第2章机械及机械零件设计基础知识

湖南科技大学专用作者：潘存云教授第2章机械设计基础知识§2－2机械零件的主要失效形式和工作能力§2－4机械零件的材料及热处理§2－5摩擦、磨损与润滑§2－6机械零件的结构工艺性和标准化§2－1机械设计的基本要求和一般设计程序§2－3机械零件的设计准则和一般设计步骤湖南科技大学专用作者：潘存云教授本章概要机械设计：指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。机械设计中的共性问题：机械设计的基本要求和一般设计程序；机械零件的主要失效形式和设计准则；机械零件的材料及材料选择的基本原则；摩擦、磨损和润滑的概念；零件的结构工艺性和标准化。湖南科技大学专用作者：潘存云教授机械设计——规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。基本要求：在满足预期功能的前提下，效率高、快速响应市场、性能好、安全可靠、环保、操作方便、维修简单、造型美观、成本低。（多快好省、TQCSER、两型社会）（可靠性、安全性）机械设计的内容：1.确定机械的工作原理，选择适宜的机构和传动系统；2.拟定设计方案；3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计；§2－1机械设计的基本要求和一般设计程序5.先进设计方法，材料、热处理、加工工艺的选择。湖南科技大学专用作者：潘存云教授§2－1机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的一般程序：确定零部件的基本尺寸，绘制装配图和零件图1.明确设计要求；（产品规划即确定设计任务书）2.提出设计方案；（概念设计：多个方案的选优）3.构形设计；（计算构件载荷和零件的工作能力）4.编制技术文件；（生产、检验、安装、调试、运行和维护的依据）5.技术审定；（样机、小批量生产的技术经济评价）总体布局、技术经济分析最后是产品定型湖南科技大学专用作者：潘存云教授§2－2机械零件的主要失效形式和工作能力一、机械零件的主要失效形式：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，或机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效≠破坏如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为失效形式:变形失效：弹性和塑性变形断裂失效;表面损伤失效：腐蚀、磨损和接触疲劳强烈振动、摩擦传动打滑、连接松弛等二、机械零件的工作能力——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：承载能力如变形、温度、速度、压力等。取较小值湖南科技大学专用作者：潘存云教授计算应力——按计算载荷计算所得之应力：载荷系数K——考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷——在理想平稳工作条件下零件所受的载荷。静载荷---大小、方向、位置不变或变化平稳的载荷计算载荷——载荷系数与名义载荷的乘积。(实际载荷)名义应力——按名义载荷计算所得之应力。σ、τ然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入动载荷---大小、方向、位置随时间变化的载荷三、许用应力和极限应力、接触应力1.几个基本概念湖南科技大学专用作者：潘存云教授2、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化2minmaxm平均应力:2minmaxa应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力otσ变应力的循环特性:σmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ——脉动循环变应力——对称循环变应力-1=0+1——静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例循环变应力与随机变应力maxminr湖南科技大学专用作者：潘存云教授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σS作为极限应力,许用应力为：脆性材料：取强度极限σb作为极限应力,许用应力为：Ss][变应力下的许用应力变应力下，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)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。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，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。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。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。不管脆性材料或塑性材料，S是安全系数Sb][湖南科技大学专用作者：潘存云教授A.疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN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σ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——循环基数近似代表持久疲劳循环次数ND。左边为有限寿命区，右边为无限寿命区N0对应的应力称为：CNNmmN011当NN0时,有近似公式：N为随应力状态而不同的幂指数，如弯曲时n=9对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。mNNN011湖南科技大学专用作者：潘存云教授B、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”下的许用应力mΝNNSk011][有限寿命时，用σ-1N代入得：Sk11][Sk00][湖南科技大学专用作者：潘存云教授C、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响S↑零件尺寸大，结构笨重。S↓可能不安全。湖南科技大学专用作者：潘存云教授初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹3、机械零件的接触应力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20μm处产生初始疲劳裂纹，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，这种现象称为渡劳点蚀。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。裂纹的扩展与断裂油失效形式常表现为：疲劳点蚀金属剥落出现小坑后果：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。湖南科技大学专用作者：潘存云教授b由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnH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。ρ2ρ1FnσHσHρ1Fnbρ2σHσH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1(212湖南科技大学专用作者：潘存云教授σH——最大接触应力或赫兹应力;21212EEEEEb——接触长度;Fn——作用在圆柱体上的载荷;——综合曲率半径;——综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量。bFnHHlimHS接触许用应力为：SH为接触疲劳安全系数bEFnH418.02121接触疲劳极限湖南科技大学专用作者：潘存云教授2.零件的设计计算准则:1.零件失效原因：强度、刚度、耐磨性、稳定性、温度强度准则:应满足的基本要求抵抗断裂、塑性变形及表面失效(不包括磨损)的能力刚度准则:抵抗弹性变形的能力耐磨性准则:相对运动表面抵抗磨损的能力振动稳定性原则：确保零件及系统工作振动稳定性。§2－3机械零件的设计准则和一般设计步骤耐热性准则：抗氧化、抗热变形和抗蠕变的能力为此建立相应的零件设计计算准则][][；；yypp可靠性准则：零件在规定条件和时间下稳定工作的能力强度和剪切强度是正应力和切应力判据湖南科技大学专用作者：潘存云教授3.机械零件设计的一般步骤：1)拟定零件的计算简图;5)绘制工作图并标注必要的技术条件,编制说明书等技术文件。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;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谁、规格加以圆整是一种交互式的反复设计过程湖南科技大学专用作者：潘存云教授§2－4机械零件的材料及热处理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（常用材料的分类和应用举例表2-1）1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金——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。湖南科技大学专用作者：潘存云教授选用原则：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。表2-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分我国资源丰富湖南科技大学专用作者：潘存云教授3.铜合金——铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有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、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。铝青铜湖南科技大学专用作者：潘存云教授2.塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以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。湖南科技大学专用作者：潘存云教授表2-2常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG27