安全。,）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵： S =34,3）變應力下， S =1.31.7 材料不均勻，或計算不準時取： S =1.72.5,洛陽高專用,,93 機械零件的接觸強度,若兩個零件高副接觸，受載后，由于變形其接觸處 為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應力 卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為 接觸強度。,機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載
10、荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑 ，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力 。,,,,失效形式常表現(xiàn)為：,疲勞點蝕,后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。,洛陽高專用,由彈性力學可知，應力為：,對于鋼或鑄鐵取泊松比： 1=2==0.3 , 則有簡化公式。,上述公式稱為赫茲(HHertz)公式,“+”用于外接觸， “-”用于內(nèi)接觸。,洛陽高專用,H ------
11、-最大接觸應力或赫茲應力;,b -------接觸長度;,Fn -------作用在圓柱體上的載荷;,-----綜合曲率半徑;,-----綜合彈性模量; E1、 E2 分別為兩 圓柱體的彈性模量。,接觸疲勞強度的判定條件為：,洛陽高專用,94 機械零件的耐磨性,運動副中，摩擦表面物質不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。 零件抗磨損的能力稱為耐磨性。,磨損,間隙、,精度、,效率、,振動、,沖擊、,噪音,磨損的主要類型 ：,1）磨粒磨損,2）粘著磨損(膠合磨損),在滾動或兼有滑動和滾動的高副中，如凸輪、齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應力。當載荷重復作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成
12、小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或疲勞點蝕。,在摩擦過程申，與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損,硬質顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗?，在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損 。硬質顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。,加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉移到另一個表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴重時摩擦表面能相互咬死。,3）疲勞磨損(疲勞點蝕
13、),4） 腐蝕磨損,洛陽高專用,實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即:,p p p由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定,相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量 f p v 。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將 p v 值與許用的 p v 值進行比較。即:,p v p v ,洛陽高專用,95 機械制造常用材料及其選擇,機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等 。,一、金屬材料,1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。,鑄鐵,常用金屬材料,鋼,銅合金,,----含碳量2%,----含碳量 2%,鐵碳合金,,特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形
14、狀復雜的零件。 較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。,應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。,H T Q T K T （+該材料的強度極限）,洛陽高專用,2.鋼,,按用途分,,結構鋼：各種機械零件、工程結構構件,工具鋼：量具、刃具、模具,特殊鋼：如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼,按化學成份分,,炭素鋼,合金鋼,按冶金質量分,,普通鋼：含硫、磷雜質較多,優(yōu)質鋼：含硫、磷雜質較少,,低炭鋼 含碳量< 0.25%,中炭鋼 含碳量0.250.5%,高炭鋼 含碳量0.55%,鋼有如下分類辦法：,洛陽高專用,特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和
15、加工性能。,零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。,應用：應用范圍極其廣泛。,選用原則：“價格便宜且供應充分,我國資源豐富 ” 優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。,牌號：1)對于普通炭素結構鋼，用屈服極限來描述，如牌號Q215表示屈服極限S215MPa 的普通炭素結構鋼; 2)對于優(yōu)質炭素結構鋼，用兩位數(shù)字來描述，如20兩位數(shù)字表示該材料含炭量的萬分之幾，如45表示含炭量為45優(yōu)質炭素結構鋼，讀為45號鋼； 3）合金鋼，直接在優(yōu)質炭素結構鋼后加合金元素,如40Cr,洛陽高專用,洛陽高專用,3.銅合金,-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳,特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還
16、具有良好的減摩性和抗腐蝕性。,零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。,應用：應用范圍廣泛。,種類,青銅,黃銅,軸承合金（巴氏合金）,-含錫青銅、不含錫青銅,,二、非金屬材料,1. 橡膠 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。,洛陽高專用,2. 塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，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用日益廣泛。,3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。,選材因素：,設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經(jīng)濟問題設計
17、者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。,用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經(jīng)濟性。,零件材料,各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。,為了材料供應和生產(chǎn)管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。,洛陽高專用,洛陽高專用,,洛陽高專用,最小極限尺寸：零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；,最大極限尺寸：零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；,尺寸誤差 ：實際尺寸與理論設計尺寸之差；,上偏差 ：最大極限尺寸與基本尺寸之差；符號：ES,es,下偏差 ：最小極限尺寸與基本尺寸之差；符號：EI,ei,尺寸公差：最大極限尺寸與最小
