第九章機(jī)械零件設(shè)計概論

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1、第九章  機(jī)械零件設(shè)計概論 0-1 機(jī)械零件設(shè)計概述 機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的要求:性能好、效率高、安全可靠、操作方便等。 機(jī)械零件的失效:因某種原因不能正常工作時; 機(jī)械零件的工作能力(承載能力):在不發(fā)生失效的條件下,零件所能安全工作的限度; 零件的失效形式 斷裂或塑性變形 過大的彈性變形 工作表面的過度磨損或損傷 發(fā)生強(qiáng)烈的振動;聯(lián)接的松弛 摩擦傳動的打滑等 主要失效原因:強(qiáng)度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等方面的問題; 強(qiáng)度條件:計算應(yīng)力<許用應(yīng)力; 剛度條件:變形量〈許用變形量 防止失效的判定條件 計算量<許用量 工作能力計算準(zhǔn)則 4)

2、根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式,選用相應(yīng)的判定條件,確定零件的形狀 5) 繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件 機(jī)械零件的設(shè)計步驟: 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(yīng)的判定條件,確定零件的形狀5) 繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件 計算方法: 校核計算、設(shè)計計算 第二節(jié)  機(jī)械零件的強(qiáng)度 基本概念 名義載荷:在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷 名義應(yīng)力:按名義載荷計算所得之應(yīng)力 載荷系數(shù)K:考慮各種附加載荷因素的影響 計算載荷載荷系數(shù)與名義載荷的乘積 計算應(yīng)力按名義載荷計算所得之應(yīng)力 強(qiáng)度判

3、定條件 一、應(yīng)力的種類o t σ σ=常數(shù) 靜應(yīng)力:   σ=常數(shù) 變應(yīng)力: σ隨時間變化 平均應(yīng)力: 應(yīng)力幅: 變應(yīng)力的循環(huán)特性: -1脈動循環(huán)變應(yīng)力 對稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 0 +1 靜應(yīng)力 脈動循環(huán)變應(yīng)力 對稱循環(huán)變應(yīng)力 -1 0 +1 靜應(yīng)力 ,對稱循環(huán)變應(yīng)力 0,脈動循環(huán)變應(yīng)力 +1,靜應(yīng)力 循環(huán)變應(yīng)力  T σmax σmin σa σa σm o t σ σmax σmin σa σa o t σ r =+1 循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力

4、 o t σ σm σa σa σmin 脈動循環(huán)變應(yīng)力 二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力 靜應(yīng)力下,零件材料的破壞形式:斷裂或塑性變形 塑性材料,取屈服極限σS 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為:[σ]= σS/S 脆性材料:取強(qiáng)度極限σB 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為:[σ]= σB/S 三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力 變應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低,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(jié)果。 1、疲勞曲線 應(yīng)

5、力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 之間的關(guān)系曲線稱為:疲勞曲線 由圖可知:應(yīng)力越小,試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明,當(dāng) N>N0以后,曲線趨于水平,可認(rèn)為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。 當(dāng)N>N0 時, 試件將不會斷裂。 N0 N O σ σ-1 σ-1N N N0 —-循環(huán)基數(shù),N0 對應(yīng)的應(yīng)力稱為:疲勞極限 用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限. 當(dāng)N<N0 時, 有近似公式: 對應(yīng)于N 的彎曲疲勞極限: 2、許用應(yīng)力 在變應(yīng)力,應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌,為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ

6、、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。 當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時,許用應(yīng)力為: 當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時,許用應(yīng)力為: 四、安全系數(shù) S↑,可能不安全 典型機(jī)械的 S 可通過查表求得,無表可查時,按以下原則取: 1)靜應(yīng)力下,塑性材料的零件:S =1。2~1.5        鑄鋼件:S =1。5~2.5 2)靜應(yīng)力下,脆性材料,如高強(qiáng)度鋼或鑄鐵:              S =3~4 3)變應(yīng)力下,     S =1。3~1.7  材料不均勻,或計算不準(zhǔn)時?。骸 =1。7~2.5 第三節(jié)

7、機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸.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(yīng)力卻很大,這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力,零件強(qiáng)度稱為接觸強(qiáng)度. 齒輪、凸輪、滾動軸承等 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. 接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件為: 金屬剝落出現(xiàn)小坑 第四節(jié) 機(jī)械零件的耐磨性 運動副摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。 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↑ 據(jù)統(tǒng)計,約有8

8、0%的損壞零件是因磨損而報廢的. 磨損的主要類型 : 1)磨粒磨損 2)粘著磨損(膠合磨損) 3)疲勞磨損(疲勞點蝕) 4)腐蝕磨損 實用耐磨計算是限制運動副的壓強(qiáng)p,即: p ≤ [p] 相對運動速度較高時,還應(yīng)考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量 f?。?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(jìn)行比較。即: p?。?≤ [p v ] 第五節(jié) 機(jī)械制造常用材料及其選擇 一、金屬材料 常用金屬材料 鑄鐵:含碳量>2% 鋼:含碳量≤ 2% 銅合金 1、鑄鐵:灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。  特點:良好的液態(tài)

