机械设计基础课件,第九章,机械零件设计概论
第九章机械零件设计概论 一 机械零件设计概述二 机械零件的强度三 机械零件的接触强度四 机械零件的耐磨性五 机械制造常用材料及其选择六 公差与配合 表面粗糙度和优先数系七 机械零件的工艺性及标准化 第一节机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 在预定使用期限内安全可靠 操作方便 维修简单 造型美观 失效 机械零件由于某种原因不能正常工作称为失效 工作能力 在不发生失效的前提下 零件所能安全工作的限度 对载荷而言的工作能力称为承载能力 吊钩最大起重量 50kN工作能力或承载能力 50kN 第一节机械零件设计概述 强度问题 包括各种断裂 脆性断裂 韧性断裂 疲劳断裂等 塑性变形 点蚀 工件表面片状脱落 刚度问题 如过量的弹性变形 耐磨性问题 如工件表面的各种磨损 其它问题 联接的松弛 摩擦传动的打滑 温度变化导致零件的尺寸和性能的变化 过大的振动和噪声等 对于不同的失效形式 相应地有各种工作能力判定条件 如强度判定条件 应力 许用应力 刚度判定条件 变形量 许用变形量 第一节机械零件设计概述 判定条件可概括为计算量 许用量 这种为防止失效而制定的判定条件 通常称为工作能力计算准则 轴可能的失效形式 强度条件 工作应力 许用应力 或 刚度条件 实际变形量 许用变形量y y 同一零件可能发生各种不同形式的失效 第一节机械零件设计概述 机械零件的设计步骤 拟定零件的计算简图 确定作用在零件上的载荷 选择合适的材料 根据零件可能出现的失效形式 选用相应的判定条件 确定零件的形状和主要尺寸并根据制造零件的工艺要求和标准 规格加以圆整 绘制工作图并标注必要的技术条件 以上所述为设计计算 在实际工作中 也常采用相反的方式 校核计算 这时先参照实物 或图纸 和经验数据 初步拟定零件的结构和尺寸 然后再用有关的判定条件进行验算 一般机器中 只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸 其余零件仅按结构和工艺要求设计 第一节机械零件设计概述 传统设计方法 理论设计 半经验设计 类比设计 经验设计 与已有的同类产品进行比较来设计新产品 这种方法在工程实际中用得较多 特点是节省时间 较可靠 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计 缺乏创新 模型实验设计 用于大型 复杂零件的设计 第一节机械零件设计概述 现代设计方法 优化设计 对工程实际问题进行抽象 建立数学模型 用优化方法求解 得出最佳设计结果 计算机辅助设计 CAD 包括分析计算和绘图 概率设计 将概率论与数理统计理论运用于机械设计 模块化设计 二次设计 有限元分析 并行设计 第二节机械零件的强度 一 载荷及应力的分类 1 载荷的分类 载荷 作用于零件上的力或力矩 静载荷变载荷 不随时间改变或变化缓慢 随时间作周期性或非周期性变化 名义载荷计算载荷 理想工作条件下的载荷 作用于零件的实际载荷 计算载荷 K 名义载荷 K 载荷系数 第二节机械零件的强度 2 应力的分类 静应力变应力 不随时间改变或变化缓慢 随时间作周期性或非周期性变化 变应力 稳定变应力 周期性循环变应力 非稳定变应力 非周期性循环变应力 稳定变应力 对称循环变应力 脉动循环变应力 非对称循环变应力 第二节机械零件的强度 第二节机械零件的强度 最小应力 最大应力 平均应力 应力幅 应力循环特性 当时 循环特性 称为对称循环变应力 其 当 时 循环特性 称为脉动循环变应力 其 静应力可看作变应力的特例 其 循环特性 第二节机械零件的强度 二 零件强度的基础知识零件整体或表面不允许出现断裂或塑性变形 目前工程上判断零件强度有两种方式 判断危险截面上的最大应力 判断危险截面处的实际安全系数 是否不小于许用安全系数 静应力下的许用应力 第二节机械零件的强度 静应力下零件破坏形式为断裂和塑性变形 塑性材料 脆性材料 变应力下的许用应力变应力作用下 零件的破坏形式是疲劳断裂 其特征 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度低 甚至比屈服极限低 不论脆性材料或塑性材料 其疲劳断口均无明显塑性变形的脆性突然断裂 疲劳断裂是损伤的累积 它初期为零件表面或表层形成微裂纹 随着应力循环次数的增加裂纹不断扩展 直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时 零件就突然断裂 强度条件 lim 疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关 N 应力循环次数 rN 疲劳极限 对应于N N0 循环基数 r 持久极限 由此得 与应力状态有关的幂指数 第二节机械零件的强度 第二节机械零件的强度 疲劳曲线的左半部 N N0 可近似地用下面方程表示 9 5 式中 为对应于循环次数N的疲劳极限 C为常数 m为随应力状态而不同的幂指数 如弯曲时m 9 由式 9 5 可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限许用应力 对称循环 脉动循环 第二节机械零件的强度 四 安全系数静应力下 塑性材料以屈服极限为极限应力 由于塑性变形可以缓和过大的局部应力 故可取安全系数S 1 2 1 5 对于塑性较差的材料 屈强比大于0 6 或铸钢可取S 1 5 2 5 静应力下 脆性材料以强度极限为极限应力 这时应取较大的安全系数 例如 对于高强度钢或铸铁件可取S 3 4 变应力下 以疲劳极限为极限应力 可取S 1 3 1 7 若材料不够均匀 计算不够精确时可取S 1 7 2 5 第二节机械零件的强度 例9 1一小型转臂吊车如图9 4所示 