第9章机械设计概论.ppt

前前 言言 机械零件设计概述机械零件设计概述 机械零件的强度机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列公差与配合、表面粗糙度和优先数列机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化前前 言言 例: 机构→齿轮机构(三个构件) 齿轮1 、齿轮2、机架3 轴、轴承、套筒等 →轴系零件 构件←零件→制造的单元齿轮 →传动件 键 →联接件 12构件构件1←(小齿轮)3(一一) 机械零件的简介机械零件的简介:最基本的通用零件(二二)课程特点与学习方法课程特点与学习方法机原研究机原研究 对象对象→机构←构件→运动的单元传动零件轴系零件联接零件附件机架 机械零件机械零件→→一般尺寸参数的通用机械零件的设计总论→螺纹联接→齿轮传动→蜗杆传动→滑动轴承→ 滚动轴承 →键联接 →联轴器与离合器 →轴→带传动→链传动繁杂（门类多、关系多、要求多、 公式多 、图形多、表格多）(二二)课程特点与学习方法课程特点与学习方法本课程研究对象本课程研究对象: 讲课顺序讲课顺序:通用零件专用零件（机架、手柄、车轮......）分析处理问题的思路分析处理问题的思路:特点特点：分析处理问题的思路分析处理问题的思路：∵（任务）设计零件→*受力分析受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理） ↓*失效形式失效形式（*主要失效形式←分类）*计算准则计算准则（公式建立的依据） ↓ 强度计算强度计算（*设计方法→先定主参数* ←*许用应力 ↓ ←材料） 结构设计结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准）①②③④⑤⑥⑦⑧↓∴(抓住)计算准则计算准则 ∴学习贯穿一条线：§9-1 机械零件设计概述 p.111(一一)机械设计应满足的要求机械设计应满足的要求 P.111第7(二二)设计机械零件应满足的要求设计机械零件应满足的要求* 避免在预定寿命周期内失效避免在预定寿命周期内失效－机械零件由于某种原因不能正常工作－在不发生失效的条件下,零件所能安全 工作的限度(三三) 机械零件的主要失效形式及计算准则机械零件的主要失效形式及计算准则→既要可靠, 又要成本低 p.111第9失效失效工作能力工作能力承载能力承载能力 →对载荷而言(三三) 机械零件的主要失效形式及计算准则机械零件的主要失效形式及计算准则强度、刚度、振动稳定性、破坏正常工作条件 计算准则计算准则→┌强度准则 ├刚度准则 ├振动稳定性准则 └其它准则→主要→介绍失效形式失效形式→一、强度准则（（1）失效形式）失效形式 (2)计算准则计算准则 2. 表面强度表面强度: →疲劳破坏疲劳破坏整体断裂(脆性材料)过大的残余变形（塑性材料）P113→整体整体 破坏破坏静静强强度度→疲劳断裂(塑、脆性材料) →疲劳强度疲劳强度1. 整体强度整体强度:变应力变应力静静应应力力表面磨损 : p ≤[ p ] (比压、压强)→耐磨性耐磨性 P122表面压溃 : p≤ [ p] (挤压应力) →挤压强度挤压强度接触疲劳: H≤[ H] (接触应力) →接触强度接触强度(点蚀) P119过大的弹性变形 ｙ≤[ｙ] 刚度(机器振幅不能超过许可值)共振：机器内的激振源频率≈零件固有频率 （重合或整数倍）→破坏破坏正常工作条件引起的失效（联接松动、带传动打滑、腐蚀、过热......） 二. 刚度: 三. 振动稳定性: 四. 其它：(零件抵抗弹性变形的能力) 失效形式 计算准则§9-2 机械零件的强度 p.112(一)载荷及其分类 名义载荷－ 载荷系数－ 计算载荷－ 名义应力－ 计算应力－1.