机械零件设计概述.ppt

第十章第十章 机械零件设计概论机械零件设计概论第一节 机械零件的工作能力和设计准则 工作能力：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对载荷而言，即为承载能力 失效：失效：机械零件由于某种原因不能正常工作称为失效第一节第一节 机械零件的工作能力及计算准机械零件的工作能力及计算准则则 计算准则：计算准则：针对零件的不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为设计准则常用设计准则有强度准则、刚度准则、耐磨性准则和振动稳定性准则等 设计应满足的要求设计应满足的要求 ：：既要可靠，又要成本低，避免在预定寿命期内失效 零件常见失效形式有断裂，表面失效（接触疲劳、表面压溃、磨损、胶合），过大的塑性变形，过大的弹性变形，振动失稳，打滑和滑移等一、强度一、强度 (一)载荷 名义载荷：名义载荷：在理想的平稳工作条件下，作用在零件上的载荷称为名义载荷 计算载荷：计算载荷：机器运转时，除名义载荷外，还会受到有各种附加载荷的作用，其影响用载荷系数k（工况系数）来估计载荷系数（k≥1）与名义载荷的乘积，称为计算载荷。

机械零件的设计计算是根据计算载荷进行的 强度强度： 零件承受载荷后，抵抗破坏的能力 变载荷：变载荷：大小和方向随时间变化的载荷机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则 静载荷：静载荷：大小和方向不随时间变化的载荷 零件受载时，在本体内产生应力为整体强度问题整体强度包括拉压、弯曲、扭转、剪切等几种类型若零件整体强度不足，就会产生断裂或过大的塑性变形，造成零件失效设计时必须满足的强度条件为：σ≤[σ] 、τ≤[τ] （二） 整体强度（三）表面强度 零件受载时，在传力接触表面上产生应力为表面强度问题零件的表面强度包括挤压强度和接触强度两种类型 挤压强度：挤压强度：通过面接触传力时会产生挤压应力σp，它可能使零件表面压溃破坏，造成失效 设计时应满足的强度条件为： 机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则 挤压破坏首先在强度较弱的材料表面产生，所以式中[σp]值应取两零件中许用挤压应力较小者 接触强度：接触强度：两零件通过点、线接触（高副）传递载荷时，受载后由于弹性变形其接触区为一很小面积，表层产生的局部应力很大，称为接触应力，其最大值用σH表示。

这时零件的强度称为接触强度 设计时应满足的强度条件为：σH≤[σH]机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则式中，ρ为综合曲率半径，E为综合弹性模量，对于钢或铸铁，可取泊松比μ1=μ2=0.3 ，其值为：机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则 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，其最大接触应力σH发生在接触区的中线上，其值μ1 、μ2为材料的泊松比；E1、 E2为材料的弹性模量； 许用应力是设计零件时所依据的条件应力，是强度条件的判据它取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等合理的许用应力可使零件在具有足够强度的同时轻巧、紧凑和经济计算法是确定许用应力的主要方法其公式为：σlim为极限正应力；机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则（四）许用应力τlim为极限剪应力；σHlim为接触疲劳极限应力；S为安全系数；SH为材料的接触疲劳安全系数 安全系数：安全系数：极限应力与许用应力的比值称为安全系数机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则S3为考虑零件的重要性系数，一般取S3=1~1.5。

S2为考虑材料机械性能均匀性系数，对锻钢或轧钢件S2=1.2~1.5；对铸铁件取S2=1.5~2.5；S1为考虑载荷及计算应力的准确性系数，一般取S1=1~1.5； 安全系数可用查表法和部分系数法确定部分系数法也是一种比较常用的方法，一般用于无可靠资料直接确定安全系数的情况下总安全系数是以几个影响因素系数的连乘积来确定的即： S=S1·S2·S3 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 刚度对于某些弹性变形超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要二、二、 刚度刚度机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则式中 y、 φ 、 θ分别为零件的挠度、扭转角和偏转角； [y]、[φ ]、[θ]分别为其对应的许用值，其按零件的使用要求来确定刚度条件：y≤[y]； φ ≤[φ ]； θ≤[θ]；三、耐磨性三、耐磨性 实际应用中，常用限制压强p来控制磨损和限制pv值（v为磨擦副相对运动速度）来控制发热量，即机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则 耐磨性是指作相对运动的零件表面在载荷作用下抵抗磨损的能力。

