《機械設計基礎第9章機械零件設計概論.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機械設計基礎第9章機械零件設計概論.ppt（40頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

東莞理工學院田君 第9章機械零件設計概論 9 1機械零件設計概論 9 2機械零件的強度 9 3機械零件的接觸強度 9 4機械零件的耐磨性 9 5機械制造常用材料及其選擇 9 6公差與配合 表面粗糙度和優(yōu)先數系 9 7機械零件的工藝性及標準化 東莞理工學院田君 9 1機械零件設計概論 機械設計應滿足的要求 在滿足預期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 在預定使用期限內安全可靠 操作方便 維修簡單和造型美觀等 機械零件的失效 機械零件曲于某種原因不能正常工作時 稱為失效 工作能力 在不發(fā)生失效的條件下 零件所能安全工作的限度 通常此限度是對載荷而言 所以習慣上又稱為 承載能力 零件的失效形式 斷裂或塑性變形 過大的彈性變形 工作表面的過度磨損或損傷 發(fā)生強烈的振動 聯(lián)接的松弛 摩擦傳動的打滑等 如軸 齒輪 軸瓦 軸頸 螺栓 帶傳動等 機械零件雖然有多種可能的失效形式 歸納起來最主要的為 東莞理工學院田君 對于各種不同的失效形式 也各有相應的工作能力判定條件 強度條件 計算應力 許用應力 機械零件設計的步驟 1 擬定零件的計算簡圖 5 繪制工作圖并標注必要的技術條件 防止失效的判定條件是 計算量 許用量 工作能力計算準則 2 確定作用在零件上的載荷 3 選擇合適的材料 4 根據零件可能出現的失效形式 選用相應的判定條件 確定零件的形狀 注意 零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數值 設計者還要根據制造零件的工藝要求和標誰 規(guī)格加以圓整 失效原因 強度 剛度 耐磨性 振動穩(wěn)定性 溫度等原因 剛度條件 變形量 許用變形量 東莞理工學院田君 載荷系數K 考慮各種附加載荷因素的影響 名義載荷 在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷 9 2機械零件的強度 計算載荷 載荷系數與名義載荷的乘積 計算應力 按名義載荷計算所得之應力 名義應力 按名義載荷計算所得之應力 強度判定條件 許用應力 S 安全系數 lim lim 極限應力 由實驗方法測定 然而在機器運轉時 零件還會受到各種附加載荷 通常用引入 東莞理工學院田君 一 應力的種類 脈動循環(huán)變應力 r 0 靜應力 常數 變應力 隨時間變化 平均應力 應力幅 循環(huán)變應力 變應力的循環(huán)特性 對稱循環(huán)變應力 r 1 脈動循環(huán)變應力 對稱循環(huán)變應力 靜應力 min r 1 靜應力是變應力的特例 東莞理工學院田君 二 靜應力下的許用應力 靜應力下 零件材料的破壞形式 斷裂或塑性變形 塑性材料 取屈服極限 S作為極限應力 許用應力為 脆性材料 取強度極限 B作為極限應力 許用應力為 三 變應力下的許用應力 變應力下 零件的損壞形式是疲勞斷裂 疲勞斷裂具有以下特征 1 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低 甚至比屈服極限低 2 疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂 3 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果 它的初期現象是在零件表面或表層形成微裂紋 這種微裂紋隨著應力循環(huán)次數的增加而逐漸擴展 直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時 就突然斷裂 疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂 它是損傷到一定程度后 即裂紋擴展到一定程度后 才發(fā)生的突然斷裂 所以疲勞斷裂是與應力循環(huán)次數 即使用期限或壽命 有關的斷裂 不管脆性材料或塑性材料 東莞理工學院田君 1 疲勞曲線 由圖可知 應力越小 試件能經受的循環(huán)次數就越多 試驗表明 當N N0以后 曲線趨于水平 可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂 應力 與應力循環(huán)次數N之間的關系曲線稱為 疲勞曲線 當N N0時 試件將不會斷裂 N0 循環(huán)基數 N0對應的應力稱為 當N N0時 有近似公式 對應于N的彎曲疲勞極限 疲勞極限 用 1表示材料在對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限 東莞理工學院田君 2 許用應力 在變應力 應取材料的疲勞極限作為極限應力 同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變 絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌 為此引人應力集中系數k 尺寸系數 和表面狀態(tài)系數 等 當應力是對稱循環(huán)變化時 許用應力為 當應力是脈動循環(huán)變化時 許用應力為 0為材料的脈動循環(huán)疲勞極限 S為安全系數 以上各系數均可機械設計手冊中查得 以上所述為 無限壽命 有限壽命時 用 1N代入得 東莞理工學院田君 四 安全系數安全系數定得正確與否對零件尺寸有很大影響 1 靜應力下 塑性材料的零件 S 1 2 5鑄鋼件 S 1 5 S 典型機械的S可通過查表求得 無表可查時 按以下原則取 零件尺寸大 結構笨重 S 可能不安全 靜應力下 脆性材料 如高強度鋼或鑄鐵 S 3 4 3 變應力下 S 1 3 1 7材料不均勻 或計算不準時取 S 1 7 2 5 東莞理工學院田君 9 3機械零件的接觸強度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸 受載后 由于變形其接觸處為一小面積 通常此面積甚小而表層產生的局部應力卻很大 這種應力稱為接觸應力 這時零件強度稱為接觸強度 如齒輪 凸輪 滾動軸承等 機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的 在載荷重復作用下 首先在表層內約20 m處產生初始疲勞裂紋 然后裂紋逐漸擴展 潤滑油被擠迸裂紋中將產生高壓 使裂紋加快擴展 終于使表層金屬呈小片狀剝落下來 而在零件表面形成一些小坑 這種現象稱為渡勞點蝕 發(fā)生疲勞點蝕后 減小了接觸面積 損壞了零件的光滑表面 因而也降低了承載能力 失效形式常表現為 疲勞點蝕 后果 減少了接觸面積 損壞了零件的光滑表面 降低了承載能力 引起振動和噪音 東莞理工學院田君 由彈性力學可知 應力為 對于鋼或鑄鐵取泊松比 1 2 0 3 則有簡化公式 上述公式稱為赫茲 H Hertz 公式 用于外接觸 用于內接觸 東莞理工學院田君 H 最大接觸應力或赫茲應力 b 接觸長度 Fn 作用在圓柱體上的載荷 綜合曲率半徑 綜合彈性模量 E1 E2分別為兩圓柱體的彈性模量 接觸疲勞強度的判定條件為 東莞理工學院田君 9 4機械零件的耐磨性 運動副摩擦表面物質不斷損失的現象稱為磨損 磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀 零件抗磨損的能力稱為耐磨性 磨損 間隙 精度 效率 振動 沖擊 噪音 據統(tǒng)計 約有80 的損壞零件是因磨損而報廢的 磨損的主要類型 1 磨粒磨損 2 粘著磨損 膠合磨損 在滾動或兼有滑動和滾動的高副申 如凸輪 齒輪等 受載時材料表層有很大的接觸應力 當載荷重復作用時 常會出現表層金屬呈小片狀剝落 而在零件表面形成小坑 這種現象稱為疲勞磨損或疲勞點蝕 在摩擦過程申 與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損 稱為腐蝕磨 硬質顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗?在摩擦過程中引起的材料脫落現象稱為磨粒磨損 硬質顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒 也可能是外來的塵土雜質等 摩擦面間的硬粒 能使表面材料脫落而留下溝紋 加工后的零件表面總有一定的粗糙度 摩擦表面受載時 實際上只有部分峰頂接觸 接觸處壓強很高 能使材料產生塑性流動 若接觸處發(fā)生粘著 滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉移到另一個表面 這種現象稱為粘著磨損 膠合磨損 所謂材料轉移是指接觸表面擦傷和撕脫 嚴重時摩擦表面能相互咬死 3 疲勞磨損 疲勞點蝕 4 腐蝕磨損 東莞理工學院田君 實用耐磨計算是限制運動副的壓強p 即 p p p 由實驗或同類機器使用經驗確定 相對運動速度較高時 還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv 在摩擦系數一定的情況下 可將pv值與許用的 pv 值進行比較 即 pv pv 東莞理工學院田君 9 5機械制造常用材料及其選擇 機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵 其次是有色金屬合金 非金屬材料如塑料 橡膠等 一 金屬材料 1 鑄鐵 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 合金鑄鐵等 2 鋼 結構鋼 工具鋼 特殊鋼 不銹鋼 耐熱鋼 耐酸鋼等 碳素結構鋼 合金結構鋼 鑄鋼等 鑄鐵 常用金屬材料 鋼 銅合金 含碳量 2 含碳量 2 鐵碳合金 特點 良好的液態(tài)流動性 可鑄造成形狀復雜的零件 較好的減震性 耐磨性 切削性 指灰鑄鐵 成本低廉 應用 應用范圍廣 其中灰鑄鐵最廣 球墨鑄鐵次之 東莞理工學院田君 選用原則 優(yōu)選碳素鋼 其次是硅 錳 硼 釩類合金鋼 特點 與鑄鐵相比 鋼具有高的強度 韌性和塑性 可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能 零件毛坯獲取方法 鍛造 沖壓 焊接 鑄造等 應用 應用范圍極其廣泛 價格便宜且供應充分 我國資源豐富 