18、極限尺寸之差；即 允許的尺寸變動量。,公差=Lmax- Lmin,=ES-EI,=es-ei,洛陽高專用,零線：代表基本尺寸所在位置的一條直線；,公差帶：由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域；,國標規(guī)定：孔與軸各有28個，分別用如下符號表示：,孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC,軸：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc,基本偏差：標準表列的，用于確定公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差，一般為靠近零線的那個偏
19、差。,洛陽高專用,孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC,軸：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc,基本偏差系列,呈正態(tài)分布,洛陽高專用,配合：基本尺寸相同，相互結合的孔與軸公差帶之間 的關系；,間隙或過盈：孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數(shù)差；,間隙：代數(shù)差為“+”， 孔軸;,過盈：代數(shù)差為“-”， 孔<軸;,公差等級：國標規(guī)定了20個等級，用阿拉伯數(shù)字：0 01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1
20、2 13 14 15 16 17 18表示。,標記方法：公差帶符號后跟阿拉伯數(shù)字表示。如：H7。,常用公差等級的應用,4、5級用于特別精密的零件；,6、7、8級用于重要的零件；,8、9級用于中速及中等精度要求的零件；,10、11級用于低速、低精度的零件?？芍苯硬砂舨?、管材、精密鍛件而不用切削加工。,,洛陽高專用,配合類型,間隙配合,過渡配合,過盈配合,,孔軸，用于可動聯(lián)接，如活動鉸鏈；,孔<軸，用于靜聯(lián)接，如火車輪與軸。,可能有間隙，也可能具有過盈。用于 要求具有良好的同軸性而又便于拆裝 的靜聯(lián)接，如齒輪與軸；,最大間隙: Xmax = 孔max-軸min,最小間隙: Xmin = 孔min-
21、軸max,最大過盈: Ymax = 孔min-軸max,最小過盈： Ymin = 孔max-軸min,洛陽高專用,間隙配合,過盈配合,過渡配合,,,Xmin= 0,Ymin= 0,洛陽高專用,配合 基準制,基孔制配合：孔是基準孔，下偏差EI=0， 代號為:H ， 通過改變軸的公差帶來獲得各種不同的配合特性。,基孔制配合,基軸制配合,,應用廣泛 ，可減少孔加工刀具,洛陽高專用,基軸制配合：軸是基準軸，上偏差es=0， 代號為:h ， 通過改變孔的公差帶來獲得各種不同的配合特性。,洛陽高專用,基孔制常用與優(yōu)先配合的選用,洛陽高專用,基軸制常用與優(yōu)先配合的選用,洛陽高專用,二、 表面粗糙度,
22、,中線,定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度,特征：加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕。,評定參數(shù)：輪廓算術平均偏差----取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術平均值：,洛陽高專用,Ra愈小，零件的加工成本愈高。,洛陽高專用,表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：,1. 對摩擦磨損的影響,,零件表面愈粗糙，摩擦系數(shù)愈大。但光滑到一定程度時，潤滑油被擠出，產(chǎn)生親和力反而使摩擦系數(shù)增大。,2. 對疲勞強度的影響,零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產(chǎn)生應力集中，使疲勞強度降低。,3. 對耐腐蝕的影響,4. 對結合處密封性能的影響,5. 對振動和噪聲的影響等等,零件表
23、面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產(chǎn)生腐蝕滲透。,零件表面愈光滑，密封性能愈好。,零件表面愈粗糙，振動和噪聲愈大。如滾動軸承。,洛陽高專用,三、 優(yōu)先數(shù)系,優(yōu)先數(shù)系是國際上統(tǒng)一的數(shù)值分級制度，是一種無量綱的分級系數(shù)，適用于各種量值的分級。在確定產(chǎn)品的參數(shù)或參數(shù)系列時，應該最大限度采用。,產(chǎn)品的主要參數(shù)如型號、直徑、轉速、承載量和功率等按優(yōu)先數(shù)系形成系列，便于組織生產(chǎn)和降低成本，以實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化和系列化。,GB321-80規(guī)定了四個優(yōu)先數(shù)系的基本系列：,洛陽高專用,,,,,,,,,,洛陽高專用,97 機械零件的工藝性及標準化,一、工藝性,零件設計要求,使用要求----具備所要求的工作能力；,制造要求-
24、---制造工藝可行，成本低；,,零件工藝性良好的標志： 在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。,工藝性的基本要求： 1) 毛坯選擇合理,制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。,毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關。,單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。,洛陽高專用,2) 結構簡單合理,最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面及其組合；,盡量減少加工面數(shù)和加工面積；,3) 合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的
25、精度和表面質量。,盡量采用標準件。,增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；,4) 盡量減小零件的加工量,毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使用少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。,盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。,洛陽高專用,二、標準化,內(nèi)容： 1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化 將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結構等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求。,定義：標準化是在經(jīng)濟、技術、科學及管理等社會實踐中，對重復事務和概念，通過制定、發(fā)布和實施標準，以獲得最佳秩序和效益。,2
26、)零部件的通用化 將用途、結構相近的零部件（如軸承、螺栓等），經(jīng)過統(tǒng)一后實現(xiàn)互換；,3)產(chǎn)品質量標準化 要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質量合格和穩(wěn)定，就必須做好設計、加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環(huán)節(jié)的標準化。,洛陽高專用,基本特征：統(tǒng)一、簡化。,意義： 1)制造上可以實現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質量，又能降低成本；,2)設計方面可減少設計工作量；,3)管理維修方面可減少庫存量，便于更換損壞的零件。,標準化是組織社會化大生產(chǎn)的重要手段，是實施科學管理的基礎，也是對產(chǎn)品設計的基本要求之一。通過標準化的實施，以獲得最佳的社會經(jīng)濟成效。,標準層次：國家標準、行業(yè)標準、地方標準、企業(yè)標準。,推薦性標準（GB/T）----鼓勵企業(yè)自愿采用。,標準性質,強制標準（GB）----必須強制執(zhí)行；,,作為設計人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相關標準，學會查詢和使用標準資料。無論設計何種產(chǎn)品，必須遵循相關標準。,
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