《机械设计总论》PPT课件.ppt

第2章 机械设计总论,21 机械零件设计概论,22 机械零件的强度,23 机械零件的接触强度,24 机械零件的耐磨性,25 机械制造常用材料及其选择,26 机械零件的工艺性及标准化,21 机械零件设计概论,机械设计应满足的要求：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、维修简单和造型美观等。,机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。,工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：,承载能力。,零件的失效形式:,断裂或塑性变形;,过大的弹性变形;,工作表面的过度磨损或损伤;,发生强烈的振动；联接的松弛;,摩擦传动的打滑等。,失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。,强度条件：计算应力许用应力；,机械零件设计的步骤：1)拟定零件的计算简图;,5)绘制工作图并标注必要的技术条件。,防止失效的判定条件是：计算量许用量,-工作能力计算准则。,2)确定作用在零件上的载荷;,3)选择合适的材料;,4)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;,刚度条件：变形量许用变形量；,载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。,22 机械零件的强度,计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。,计算应力-按名义载荷计算所得之应力：,名义应力-按名义载荷计算所得之应力。,强度判 定条件：,、,=、-许用应力,S-安全系数,lim、lim-极限应力，由实验方法测定。,一、应力的种类,脉动循环变应力,r=0,静应力:=常数,变应力:随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r=-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r=+1,二、静应力下的许用应力,静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形,塑性材料，取屈服极限S 作为极限应力,许用应力为：,脆性材料：取强度极限B 作为极限应力,许用应力为：,三、变应力下的许用应力,变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：,1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;,2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;,3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。,1、疲劳曲线,应力与应力循环次数N 之间的关系曲线称为：疲劳曲线,当NN0 时,试件将不会断裂。,N0-循环基数,N0 对应的应力称为：,当NN0 时,有近似公式：,对应于N 的弯曲疲劳极限：,疲劳极限,用-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。,2、许用应力,在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等。,当应力是对称循环变化时，许用应力为：,当应力是脉动循环变化时，许用应力为：,0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。,有限寿命时，用-1N代入得：,四、安全系数,1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2.5 铸钢件：S=1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：,零件尺寸大，结构笨重。,S,可能不安全。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=34,3）变应力下，S=1.31.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.72.5,23 机械零件的接触强度,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,由弹性力学可知，应力为：,对于钢或铸铁取泊松比：1=2=0.3,则有简化公式。,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触，“-”用于内接触。,H-最大接触应力或赫兹应力;,b-接触长度;,Fn-作用在圆柱体上的载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量;E1、E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,24 机械零件的耐磨性,运动副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形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。,磨损,间隙、,精度、,效率、,振动、,冲击、,噪音,据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。,磨损的主要类型：,1）磨粒磨损,2）粘着磨损(胶合磨损),3）疲劳磨损(疲劳点蚀),4）腐蚀磨损,实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:,p p,相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量 f p v。在摩擦系数一定的情况下，可将 p v 值与许用的 p v 值进行比较。即:,p v p v,25 机械制造常用材料及其选择,一、金属材料,1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。,2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。,铸铁,常用金属材料,钢,铜合金,-含碳量2%,-含碳量 2%,铁碳合金,特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。,零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。,应用：应用范围极其广泛。,3.铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,零件毛坯获取方法：辗压、铸造。,应用：应用范围广泛。,种类,青铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,二、非金属材料,1.橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,2.塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。,选材因素：,用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。,零件材料,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。,26 机械零件的工艺性及标准化,一、工艺性,零件设计要求,使用要求-具备所要求的工作能力；,制造要求-制造工艺可行，成本低；,零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。,工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理,制备方法,单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。,应用于大批量生产。,用型材,焊接,锻造,铸造,冲压,26 机械零件的工艺性及标准化,一、工艺性,零件设计要求,使用要求-具备所要求的工作能力；,制造要求-制造工艺可行，成本低；,零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。,工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理,制备方法：选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。,毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。,单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。,大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。,2)结构简单合理,最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；,尽量减少加工面数和加工面积；,3)合理的制造精度和表面粗糙度,零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。,决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。,尽量采用标准件；,增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；,4)尽量减小零件的加工量,毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。,尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。,二、标准化,内容：1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。,定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。,2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；,3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。,基本特征：统一、简化。,意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；,2)设计方面可减少设计工作量；,3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。,标准层次：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。,推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。,标准性质,强制标准（GB）-必须强制执行；,