[p]为许用压强；[pv]为pv的许用值，其值由摩擦副材料确定 耐磨性条件为： p≤[p]， pv≤[pv] 四、四、 振动稳定性振动稳定性 在高速机械中，当机械零件的固有频率与周期性载荷的频率（机器内的激振源频率）的整数倍相同或接近时，就会产生共振共振时振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性零件一但失去振动稳定性，将丧失工作能力，甚至断裂而酿成重大事故机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则 避免共振的措施：消除引起振动的根源，如改变机械零件自身的固有频率，装设消振器，改变外界周期性载荷的频率或消除外界周期性载荷等第二节第二节 机械零件常用材料及其选用原则机械零件常用材料及其选用原则钢钢（含Ｃ量＜1.4％）碳素钢(普通、优质碳素钢)、合金钢、铸钢铸铁铸铁:（含Ｃ＞2.06％）易成型、价廉、吸振、可靠性差有色金属有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…）非金属非金属：塑料、橡胶一、常用材料一、常用材料常用材料的分类和应用表二、选用原则二、选用原则 1、使用要求机械零件常用材料及其选用原则机械零件常用材料及其选用原则 5)当零件要求重量轻时，应选用轻合金、塑料或高强度材料 4)当零件以耐磨性为主要要求时，可选用减摩、耐磨材料； 3)当零件以刚度为主要要求时，可选用一般强度的材料； 2)当零件受拉伸载荷、剪切载荷、冲击载荷、变载荷或受力后产生交变应力时，应选用钢材；受压零件可选用铸铁； 1)当零件所受的载荷大或要求尺寸小时，可选择强度较高的材料；零件所选用的材料应与所受载荷相适应。

 2、工艺要求 零件所选用的材料应与制造工艺相适应机械零件常用材料及其选用原则机械零件常用材料及其选用原则 3、经济性要求 在机械产品成本中，材料成本一般占1/3以上因而，在满足使用要求的前提下，应尽量选用价格低廉的材料，这是零件材料选用时应遵循的普遍原则除此而外还有： 2）对精度高、需要切削加工的零件，宜选用切削性能好的材料 1）当零件形状比较复杂或尺寸较大时，如箱、壳、架、盖等宜选用铸造性能好的铸铁、铸钢或焊接性能好的材料； 1）设计组合式零件，以节约贵重金属，降低材料成本； 2）采用精铸、精锻等无切削或少切削加工工艺，以提高材料利用率，对于大批量生产可大幅度降低成本； 3）考虑生产费用，以降低成本铸铁比钢便宜，但对单件或小批量生产，铸模的费用相对较大，故选用钢板焊接反而有利，因为省去了模具费用； 4）零件选用的材料牌号、品种、规格应尽可能少以求生产准备、采购供应方便，降低成本机械零件常用材料及其选用原则机械零件常用材料及其选用原则常用材料的相对价格 一、摩擦的类型及润滑的作用一、摩擦的类型及润滑的作用 （一）摩擦的类型（一）摩擦的类型 按接触表面润滑情况，摩擦可分为干摩擦、液体摩擦和边界摩擦等。

按接触表面润滑情况，摩擦可分为干摩擦、液体摩擦和边界摩擦等 1 1）干摩擦）干摩擦 一般金属或非金属摩擦表面直接接触不加入任何润滑剂一般金属或非金属摩擦表面直接接触不加入任何润滑剂时产生的摩擦称为干摩擦时产生的摩擦称为干摩擦 2 2）液体摩擦）液体摩擦 加入润滑剂后，在摩擦表面形成一层油膜（或固体润加入润滑剂后，在摩擦表面形成一层油膜（或固体润滑膜），则可大大减小其摩擦滑膜），则可大大减小其摩擦 3 3）边界摩擦）边界摩擦 如果润滑油膜不能将两接触表面完全隔开，这时的润如果润滑油膜不能将两接触表面完全隔开，这时的润滑状态称为边界摩擦滑状态称为边界摩擦 综上所述，液体摩擦是最理想的情况在一般机器中，摩擦表面多处综上所述，液体摩擦是最理想的情况在一般机器中，摩擦表面多处于干摩擦、液体摩擦和边界摩擦的混合状态，称为非液体摩擦或混合摩擦于干摩擦、液体摩擦和边界摩擦的混合状态，称为非液体摩擦或混合摩擦第三节第三节 机械的润滑机械的润滑 （二）机械润滑的作用 润滑的作用大致可归纳为： 1）减磨作用。

