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1、6 機械零件設計和計算概論,6.1 機械零件的工作能力準則 機械零件喪失工作能力或達不到設計要求性能時,稱為失效。 零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。 機械零件雖然有很多種可能的失效形式,最主要的是由強度、剛度、耐磨性、溫度對工作能力的影響以及振動穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題。所以將以上要求視為衡量機械零件工作能力的準則。,機械零件的設計步驟,擬定計算簡圖; 確定作用在零件上載荷的大小; 選擇合適的材料; 確定零件尺寸,并標準化; 繪制零件工作圖。,各種計算準則的介紹,強度:是機械零件工作能力的最基本準則,常用判斷危險截面處的最大應力( 、 )是否小于或等于許用應力( 、 )。強度條
2、件表達式為 或 耐磨性:零件抗磨損的能力。零件磨損后會改變結(jié)構(gòu)形狀和尺寸,使機器的精度降低、效率下降、強度減弱。影響磨損的因素很多,如載荷的大小和性質(zhì)、滑動速度、潤滑劑的性質(zhì)等,但又不能準確估計出來,因此按磨損計算零件的方法只能是條件性的,不能十分精確。,,,,剛度:是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度的大小常用產(chǎn)生單位彈性變形所需的外力或外力矩來表示。 剛度的反義詞是柔度,柔度的大小常用單位外力或外力矩所產(chǎn)生的彈性變形來表示。有些零件需有一定的剛度,即其變形不能超過容許的限度,如軸彎曲剛度不足時,軸頸將在軸承中傾斜而使兩者接觸不良;有些零件需有一定的柔度,如彈簧一類的彈性零件
3、。 剛度會影響零件的自振頻率。剛度大自振頻率高,剛度小自振頻率低。 按剛度計算所得的零件截面尺寸一般要比按強度計算的大,滿足剛度要求的零件往往也滿足強度要求。,,振動穩(wěn)定性: 零件發(fā)生周期彈性變形的現(xiàn)象稱為振動。 機器工作速度的提高和結(jié)構(gòu)重量的減輕, 易使機器出現(xiàn)振動問題,影響工作質(zhì)量。 當機器的自振頻率與周期性干擾力變化 頻率相同或接近時,就要發(fā)生共振,這時 振幅急劇增大,此現(xiàn)象稱為失穩(wěn),即喪失 振動穩(wěn)定性。振動穩(wěn)定性是指機器在工作 時不能發(fā)生振幅超過容許值的振動現(xiàn)象。,,耐熱性: 在高溫下工作的零件需要進行蠕變計算。 蠕變是在一定工作溫度和應力下,零件塑性 變形緩慢而連續(xù)增長的現(xiàn)象。
4、 在設計摩擦副時,需進行熱平衡計算, 以判斷單位時間內(nèi)的摩擦發(fā)熱量和散熱量達 到平衡時,零件的工作溫度t是否超過許用 值t。,6、2機械制造中常用材料及其選擇,一、機械常用材料:鐵碳合金(鋼和鑄 鐵)、有色合金、非金屬材料和各種復合 材料。鋼是機械制造中最常用的材料。 二、鋼的熱處理:將鋼在固態(tài)下加熱到一 定溫度,經(jīng)過一定時間的保溫,然后用一 定的速度冷卻,來改變金屬及合金的內(nèi)部 結(jié)構(gòu),以期改變金屬及合金的物理、化學 和力學性能的方法。 常用熱處理的方法:退火、正火、淬火、 回火、表面熱處理等。,,退火:將鋼加熱到一定溫度(45鋼8308600C),保溫一段時間,隨爐緩冷。退火可消除內(nèi)應力,
5、降低硬度。 正火:與退火相似,只是保溫后在空氣中冷卻。正火后鋼的硬度和強度有所提高。低碳鋼一般采用正火代替退火。 淬火:將鋼加熱到一定溫度(45鋼8408500C),保溫一段時間,而后急速冷卻(水冷或油冷)。淬火后鋼的硬度急劇增加,但脆性也增加。,,回火:將淬火鋼重新加熱到一定溫度,保溫一段時間,然后空冷?;鼗鹂蓽p小淬火引起的內(nèi)應力和脆性,但仍保持高的硬度和強度。根據(jù)加熱溫度不同分低溫回火、中溫回火、高溫回火。淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)。 表面熱處理: 表面淬火:將機械零件需要強化的表面迅速加熱到淬火溫度,隨即快速將該表面冷卻的熱處理方法。 化學熱處理:將機械零件放在含有某種化學元素(如碳、氮、鉻等
6、)介質(zhì)中加熱保溫,使該元素的活性原子滲入到零件表面的熱處理方法。據(jù)滲入元素不同有滲碳、氮化、氰化。,,幾種普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼的力學性能見表6163。 幾種常用的鑄鋼和鑄鐵的性能見表64。 幾種青銅(有色金屬)的力學性能見表65。 三、選擇材料應滿足的要求: 使用方面的要求; 工藝方面的要求; 經(jīng)濟方面的要求。,6.3 許用應力和安全系數(shù),應力按隨時間變化的特性分靜應力和變應力。 靜應力為應力恒定,不隨時間變化; 變應力為應力隨時間變化的,分脈動循環(huán)應力、對稱循環(huán)應力、任意不對稱循環(huán)應力。 應力隨時間變化圖見表66,選擇許用應力的方法:,查許用應力表法: 部分系數(shù)法: S1:考慮計
7、算載荷及應力準確性的系數(shù),一般S111.5 S2: 考慮力學性能均勻性系數(shù), S21.22.5 S3:考慮零件重要程度的系數(shù),一般S311.5,,,靜應力下, 塑性材料的屈服極限s 作為極限應力,即: 脆性材料的抗拉強度 b 作為極限應力,即: 變應力下,零件疲勞斷裂是主要的破壞形式,疲勞斷裂與應力大小和應力循環(huán)次數(shù)有關。材料經(jīng)過N次應力循環(huán)后,不發(fā)生破壞的應力最大值稱為疲勞極限r(nóng) 。,,,表示循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限間的關系曲線稱為疲勞曲線( N曲線)。 如圖62,當循環(huán)次數(shù)N超過某一數(shù)值N0以后,曲線趨向水平,即 不再隨N的增加而降低,N N0的區(qū)域稱無限壽命區(qū),N< N0的區(qū)域稱有限壽命區(qū), N0稱為循環(huán)基數(shù)。 對應與N0的疲勞極限為r,在對稱循環(huán)變應力下r = -1,在脈動循環(huán)變應力下s= 0。(r為應力循環(huán)特性系數(shù) ),,,考慮到零件的截面突變、絕對尺寸及表面狀態(tài)對疲勞極限的影響,在變應力下加入影響系數(shù) 應力對稱循環(huán)變化時 應力脈動循環(huán)變化時,,6.4 機械零件的工藝性和標準化,從零件的工藝性出發(fā),對零件結(jié)構(gòu)提出三個基本要求: 選擇合理的毛坯種類; 零件的結(jié)構(gòu)簡單合理 規(guī)定合理的制造精度和表面粗糙度。,