机械设计基础第五版辅导第9章.ppt

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1、9.1 机械零件设计概述9.2 机械零件的强度9.3 机械零件的接触强度9.4 机械零件的耐磨性9.5 机械制造常用材料及其选择9.6 公差与配合、表面粗糙度和 优先数系9.7 机械零件的工艺性及标准化,第9章 机械零件设计概论,9.1 机械零件设计概论,一、研究内容和要求,研究内容：工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、参数选取、结构设计。,基本要求：掌握：零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法；结构设计和使用、维护知识。学会：分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、标准、规范(某产品的要求、规定)等有关资料。具有：设计(或改进)通用零件或简单传动装置的能力。,二、机械零件设计的

2、特点,1)设计不完全依赖于计算,经验设计理论设计模型实验设计,2)很多计算的原则、方法、公式没有统一的标准 和形式,3)参数选取允许有一定的范围，因而导致设计结 果的多种多样,9.1 机械零件设计概论,只有部分零件可通过计算确定形状和尺寸。,部分零件仅根据工艺和结构要求进行设计。,三、机械零件的工作能力,失 效：工作能力：承载能力：,四、常见失效形式及原因,强度、刚度、耐磨性、温度、稳定性,9.1 机械零件设计概论,机械零件由于某种原因不能正常工作。,不失效前提下，零件能安全工作的限度。,以载荷衡量零件工作能力时，。,断裂或塑性变形；,连接的松弛；,工作表面过度磨损；,强烈的振动；,过大的弹性

3、变形；,摩擦传动的打滑；,9.1 机械零件设计概论,五、机械零件的计算准则,拟订零件的计算简图；,六、机械零件的设计步骤,强度准则(整体强度和表面强度)；刚度准则；耐磨性准则；散热性准则；可靠性准则,确定作用在零件上的载荷；,选择合适材料；,判断零件失效形式，选用计算准则，确定零件尺寸,绘制零件工作图，标注技术条件。,防止失效的判定条件（计算准则）：计算量许用量,9.2 机械零件的强度,载荷系数-考虑各种附加载荷因素的影响。记为:K。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。,计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。,计算应力-按计算载荷计算所得之应力：,名义应力-按名义载荷计算所得之

4、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。,然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入,9.2 机械零件的强度,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,静应力是变应力的特例,9.2 机械零件的强度,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,脆性材料：取强度极限 B

5、作为极限应力，许用应力,三、变应力下的许用应力,变应力下，零件的损坏形式：疲劳断裂。疲劳断裂特征如下：,1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低B，甚至比屈服极限S还低。,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。,9.2 机械零件的强度,1、疲劳曲线,由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当 NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。,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：,对应于N 的弯曲疲劳极限：,疲

6、劳极限,用-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。,当NN0 时，有近似公式：,9.2 机械零件的强度,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：,当应力是脉动循环变化时，许用应力：,0 材料的脉动循环疲劳极限；S 安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，,有限寿命时，用-1N 代入得：,9.2 机械零件的强度,四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响,1)静应力下，塑性材料的零件：S

7、=1.2 1.5 铸钢件：S=1.5 2.5,S,典型机械的 S 可查表求得。无表可查时，原则如下：,零件尺寸大，结构笨重。,S,可能不安全。,2)静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3 4,3)变应力下，S=1.3 1.7 材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7 2.5,9.3 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。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂

8、纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑。,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。,9.4 机械零件的耐磨性,磨 损 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。耐磨性 零件抗磨损的能力。,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),在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很

9、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剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。,在摩擦过程申，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,硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是零件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纹。,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，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料转移

10、是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。,3)疲劳磨损(疲劳点蚀),4)腐蚀磨损,9.4 机械零件的耐磨性,实用耐磨计算是限制运动副的压强 p，即:,p p p由实验或同类机器使用经验确定,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,9.5 机械制造常用材料及其选择,机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。,一、金属材料,1、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁,2、钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢

11、等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢,铸铁,常金材用属料,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。,9.5 机械制造常用材料及其选择,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。,价格便宜且供应充分,我国资源丰富,9.5 机械制造常用材料及其选择,3、铜合金,铜锌合金，

12、并含有少量的锰、铝、镍,特点：良好的塑性和液态流动性；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。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,9.5 机械制造常用材料及其选择,2、塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件；不同塑料具有不同特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等；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：,设计机

13、械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,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。,9.5 机械制造常用材料及其选择,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,一、公差与配合,互 换 性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满 足预期技术与使用要求的特性。,基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。,实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸

14、；由于测量有误 差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而 言，总是有误差。或大或小,实际尺寸,实际尺寸,基本尺寸,实际尺寸,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；,最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；,尺寸误差：实际尺寸与理论设计尺寸之差；,上偏差：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es,下偏差：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei,尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即允许的尺寸变动量。,公差=Lmax-Lmin,=ES-EI,=es-ei,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,零线：代表基本尺寸所在位

15、置的一条直线；,公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；,国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示：,孔：A、B、C、CD、D、E、EF、F、FG、G、H、JS、K、M、N、P、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z、ZA、ZB、ZC,轴：a、b、c、cd、d、e、ef、f、fg、g、h、js、k、m、n、p、r、s、t、u、v、w、x、y、z、za、zb、zc,基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置 的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系,间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴

16、的尺寸所得代数差；,间隙：代数差为“+”，孔轴；,过盈：代数差为“-”，孔轴；,公差等级：国标规定了20个等级，用阿拉伯数字：0 01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18表示。,标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7。,常用公差等级的应用,4、5级用于特别精密的零件；,6、7、8级用于重要的零件；,8、9级用于中速及中等精度要求的零件；,10、11级用于低速、低精度的零件。可直接采棒材、管材、精密锻件而不用切削加工。,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,间隙配合,过盈配合,过渡配合,Xmin=0,Ymin=0,9.6 公差与

17、配合、表面粗糙度和优先系数,配合基准制,基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0，代号为:H，通过改变轴公差带来获得不同配合特性。,基孔制配合,基轴制配合,应用广泛，可减少孔加工刀具,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0，代号为:h，通过改变孔公差带来获得不同配合特性。,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,二、表面粗糙度,中线,定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度,特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。,评定参数：轮廓算术平均偏差-取样长度l内，被测轮廓 上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：,9.6 公差与配合、表面粗糙度

18、和优先系数,Ra愈小，零件的加工成本愈高。,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：,1.对摩擦磨损的影响,零件表面愈粗糙，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。,2.对疲劳强度的影响,零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。,3.对耐腐蚀的影响,4.对结合处密封性能的影响,5.对振动和噪声的影响等等,零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。,零件表面愈光滑，密封性能愈好。,零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。,9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数,三、优先数系,优先数系是

19、国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。,产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。,GB321-80规定了四个优先数系的基本系列：,9.7 机械零件的工艺性及标准化,一、工艺性,零设要件计求,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，零件要便于加工且加工费用低。,工艺性的基本要求：1)毛坯选择合理,制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。,毛坯选择与生产批量、材

20、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。,9.7 机械零件的工艺性及标准化,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。,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、相同元素的数量；直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等,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。

21、,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。,欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。,9.7 机械零件的工艺性及标准化,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），经 过统一后实现互换；,3)产品质量标准化 要保证产品

22、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。,9.7 机械零件的工艺性及标准化,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,标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。,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；,作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。,