减轻零件表面的摩擦、磨损和功率损耗； 2）降低温升作用一方面是减小摩擦使发热量减少；另一方面是润滑油流过摩擦表面带走摩擦产生的一部分热量； 3）清洗作用润滑油流过摩擦表面时，带走磨损落下的金属细屑和污物； 4）防锈作用吸附于零件表面的油膜，可保护零部件表面免遭锈蚀机械的润滑机械的润滑 二、润滑剂二、润滑剂 生产中常用的润滑剂包括润滑油、润滑脂、固体润滑剂和气体润滑剂等几大类 1.润滑油的主要性能指标 粘度粘度 体现了液体摩擦状态下润滑油内部摩擦阻力的大小油粘度愈大，工作阻力愈大，但承载能力也愈大粘度随温度升高而降低 油性油性 又称润滑性，是指润滑油中的极性物质分子吸附于金属表面而形成一层坚韧的油膜的能力这层油膜如果对金属表面的吸附力大，不易破裂，则润滑油的油性就好油性受温度的影响，温度过高，吸附油膜会被分解破坏机械的润滑机械的润滑机械的润滑机械的润滑 2. 润滑脂的主要性能指标 针入度针入度 又称穿入度或稠度，它表征润滑脂的软硬、稠度和流动性。

滴点滴点 是把润滑脂放入滴点仪中，在规定的条件下加热，润滑脂开始滴下第一滴时的温度称为滴点滴点表征着润滑脂的耐热能力工作温度应低于滴点15~20℃ 润滑脂也称黄油，是一种稠化的润滑油，其稠化剂皂基不同，性能也不同有钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂等机械的润滑机械的润滑 三、润滑剂的选用原则三、润滑剂的选用原则 在设备事故中，润滑事故占很大比重，而润滑剂选择不当又是造成润滑事故的一个重要因素，选用润滑剂的基本原则是： 1）载荷大时，宜选用粘度或稠度大的润滑油或脂粘度愈大，油膜强度愈高，承载能力愈大； 2）转速高时，宜选用粘度或稠度低的润滑油或脂，以避免过大的运动阻力和发热； 3）工作温度高时，宜选用粘度或稠度大的润滑油或脂，以保证在工作温度下要求的粘性 总之，重载、低速和高温宜选用粘度或稠度大的油或脂；轻载、高速和低温宜选用粘度或稠度小的油或脂在实用中，不少机器的润滑剂是根据使用经验来确定的 第四节第四节 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性一、工艺性 机械零件应具有良好的工艺性，即在一定的生产条件下，能用最少的时间、设备、工具、劳动量以及一般的加工方法生产出来。

1）选择合理的毛坯种类 零件的毛坯可以是铸件、锻件、焊件、冲压件等毛坯种类的选择一般取决于生产批量、材料、尺寸大小和加工可能性等 2）零件结构形状应尽量简单 设计零件时应采用简单的平面、圆柱面等组成零件的形状并使加工表面数目和加工面积最小 3）合理选择制造精度和表面粗糙度 制造精度和表面粗糙度选得越高，加工费用就越高因此，选择要合理，以满足使用要求为原则 4）机械零件的结构应便于拆装，并尽量减少装配工作量机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化 二、标准化二、标准化 标准化是指对零件的品种、规格、质量、技术条件和检验、试验方法等由国家或行业制定的一些强制性（或推荐性）统一标准 设计时应贯彻标准化的原则推行标准化的意义在于： 1、可使通用零、部件采用先进的工艺方法进行专业化大批量生产，既能降低成本，又能提高质量 2、设计中直接采用标准件，可减少设计工作量，降低设计成本；标准件可以外购且标准件具有互换性，故使用标准件对制造、检修工作带来很大方便 3、技术条件和检验、试验方法标准化后，可保证标准件的质量，提高可靠性。

 我国已制定有国家标准（GB）、部颁标准（如JB）和行业标准（如重型机械行业统一标准O/EB）等，且已参加了国际标准化组织（ISO）为了增强在国际市场的竞争力，应积极采用国际标准设计人员必须熟悉现行有关标准，并在设计工作中贯彻执行标准一般机械零件设计手册中已编入有关资料，可供设计时查阅 讨论标准化有两重含意，其一按有关标准设计机械零件；其二尽量选用标准件机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化 。