9、流動性,可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性(指灰鑄鐵)、成本低廉 磨損的主要類型 : 1)磨粒磨損 2)粘著磨損(膠合磨損)  3)疲勞磨損(疲勞點蝕) 4)腐蝕磨損 特點:與鑄鐵相比,鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能?!? 零件毛坯獲取方法:鍛造、沖壓、焊接、鑄造等. 應(yīng)用:應(yīng)用范圍極其廣泛. 選用原則:  優(yōu)選碳素鋼,其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。 3、銅合金 種類 青銅——含錫青銅、不含錫青銅 黃銅——銅鋅合金,并含有少量的錳、鋁、鎳 軸承合金(巴氏合金) 特點:具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金

10、還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(yīng)用:應(yīng)用范圍廣泛 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。 2、塑料 塑料的比重小,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(jī)械制造中其應(yīng)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:用途、工作條件、物理、化學(xué)、機(jī)械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性 各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機(jī)械設(shè)計手冊中查

11、得。  為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便,應(yīng)盡量縮減材料的品種 第六節(jié) 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù) 一、 公差與配合 互換性:零件在裝配時,不需要選擇和附加加工的就能滿足預(yù)期技術(shù)與使用要求的特性?!? 基本尺寸:由設(shè)計圖紙給定的零件理論尺寸;為確定值。 實際尺寸:制造加工后測量所得零件尺寸;由于測量有誤差,所以實際尺寸并非真值。相對于基本尺寸而言,總是有誤差。 尺寸公差:最大極限尺寸與最小極限尺寸之差;即允許的尺寸變動量. 配合:基本尺寸相同,相互結(jié)合的孔與軸公差帶之間的關(guān)系 配合類型 間隙配合:孔>軸,用于可動聯(lián)接,如活動鉸鏈 過渡配合:可能有間隙,也可能具有過

12、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; 過盈配合:孔<軸,用于靜聯(lián)接,如火車輪與軸 最小間隙:  Xmin = 孔min—軸max 最大間隙:  Xmax = 孔max-軸min 最小過盈: Ymin = 孔max—軸min 最大過盈: Ymax = 孔min-軸max 間隙配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 Xmax Xmin Xmax Xmin= 0 過盈配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公差帶 軸公差帶 Ymax Ymax Ymin= 0 Ymin 過渡配合 孔公差帶 軸公差帶 孔公

13、差帶 軸公差帶 孔公差帶 Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax 軸公差帶 Xmax 配合基準(zhǔn)制 基孔制配合 基軸制配合 基孔制配合:孔是基準(zhǔn)孔,下偏差EI=0, 代號為:H ,通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性. H 零線 D 孔公差 k js h g e f r p m s 間隙配合 過渡配合 過盈配合 基軸制配合:軸是基準(zhǔn)軸,上偏差es=0, 代號為:h,通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性。 零線 h D 軸公差 K JS H G E F R P M S 間隙配

14、合 過渡配合 過盈配合 二、  表面粗糙度 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(xì)而凹凸不平的刀痕。 評定參數(shù):輪廓算術(shù)平均偏差?a?a取樣長度l內(nèi),被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術(shù)平均值: 輪廓峰谷線 輪廓峰頂線 輪廓峰高 yp 輪廓谷深 yv 中線 l y x 第七節(jié) 機(jī)械零件的工藝性 及標(biāo)準(zhǔn)化 一、工藝性 零件設(shè)計要求 使用要求-—具備所要求的工作能力; 制造要求——制造工藝可行,成本低; 零件工藝性良好的標(biāo)志: 在具體的生產(chǎn)條件下,零件要便于加工且費用低。 工藝性的基本要

15、求: 1) 毛坯選擇合理 制備方法 單件或小批量生產(chǎn)時,選用棒料、板材、型材或焊件。 應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。 用型材 焊接 鍛造 鑄造 2) 結(jié)構(gòu)簡單合理 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 4) 盡量減小零件的加工量 二、標(biāo)準(zhǔn)化 定義:標(biāo)準(zhǔn)化是在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會實踐中,對重復(fù)事務(wù)和概念,通過制定、發(fā)布和實施標(biāo)準(zhǔn),以獲得最佳秩序和效益. 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(jié)構(gòu)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。 2)零部件的通用化  將用途、結(jié)構(gòu)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化 要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定,就必須做好設(shè)計、加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量,又能降低成本; 2)設(shè)計方面可減少設(shè)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。 不足之處,敬請諒解 7 / 7

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