西工大機械原理第9章機械零件設計概論

第9章機械零件設計概論內容§9-1機械零件設計概述§9-2機械零件的強度〔重點〕§9-3機械零件的接觸強度〔重點〕§9-4機械零件的耐磨性§9-5機械制造常用資料及其選擇§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系§9-7機械零件的工藝性及規(guī)范化§9-1機械零件設計概述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、本錢低；在預定運用期限內平安可靠，操作方便、維修簡單和外型美觀等。概括地說是：任務可靠、本錢低廉。名詞術語：失效：機械零件由于某種緣由不能正常任務〔完不成規(guī)定的功能或達不到設計要求的性能〕時，稱為失效?！?-1機械零件設計概述失效的方式：因強度不夠發(fā)生斷裂或塑性變形；因剛度不夠而產生過大的彈性變形；因耐磨性缺乏或光滑不良而使任務外表過度磨損或損傷；因失去振動穩(wěn)定性而發(fā)生劇烈的振動〔或共振〕、聯(lián)接的松弛、摩擦傳動的打滑等。歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。同一種零件能夠的失效方式往往有假設干種。任務才干：在不發(fā)生失效的條件下，零件所能平安任務的限制〔或者說在一定條件下零件抵抗失效的才干〕。通常，用載荷大小來衡量這個限制，所以習慣上稱為承載才干。任務才干計算準那么：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應滿足的條件。也可以了解為是機械零件不發(fā)生失效的“平安條件〞，是設計零件時的實際根據。設計計算與校核計算：為了防止機械零件在任務中產生失效，設計時，需求以零件的任務才干計算準那么為根據進展必要的計算，常用的計算方法〔過程〕有設計計算和校核計算兩種?！?-1機械零件設計概述設計計算：先分析零件的能夠失效方式，根據該失效方式的計算準那么經過計算確定零件的構造尺寸。校核計算：先確定零件的構造尺寸，然后再驗算零件能否滿足計算準那么。如不滿足，那么應修正零件的尺寸?！?-1機械零件設計概述機械零件的設計步驟擬定零件的計算簡圖。確定作用在零件上的載荷。選擇適宜的資料。根據零件能夠出現的失效方式，選用相應的斷定條件，確定零件的外形和主要尺寸。該當留意，零件尺寸的計算值普通并不是最終采用的數值，設計者還要根據制造零件的工藝要求和規(guī)范、規(guī)格加以圓整。繪制任務圖并標注必要的技術條件。§9-1機械零件設計概述§9-2機械零件的強度一、載荷載荷：進展強度計算所根據的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統(tǒng)稱為載荷。機械零件實踐接受的載荷：靜載荷：大小、作用位置和方向不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷：大小、作用位置或方向隨時間變化的載荷。動載荷：由于運動中產生的慣性力和沖擊等引起的載荷。機械設計計算中的載荷：名義載荷：在理想的平穩(wěn)任務條件下作用在零件上的載荷〔不思索動載荷的影響〕計算載荷：載荷系數K×名義載荷〔代表機器或零件實踐所受載荷〕載荷系數：思索機器運轉時動力參數的不穩(wěn)定，任務阻力變化等緣由，使零件遭到各種附加載荷而引入的影響系數K。§9-2機械零件的強度應力設計計算的應力：名義應力：根據名義載荷求得的應力計算應力：根據計算載荷求得的應力機械零件的實踐應力：靜應力——不隨時間變化的應力。變應力——隨時間變化的應力。非周期性變應力：應力的變化沒有周期性。循環(huán)變應力：應力的變化具有周期性?！?-2機械零件的強度σσttT§9-2機械零件的強度循環(huán)變應力的衡量目的：平均應力σm：一個應力循環(huán)中最大應力與最小應力的平均值。應力幅σa：一個應力循環(huán)中，應力偏離平均應力的程度。變應力循環(huán)特性r：應力循環(huán)中最小應力與最大應力之比。Tσtσmaxσminσmσa循環(huán)變應力的類型：對稱循環(huán)變應力：r＝-1。脈動循環(huán)變應力：r＝0。靜應力：r＝1，可看作是變應力的特例。非對稱循環(huán)變應力：r≠0、±1§9-2機械零件的強度對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力應力時間應力時間應力時間機械零件的強度條件：機械零件在整體或外表上的應力不得超越允許的限制。前者稱為整體強度，后者稱為外表接觸強度。機械零件整體強度條件為零件危險截面的計算應力不大于零件資料的許用應力：§9-2機械零件的強度四、靜應力條件下的許用應力塑性資料制成的零件，主要損壞方式為塑性變形，按不發(fā)生塑性變形條件進展強度計算，其極限應力為零件資料的屈服極限，許用應力：S平安系數。零件的斷裂能夠引起艱苦的損失甚至人惹事故，故平安系數取值較大，或按相關的平安系數表格選取。脆性資料制成的零件，主要損壞方式為斷裂，按不發(fā)生斷裂條件進展強度計算，極限應力為零件資料的強度極限，許用應力：§9-2機械零件的強度S為平安系數。零件發(fā)生塑性變形后，會影響零件的正常任務，但不會引起艱苦事故，所以平安系數取值可小些；對于塑性較差或鑄鋼，按相關平安系數表格選取。五、變應力下的許用應力失效方式：變應力下，無論是塑性資料還是脆性資料，主要損壞方式都是疲勞斷裂。疲勞斷裂的特征：疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下資料的強度極限低，甚至比屈服極限低；疲勞裂口表現為無明顯塑性變形的忽然脆性斷裂；疲勞斷裂是損傷的積累。疲勞斷裂不同于普通靜力斷裂。它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的忽然斷裂，所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數〔即用期限或壽命〕親密相關?！?-2機械零件的強度③疲勞曲線：表示應力σ與應力循環(huán)次數N之間的關系曲線稱為疲勞曲線，如下圖。從圖中可以看出，應力越小，試件能經受的循環(huán)次數就越多?！?-2機械零件的強度§9-2機械零件的強度疲勞極限-1——資料在對稱循環(huán)變應力下的彎曲疲勞機限。N0稱為應力循環(huán)基數。對于特定的資料，具有規(guī)范值。疲勞曲線的左半部〔N＜N0〕，可近似地用以下方程式表示：利用上式可以求得在一定循環(huán)特性的變應力作用下，恣意循環(huán)次數N時的疲勞極限§9-2機械零件的強度式中：——壽命系數；當N≥N0時，取KN=1。m為隨應力形狀而不同的冪指數?！?-2機械零件的強度④影響機械疲勞強度的要素：在變應力條件下，影響機械零件疲勞強度的要素很多，有應力集中系數、零件尺寸、外表形狀、環(huán)境介質、加載順序和頻率等。主要為前三種。⑴應力集中的影響在零件剖面的幾何外形突變之處〔孔、圓角、鍵槽、螺紋等〕，零件受載時，會產生應力集中。常用有效應力集中系數Kσ來表示疲勞強度的真正降低程度。有效應力集中系數定義為：資料、尺寸和受載情況一樣的一個無應力集中試樣與一個有應力集中試樣的疲勞極限的比值。§9-2機械零件的強度⑵絕對尺寸的影響當其他條件一樣時，零件剖面的絕對尺寸越大，疲勞強度越低，剖面絕對尺寸對疲勞極限的影響，用絕對尺寸系數εσ表示：⑶外表形狀的影響外表形狀對疲勞極限的影響用外表情況系數β來表示：§9-2機械零件的強度⑤許用應力：當應力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為:■當應力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為:Kσ應力集中系數；εσ尺寸系數；β外表形狀系數；σ0脈動循環(huán)疲勞極限1〕靜應力下，塑性資料的零件：S=1.2～１.5鑄鋼件：S=1.５～２.5典型機械的S可經過查表求得。無表可查時，按以下原那么?。?〕靜應力下，脆性資料，如高強度鋼或鑄鐵：S=3～43〕變應力下，S=1.3～1.7資料不均勻，或計算不準時?。篠=1.7～2.5§9-2機械零件的強度六、平安系數§9-3機械零件的接觸強度接觸強度：假設兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載變形后，其表層產生很大的部分應力，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。接受接觸應力的零件的承載才干不僅取決于整體強度，還取決于外表的接觸強度。疲勞點蝕：機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的接觸變應力，在載荷反復作用下，金屬表層內產生初始疲勞裂紋、裂紋擴展至最終金屬零落的破壞景象。兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值由赫茲〔H.Hertz〕公式計算：§9-3機械零件的接觸強度令及對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，那么上式簡化為：§9-3機械零件的接觸強度零件受接觸變應力作用時接觸強度條件為σH≤[σH]而[σH]=σHlim/SH式中σHlim為由實驗測得的資料的接觸疲勞極限，假設兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。對于鋼，閱歷公式為：平安系數SH可取為等于或稍大于1?！?-4機械零件的耐磨性術語和概念：磨損：運動副的摩擦導致零件外表資料的逐漸喪失或遷移。磨損的影響：磨損會逐漸改動零件尺寸和摩擦外表形狀,影響機器的效率，降低任務的可靠性，促使機器提早報廢。磨損率：單位時間〔或單位行程、轉等〕資料的損失量。耐磨性：零件抗磨損的才干。與磨損率成倒數關系。正常磨損：除非運動副摩擦外表為一層光滑劑所隔開而不直接接觸，否那么磨損總是難以避兔的。但是只需磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能堅持一定壽命。所以，在預定運用期限內，零件的磨損量不超越允許值時，就以為是正常磨損。據統(tǒng)計，約有80％的損壞零件是因磨損而報廢的。磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損猛烈磨損典型宏觀磨損過程：一個機械零件的磨損過程大體可分為磨合、穩(wěn)定磨損、猛烈磨損三個階段。磨合〔跑合〕階段：是指新零件在運轉初期的磨損。新的摩擦副外表比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強大，因此運轉初期的磨損比較快。但是，磨損以后外表的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強減小，磨損的速度逐漸減慢。§9-4機械零件的耐磨性穩(wěn)定磨損階段：這個階段屬于零件的正常任務階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長短直接影響機器的壽命。猛烈磨損階段：零件經長時間任務磨損以后，外表精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動加大，導致磨損加劇，最終導致零件報廢。注：應該力求縮短磨合期，延伸穩(wěn)定磨損期，推遲猛烈磨損的到來?！?-4機械零件的耐磨性磨損的類型按磨損的機理不同，機械零件的磨損大體分為四種根本類型：1.磨粒磨損，也稱磨料磨損是外界的硬顆粒或粗糙的硬外表在相對運動中，對摩擦外表的擦傷所引起的磨損。2.粘著磨損，也稱膠合摩擦外表的微觀凸峰粘在一同后，在相對運動中，資料從一個外表遷移到另一個外表，便構成粘著磨損。3.疲勞磨損，即疲勞點蝕是高副〔點、線接觸〕機械零件的常見磨損方式。§9-4機械零件的耐磨性4.腐蝕磨損摩擦外表在摩擦過程中，伴隨有外表資料被腐蝕的景象，這種情況下產生的磨損即為腐蝕磨損。除了上述四種根本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等其他方式。減小磨損的主要方法〔1〕光滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法?！?〕合理選擇摩擦副資料〔3〕進展外表處置〔4〕留意控制摩擦副的任務條件等§9-4機械零件的耐磨性耐磨性計算適用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即p≤[p]式中[p]是由實驗或同類機器運用閱歷確定的許用壓強。相對運動速度較高時，還應思索運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數一定的情況下，可將pv值與許用[pv]值進展比較，即pv≤[pv]§9-4機械零件的耐磨性§9-5機械制造常用資料及其選擇一、常用資料高分子資料：復合資料：陶瓷：塑料、橡膠、合成纖維強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石強度高、彈性模量大、質量輕非金屬§9-5機械制造常用資料及其選擇詳細闡明二、機械零件資料的選用需求思索的要素載荷及應力的大小和性質零件的任務情況零件的尺寸及分量零件的構造及加工性資料的經濟性資料的供應情況§9-5機械制造常用資料及其選擇在做設計的時候，根據實踐情況，在保證經濟最優(yōu)的情況下，查閱<機械工程資料>等手冊，選取適宜的資料?！?-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系極限與配合互換性：機器是由獨立制造的零件裝配而成的。為了降低消費本錢，在大規(guī)模消費的情況下，希望制造的零件具有這樣的性質：裝配時不加選擇及附加的加工，就能到達預期的裝配技術要求。該性質稱為互換性?；Q性的益處：具有互換性的機器，當它們的零、部件損壞時，就可以迅速地用新的交換，縮短修繕時間，節(jié)約修繕費用，保證機器任務的延續(xù)性和耐久性，提高機器的運用率?；Q性的實現，其設計與制造必需實現規(guī)范化。公差機械零件的幾何形體通常是經過加工得到的。然而任何加工方法都不能夠把零件加工得絕對準確，在尺寸、外形和相互位置這三個方總是存在著一定的加工誤差。欲保證其幾何精度，就必需將加工誤差控制在一定的范圍內。把零件的幾何參數值規(guī)定在允許范圍內的變動量——稱為公差。§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系根本尺寸：零件設計時所設的尺寸?！惨妶D〕最大、最小極限尺寸：加工出來的零件尺寸范圍通常要滿足在規(guī)定的范圍內，那么最大允許的尺寸叫做最大極限尺寸；最小允許的尺寸叫做最小極限尺寸。公差：兩極限尺寸之間的差值。公差帶：零件尺寸在公差范圍內變化的區(qū)域。上偏向與下偏向：最大極限尺寸與根本尺寸之差稱為上偏向，孔ES，軸es；最小極限尺寸與根本尺寸之差稱為下偏向，孔EI，軸ei。根本偏向：接近根本尺寸的那個偏向。規(guī)定：孔的EI為根本偏向，軸的es為根本偏向。零件尺寸的表達：配合：同一根本尺寸的孔與軸的結合稱為配合。根據孔、軸公差帶的相對位置，配合分為：過盈配合；過渡配合；間隙配合。配合制度有基孔制和基軸制兩種?；字频目资腔鶞士?，其下偏向為零，代號為H，各種配合特性靠改動軸的公差帶位置來實現?；S制的軸是基準軸，其上偏向為零，代號為h，各種配合特性靠改動孔的公差帶位置來實現。(見圖)§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系國標規(guī)定，孔與軸的公差帶位置各有28個，用字母表示；公差等級20個，用數字表示，數字越小，精度越高?！睮T1～IT18，IT01，IT0〕如H7表示孔的公差帶為H，公差等級為7；k8表示軸的公差帶為k，公差等級為8。機械制造中常用的公差等級為4～11級。精細零件的尺寸公差等級用4、5，重要零件的公差等級用6、7，中等精度零件用8、9，低精度零件用10、11?！?-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系動畫外表粗糙度外表粗糙度是指零件外表的微觀幾何外形誤差。它主要是加工后在零件外表留下的微細而凸凹不平的刀痕。外表粗糙度的評定參數之一是輪廓算術平均偏向Ra，它是指在取樣長度l內，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術平均值〔圖9-12〕，即近似為§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系表9-3列出了供優(yōu)先選用的外表粗糙度Ra值及與其對應的加工方法?！?-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系§9-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系優(yōu)先數系優(yōu)先數系是用來使型號、直徑、轉速、承載量和功率等量值得到合理的分級。這樣可便于組織消費和降低本錢。GB321—80規(guī)定的優(yōu)先數系有四種根本系列，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分別為1.6、1.25、1.12、1.06。優(yōu)先數系中任何一個數值稱為優(yōu)先數。優(yōu)先數和優(yōu)先數系是一種科學的數值制度，在確定量值的分級時，必需最大限制地采用上述優(yōu)先數及優(yōu)先數系?！?-6極限與配合、外表粗糙度和優(yōu)先數系§9-7機械零件的工藝性及規(guī)范化工藝性在詳細消費條件下，如所設計的機械零件便于加工而加工費用又很低，那么這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關工藝性的根本要求是；毛坯選擇合理：機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與詳細的消費技求條件有關，普通取決于消費批量、資料性能和加工能夠性等。構造簡單合理：設計零件的構造外形時，最好采用最簡單的外表及其組合，同時還該當盡量使加工外表數目最少和加工面積最小。規(guī)