東莞理工學院田君 3 銅合金 銅鋅合金 并含有少量的錳 鋁 鎳 特點 具有良好的塑性和液態(tài)流動性 青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性 零件毛坯獲取方法 輾壓 鑄造 應用 應用范圍廣泛 種類 青銅 黃銅 軸承合金 巴氏合金 含錫青銅 不含錫青銅 二 非金屬材料 1 橡膠橡膠富于彈性 能吸收較多的沖擊能量 常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件 帶傳動的膠帶等 硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯 東莞理工學院田君 2 塑料塑料的比重小 易于制成形狀復雜的零件 而且各種不同塑料具有不同的特點 如耐蝕性 絕熱性 絕緣性 減摩性 摩擦系數大等 所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛 3 其它非金屬材料 皮革 木材 紙板 棉 絲等 選材因素 設計機械零件時 選擇合適的材料是一項復雜的技術經濟問題設計者應根據零件的用途 工作條件和材料的物理 化學 機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮 用途 工作條件 物理 化學 機械工藝性能 經濟性 零件材料 各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標 行標和機械設計手冊中查得 為了材料供應和生產管理上的方便 應盡量縮減材料的品種 東莞理工學院田君 東莞理工學院田君 9 6公差與配合 表面粗糙度和優(yōu)先系數 一 公差與配合 互換性 零件在裝配時 不需要選擇和附加加工的就能滿足預期技術與使用要求的特性 基本尺寸 由設計圖紙給定的零件理論尺寸 為確定值 實際尺寸 制造加工后測量所得零件尺寸 由于測量有誤差 所以實際尺寸并非真值 相對于基本尺寸而言 總是有誤差 或大或小 實際尺寸 實際尺寸 實際尺寸 基本尺寸 實際尺寸 東莞理工學院田君 最小極限尺寸 零件滿足互換性要求的最小允許尺寸 最大極限尺寸 零件滿足互換性要求的最大允許尺寸 尺寸誤差 實際尺寸與理論設計尺寸之差 上偏差 最大極限尺寸與基本尺寸之差 符號 ES es 下偏差 最小極限尺寸與基本尺寸之差 符號 EI ei 尺寸公差 最大極限尺寸與最小極限尺寸之差 即允許的尺寸變動量 公差 Lmax Lmax ES EI es ei 東莞理工學院田君 零線 代表基本尺寸所在位置的一條直線 公差帶 由代表上 下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域 國標規(guī)定 孔與軸各有28個 分別用如下符號表示 孔 ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC 軸 abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc 基本偏差 標準表列的 用于確定公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差 一般為靠近零線的那個偏差 東莞理工學院田君 孔 ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC 軸 abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc 基本偏差系列 呈正態(tài)分布 東莞理工學院田君 配合 基本尺寸相同 相互結合的孔與軸公差帶之間的關系 間隙或過盈 孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數差 間隙 代數差為 孔 軸 過盈 代數差為 孔 軸 公差等級 國標規(guī)定了20個等級 用阿拉伯數字 001123456789101112131415161718表示 標記方法 公差帶符號后跟阿拉伯數字表示 如 H7 常用公差等級的應用 4 5級用于特別精密的零件 6 7 8級用于重要的零件 8 9級用于中速及中等精度要求的零件 10 11級用于低速 低精度的零件 可直接采棒材 管材 精密鍛件而不用切削加工 東莞理工學院田君 配合類型 間隙配合 過渡配合 過盈配合 孔 軸 用于可動聯(lián)接 如活動鉸鏈 孔 軸 用于靜聯(lián)接 如火車輪與軸 可能有間隙 也可能具有過盈 用于要求具有良好的同軸性而又便于拆裝的靜聯(lián)接 如齒輪與軸 最大間隙 Xmax 孔max 軸min 最小間隙 Xmin 孔min 軸max 最大過盈 Ymax 孔min 軸max 最小過盈 Ymin 孔max 軸min 東莞理工學院田君 間隙配合 過盈配合 過渡配合 Xmin 0 Ymin 0 東莞理工學院田君 配合基準制 基孔制配合 孔是基準孔 下偏差EI 0 代號為 H 通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性 基孔制配合 基軸制配合 應用廣泛 可減少孔加工刀具 東莞理工學院田君 基軸制配合 軸是基準軸 上偏差es 0 代號為 h 