横梁采用工字钢 电动葫芦 图中未示出 与横梁上的小车相连 小车移动和横梁转动用人力操纵 小车电葫芦的自重及起重量总计为W 20KN 试分析 拉杆 横梁及支撑B的作用力 拉杆 横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件 第二节机械零件的强度 第二节机械零件的强度 小型起重设备 一般工作不频繁 满载起重次数不多 故本题按承受静载荷考虑 以最大起重量 包括小车 电动葫芦自重 作为计算载荷 第二节机械零件的强度 第二节机械零件的强度 例9 2一车轴9 5所示 已知Fr F 110KN 轴的材料为Q275钢 b 550MPa 1 240MPa 规定的安全系数Smin 1 5 试较核A A截面的疲劳强度 第二节机械零件的强度 解 1 车轴转动时 载荷F的大小 方向不变 因此轴内弯曲应力是对称循环变应力 循环特性系数为 1 2 A A截面的弯曲应力 第二节机械零件的强度 第二节机械零件的强度 例9 3一对齿轮作单向传动时 轮齿的弯曲应力可看成哪类循环应力 若主动齿轮的转速n 200r min 每天工作8h 问一年内 以250天计 该齿轮应力循环总数是多少 解 1 如图9 6a所示 正在啮合的轮齿 在法向力Fn作用下A点产生弯曲应力 b在啮合过程中 轮齿A的弯曲应力由零变化到某一最大值 然后又回到零 齿轮旋转一周 这个齿啮合一次 齿轮不断地转动 A点的应力就不断地重复上述过程 作为定性显示 应力随时间t变化的曲线见图9 6b 由于 常数 故循环特性 第二节机械零件的强度 2 一年内齿轮的应力循环总次数为 所以一对齿轮作单向传动时 轮齿弯曲应力可看成脉动循环变应力 第三节机械零件的接触强度 一类零件在承受载荷前是点接触或是线接触 受载后 由于变形 弹性 其接触处为一小面积 通常此面积很小而表层产生的局部应力却很大 这种应力称为接触应力 这时零件的强度称为接触强度 如齿轮 滚动轴承等零件都是通过很小的接触面积传递载荷的 因此它们的承载能力不仅取决于整体强度 还取决于表面的接触强度 第三节机械零件的接触强度 由弹性力学的分析可知 当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时 图9 8 其接触面积为一狭长的矩形 最大接触应力发生在接触中线上 其值为 第三节机械零件的接触强度 式 9 9 9 10 称为赫兹 H Hertz 公式 式中 最大接触应力或赫兹应力 b 接触长度 作用在圆柱体上的载荷 综合曲率半径 正号用于外接触 负号用于内接触 第三节机械零件的接触强度 综合弹性模量 分别为两圆柱体材料的弹性模量 接触强度的判定条件为 式中为由实验测得的材料的接触疲劳极限 对于钢其经验公式为 若两零件硬度不同时 常以较软零件的接触疲劳极限为准 第三节机械零件的接触强度 l 第三节机械零件的接触强度 第四节机械零件的耐磨性 运动副中 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态 零件抵抗磨损的能力称为耐磨性 除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触 否则磨损总是难以避免的 但只要磨损速度稳定缓慢 零件就能保持一定寿命 所以 在预定使用期限内 零件的磨损量不超过允许值时 就认为是正常磨损 出现剧烈磨损时 运动副的间隙增大 会使机械的精度丧失 效率下降 振动 冲击和噪声加剧 这时应立即停车检修 更换零件 具统计 约有80 的零件是因磨损而报废的 第四节机械零件的耐磨性 磨损现象十分复杂 有物理 化学和机械等方面的原因 其主要类型有 磨粒磨损硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰 在摩擦过程中引起的材料脱落的现象称为磨粒磨损 硬质颗粒可能是金属本身磨损造成的金属微粒 也可能是外来的尘土杂质等 摩擦面间的硬粒 能使表面材料脱落而留下沟痕 粘着磨损 胶合 加工后的零件表面总有一定的粗糙度 摩擦表面受载时 实际上只有一部分峰顶接触 接触处压强很高 能使材料产生塑性流动 若接触处发生粘着 滑动市时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面 这种现象 第四节机械零件的耐磨性 称为粘着磨损 胶合 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱 严重时摩擦表面能相互咬死 疲劳磨损 点蚀 在高副中 零件受载时材料表层有很大的接触应力 当载荷重复作用时 常会出现表层金属呈小片状脱落而在零件表层形成小坑 这种现象称为疲劳磨损或点蚀 腐蚀磨损在摩擦过程中 与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损 称为腐蚀磨损 实用耐磨计算是限制运动副的压强p 比压 即p p 式中 p 是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强 速度高时用pv pv 来校核 第五节机械制造常用材料及其选择 金属材料 铸铁 钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁 碳素结构钢 合金结构钢 铸钢 铜合金 铝合金 非金属材料包括橡胶 塑料 皮革 纸板 玻璃 木材 绵 丝 麻等 第五节机械制造常用材料及其选择 第五节机械制造常用材料及其选择 第七节机械零件的工艺性及标准化 毛坯选择 工艺性 精度及表面粗糙度 结构 采用简单的表面及其组合 尽量减少加工面的数目和面积 采用型材 铸造 锻造 焊接 冲压等 在保证实际需要的前提下 选择低的精度及表面粗糙度 标准化 产品规格的系列化 零部件的通用化 产品质量标准化