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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(yùn)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(yùn)動副的壓強(qiáng)p,即:
p ≤ [p]
相對運(yùn)動速度較高時,還應(yīng)考慮運(yùn)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?。健】譵in—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(fèi)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(yùn)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
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