机械及机械零件设计基础知识

第2章机械及机械零件设计基础知识2．1设计的基本要求和一般程序2.1.1机械设计的基本要求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。2.2.2机械设计的一般设计程序机械设计的一般程序用框图来表示。设计人员必须善于把设计构思、设计方案，用语言、文字和图形方式传递给主管者和协作者，以取得批准和赞同。除具体技术问题外，设计人员还要论证下列问题：（1）此设计是否确为人们所需要？（2）有哪些特色？能否与同类产品竞争？（3）制造上是否经济？（4）维修保养是否方便？（5）是否有市场？（6）社会效益与经济效益如何？设计人员要富有创造精神；要从实际情况出发；要调查研究；。要广泛吸取用户和工艺人员的意见，在设计、加工、安装和调试过程中及时发现问题、反复修改，以期取得最佳的成果，并从中累积设计经验2.2机械零件的主要失效形式和工作能力2.2.1机械零件的主要失效形式机械零件的失效：零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效零件的失效形式: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；刚度条件：变形量许用变形量；防止失效的判定条件是：计算量许用量----工作能力计算准则。2.2.2机械零件的工作能力工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。2.2.3许用应力和极限应力、接触应力2．2．3．1作用在零件上的载荷名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。工作载荷-----在某种工作条件下零件实际承受的载荷。载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。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。2.2.3.2静应力和变应力按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力，称为静应力（图a），纯粹的静应力是没有的，但如变化缓慢，就可看作是静应力。例如，锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。随时间变化的应力，称为变应力。具有周期性的变应力称为循环变应力，图b所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。图b所示为一般的非对称循环变应力，从图b可知应力循环中的最小应力与最大应力之比，可用来表示变应力中应力变化的情况，通常称为变应力的循环特性，用r表示，即r=σmin/σmax。可用应力循环特性r来表示变应力的不对称度，r=+1为静应力；r=0为脉动循环变应力；r=-1为对称循环变应力；-1r1为不对称循环变应力。2.2.3.3许用应力和极限应力（1）静应力下的许用应力静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为（2）变应力下的许用应力和极限应力变应力下，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）不管脆性材料或塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。1．疲劳曲线2minmaxm平均应力2minmaxa应力幅Ss][SB][由材料力学可知，表示应力。与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。如下图所示，横坐标为循环次数N，纵坐标为断裂时的循环应力σ，从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某一数值从以后，曲线趋向水平，即可以。为在“无限次”循环时试件将不会断裂。N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。通常用σ-1表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。疲劳曲线的左半部（NN0），可近似地用下列方程式表示：从式（9－5）可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限2许用应力变应力下，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响，为此引入有效应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β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σ0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。以上所述为“无限寿命”下零件的许用应力。若零件在整个使用期限内，其循环总次数N小于循环基数时，可得“有限寿命”下零件的许用应力为3安全系数S↑→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.52.2.3.4械零件的接触强度CNNmmN011mNNN011Sk11][Sk00][mNNSk011][通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为整体强度。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、滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。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20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，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。这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀还是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。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，其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为对于钢或铸铁取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+”用于外接触，“-”用于内接触。σH-------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;接触疲劳强度的判定条件为：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1(212bEFn418.0bEFnH)1(2122121——综合曲率半径;21212EEEEE——综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量HHHHHSlim][],[而若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。由上图8可看出，作用在两圆柱体上的接触应力具有大小相等，方向相反，且左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应力是局部性的应力，且应力的增长与载荷Fn并不成直线关系，而要缓慢得多，故安全系数SH可取等于或稍大于1。2.3机械零件的设计准则和一般设计步骤2.3.1零件的设计计算准则强度准则刚度准则磨性准则p≤[p]抗振稳定性准则0.85f＞fp或1.15f＜fp机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。例如：当强度为主要问题时，按强度条件判定，即应力≤许用应力；当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量；……。设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。2.3.2一般设计步骤机械零件的设计常按下列步骤进行：1）拟定零件的计算简图。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，确定零件的形状和主要尺寸。应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整。5）绘制工作图并标注必要的技术条件。以上所述为设计计算。在实际工作中，也常采用相反的方式——校核计算。这时先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。还应注意，在一般机器中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。2..4机械零件的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，在机械制造中也具有独特的使用价值。一、全属材料1．铸铁其中][][SSlimlim][][][];[];[yy铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。常用的铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。在上述铸铁中，以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。2．钢与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件。按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。碳素结构钢这类钢的含碳量一般不超过0.7％。含碳量低于0.25％的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在0．l％～0.2％的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳含金钢。含碳量在0．3％～0．5％的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在0.55％一0．7％的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。合金结构钢钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如：镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；铝的作用类似于锰，其影响更大些；钒能提高韧性及强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的，特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意，合金钢的优良性能不仅取决