基本定义:p.112第7p.112第8名义载荷与载荷系数的乘积KF,KT,KMp.112第9p.112第10 强度强度→ 零件承受载荷后，抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力→与载荷及应力有关(二)应力及分类:(三)机械零件的强度计算2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化)静载荷变载荷•当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力•当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力 交变应力－随时间作周期性变化的应力(二)应力及分类: *一个应力循环一个应力循环→构件中的应力由“最大值 →最小值→最大值”的这一过程。

(σmax－σmin)／2 →应力幅应力幅 σaσatσσm1.分类分类2.交变应力的特征及典型的交变应力交变应力的特征及典型的交变应力*最大应力最大应力σmax *最小应力最小应力σmin 静应力→不随时间变化，Ｎ≤103变应力→不断随时间变化 稳定变应力 不稳定变应力→平均值 (平均应力平均应力σm) *变化规律→σmin／σmax=γ →应力循环特性应力循环特性 *ＮＮ →应力循环次数应力循环次数 →γ= －－1→对称循环～对称循环～ 图9-1 .C 当σmin＝0 (或σmax＝0) 当σmax＝σmin →γ＝＋＝＋1 →静应力静应力 图a→γ= 0 →脉动循环～脉动循环～ 图d 当σm＝0 (σmax＝－σmin)tσtσtσtσ非对称～对称～γ=－－1脉动～γ= 0 静～γ=+1(三)机械零件的强度计算 强度计算通式→ σ≤σlim／ｓ=[σ]（正应力） τ≤τlim／ｓ =[τ] （切应力） 关键: ①σ的计算 ② [σ]的取值1.失效形式失效形式： 2.许用应力许用应力[σ] 塑性材料→过大的残余变形(正确运用材力有关公式)：②②复合应力复合应力：→材料力学基本强度理论一．静应力作用下的强度计算 脆性材料→断裂σｓｓ/S－屈服极限σＢＢ/S－强度极限二．变应力作用下的强度计算 ①①简单应力简单应力:（单向应力）→ 拉σ＝Ｆ／Ａ ； 弯σＦ＝Ｍ／Ｗ ; 剪τ＝Ｆ／Ａ ; 扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ3.计算应力计算应力二．变应力作用下的强度计算1.失效形式失效形式: [σ]=σr /S ；[τ]=τr/S 疲劳极限 = ?σr→τr2.许用应力许用应力:零件本身零件本身应力集中(ｋｋσ有效应力集中系数绝对尺寸(εσ尺寸系数)表面质量(β表面状态系数) ＮＮ→（（σ－Ｎ）疲劳曲线－Ｎ）疲劳曲线 →疲劳断裂（图9-2)→与应力性 质、大小、Ｎ有关）γ→σ-1、、σ0、、σ+1 (应力性 质)①疲劳曲线②零件本身③许用应力3.计算应力计算应力 4.安全系数安全系数ＫＫσ、、εσ、、β→公式(9-7)(9-8)②②零件本身零件本身:①①疲劳曲线疲劳曲线：：当当N≥N0 : σrN= σ-1 →当当σ＜＜ σ-1→无限循环不破坏当当N＜＜N0 :（9－6）σNσ－1N0σrNNN0－循环基数σrN：对应N的疲劳极限图9-3N↑→ σrN ↓σ－1:γ=－－1的疲劳极限(N=N0)③③许用应力许用应力:对称:γ=－－1脉动:γ= 0 3.计算应力计算应力: (σmax 、σmin) ①简单应力→σ＝σmax ；τ＝τmax ②复合应力→材料力学基本强度理论4.安全系数安全系数:作业：9-11，9-12 (σ－1≈ 0.7σ0) §9-5 机械制造中常用材料及其选择一一.钢钢:含Ｃ量＜1.4％→常用牌号及力学性质(表9-1) 碳素钢(含Ｓ、Ｐ量)→普通、优质碳素钢 合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢……低碳钢(C) 0.1～0.25 , 中碳钢0.3～0.5, 高碳钢＞0.55 二二. 铸钢铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型 三三 .