通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性 東莞理工學院田君 基孔制常用與優(yōu)先配合的選用 東莞理工學院田君 基軸制常用與優(yōu)先配合的選用 東莞理工學院田君 二 表面粗糙度 中線 定義 零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度 特征 加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕 評定參數 輪廓算術平均偏差 取樣長度l內 被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術平均值 東莞理工學院田君 Ra愈小 零件的加工成本愈高 東莞理工學院田君 表面粗糙度對零件功能有重要的影響 例如 1 對摩擦磨損的影響 零件表面愈粗糙 摩擦系數愈大 但光滑到一定程度時 潤滑油被擠出 產生親和力反而使摩擦系數增大 2 對疲勞強度的影響 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容易產生應力集中 使疲勞強度降低 3 對耐腐蝕的影響 4 對結合處密封性能的影響 5 對振動和噪聲的影響等等 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容易產生腐蝕滲透 零件表面愈光滑 密封性能愈好 零件表面愈粗糙 振動和噪聲愈大 如滾動軸承 東莞理工學院田君 三 優(yōu)先數系 優(yōu)先數系是國際上統(tǒng)一的數值分級制度 是一種無量綱的分級系數 適用于各種量值的分級 在確定產品的參數或參數系列時 應該最大限度采用 產品的主要參數如 型號 直徑 轉速 承載量和功率等按優(yōu)先數系形成系列 便于組織生產和降低成本 以實現產品的標準化和系列化 GB321 80規(guī)定了四個優(yōu)先數系的基本系列 東莞理工學院田君 優(yōu)先數 表中任意一個數值 大于10的優(yōu)先數 可將表數值分別乘以10 100 1000 東莞理工學院田君 9 7機械零件的工藝性及標準化 一 工藝性 零件設計要求 使用要求 具備所要求的工作能力 制造要求 制造工藝可行 成本低 零件工藝性良好的標志 在具體的生產條件下 零件要便于加工且費用低 工藝性的基本要求 1 毛坯選擇合理 制備方法 毛坯選擇與生產批量 材料性能和加工可能性有關 單件或小批量生產時 選用棒料 板材 型材或焊件 應用于大批量生產 用型材 焊接 鍛造 鑄造 沖壓 東莞理工學院田君 9 7機械零件的工藝性及標準化 一 工藝性 零件設計要求 使用要求 具備所要求的工作能力 制造要求 制造工藝可行 成本低 零件工藝性良好的標志 在具體的生產條件下 零件要便于加工且費用低 工藝性的基本要求 1 毛坯選擇合理 制備方法 選用型材 焊接 鑄造 鍛造 沖壓等 毛坯選擇與生產批量 材料性能和加工可能性有關 單件或小批量生產時 選用棒料 板材 型材或焊件 大批量生產時 往往選用鑄造 鍛造 沖壓等方法 東莞理工學院田君 2 結構簡單合理 最好采用平面 柱面 螺旋面等簡單表面極其組合 盡量減少加工面數和加工面積 3 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加 決不能盲目追求高精度 應在滿足使用要求的前提下 盡量采用較低的精度和表面質量 盡量采用標準件 增加相同形狀 相同元素 直徑 圓角半徑 配合 螺紋 鍵 齒輪模數等 的數量 4 盡量減小零件的加工量 毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸 力求使少或無切削加工 節(jié)約材料 降低成本 盡量采用精密鑄造 精密鍛造 冷軋 冷擠壓 粉末冶金等先進工藝滿足上述要求 欲設計出工藝性良好的零件 設計者必須虛心向工藝技術人員和一線工人學習 在實踐中積累經驗 東莞理工學院田君 二 標準化 內容 1 產品品種規(guī)格的系列化將同一類產品的主要參數 型式 尺寸 基本結構等依次分檔 制成系列化產品 以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求 定義 標準化是在經濟 技術 科學及管理等社會實踐中 對重復事務和概念 通過制定 發(fā)布和實施標準 以獲得最佳秩序和效益 2 零部件的通用化將用途 結構相近的零部件 如軸承 螺栓等 經過統(tǒng)一后實現互換 3 產品質量標準化要保證產品產品質量合格和穩(wěn)定 就必須做好設計 加工工藝 裝配檢驗 包裝儲運等環(huán)節(jié)的標準化 東莞理工學院田君 基本特征 統(tǒng)一 簡化 意義 1 制造上可以實現專業(yè)化大批量生產 既可提高產品質量 又能降低成本 2 設計方面可減少設計工作量 3 管理維修方面可減少庫存量 便于更換損壞的零件 標準化是組織社會化大生產的重要手段 是實施科學管理的基礎 也是對產品設計的基本要求之一 通過標準化的實施 以獲得最佳的社會經濟成效 標準層次 國家標準 行業(yè)標準 地方標準 企業(yè)標準 推薦性標準 GB T 鼓勵企業(yè)自愿采用 標準性質 強制標準 GB 必須強制執(zhí)行 作為設計人員 要求必須熟悉現行的相關標準 學會查詢和使用標準資料 無論設計何種產品 必須遵循相關標準