有色金属有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…）， 价昂→多用铜合金→其它少用 四四. 非金属非金属： 塑料、橡胶 铸铁铸铁: 含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、 可靠性差(一)常用材料(二)材料热处理(二)材料热处理一.目的: 二.方法:退火退火:退火、正火、淬火、回火、表面热处理退火、正火、淬火、回火、表面热处理正火正火:将零件加热到某一温度→保温→随炉冷却随炉冷却加热到某一温度→保温→较快冷却较快冷却(例空冷) →消除内应力,硬度减小→改善切削性能 1.改变金属内部结构 提高材料力学性能 2.消除内应力(加工,热处理)→ 硬度,强度有所提高 消除内应力(不如退火)淬火淬火:回火回火:硬度大大提高→耐磨性,疲劳强度提高内应力增大→需消除(回火)→综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、 韧性) →结构件→调质调质内应力及脆性均较大↓,硬度↓,弹性↑ →弹簧内应力及脆性均↓, 硬度及强度均较高 →刀具低温～低温～→中温～中温～→高温～高温～→加热到某一温度→保温→急速冷却急速冷却 加热到某一温度(较低较低)→保温→冷却(空冷)表面热处理表面热处理:强化零件表面 →表面淬火,化学热处理 →表面硬度及耐磨性↑芯部韧性不变将某种化学元素(活性原子)渗入 零件表面→力学性能↑ →表面很硬,芯韧表面硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度↑→表面迅速加热→急冷→低温回火渗碳渗碳(碳原子):氮化氮化(氮原子):氰化氰化(碳+氮):表面淬火表面淬火:化学热处理化学热处理:§9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列一.公差与配合： 互换性手册 同一基本尺寸的孔与轴的结合→┌间隙间隙配合→孔＞轴 │过渡过渡配合→孔＜轴或孔＞轴 └过盈过盈配合→孔＜轴公差：公差等级:配合：Ø35H7/f7Ø35H7/r7Ø35H7/k7→静联静联 接接轴(f7 、、k7、、r7) ; 孔孔(F7、、H7 、、K7)二.表面粗糙度三.优先数列零件尺寸的两个极限尺寸之差(尺寸精度等级): 1～20级，常用4～11级公差代号： 轴→小写 拉丁字母－f、k、r 孔→大写 －H、G、K→置于公差代号之后上偏差上偏差下偏差下偏差→动联接动联接配合制度基孔制→孔的下偏差＝0 →零件表面的微观几何形状误差→（评定）轮廓算术平均偏差(表面粗糙度Ｒａ) →表(9－3) p.127 →便于组织生产和降低成本ＧＢ321－80 Ｒ5 →公比 ; Ｒ10 →公比= Ｒ20 →公比 = ; Ｒ40 →公比= 二.表面粗糙度配合制度:三.优先数列:→常用基孔制基轴制→轴的上偏差＝0 §9-7 机械零件的工艺性及标准化一一.工艺性工艺性:工艺性好→易加工、装配，费用低→工艺性审查二二.标准化标准化：两重含意两重含意:分类分类:使用强制性推荐使用：尽量选用标准件按有关标准设计机械零件 国际ISO、国家GB、行业标、 (JB、YB、QB)、地方标、企业标准制图、公差、 形位、模数…… 标准直径 → 必须执行：运用范围→小结小结:1.基本概念: 失效、承载能力、主要失效形式及计算准则 强度(整体－整体断裂、过大的残余变形、疲劳断裂、 表面－磨损、压溃、点蚀) 刚度－过大的弹性变形 载荷(名义、计算、静载荷、变载荷) 应力(计算、静、变应力、简单应力、复合应力) 交变应力(特征－σmax, 、、σmin、、 σa 、、σm 、、γ、、N 典型的交变应力－)tσtσtσtσ 静γ=+1非对称对称γ=－－1 脉动γ= 02.机械零件的强度计算3.常用材料、公差与配合4.机械零件的工艺性及标准化。