第2章机械零件设计基础

第二章机械零件设计基础王学军第二章机械零件设计基础设计机械零件时应满足的基本要求及设计方法基本要求：（工作可靠成本低廉）p19~20；设计步骤；设计方法：（理论设计、经验设计和实验设计）p20；机械零件的常见失效形式、工作能力和设计准则机械零件的材料选用原则p10~11；机械零件的结构工艺性p11~15；机械设计中的标准化p15机械零件的载荷和应力p5~92.1设计机械零件时满足的基本要求及设计方法基本要求p19~20；工作可靠成本低廉设计步骤；设计方法p20理论设计;经验设计;实验设计；虚拟样机技术一、基本要求工作可靠、成本低廉从机械的整体出发对零部件提出的要求工作可靠是要求零部件具有足够的工作能力即指在规定的使用寿命内不发生各种失效。因此，在设计零部件时，要使零部件满足强度、刚度、寿命及稳定性等准则。成本低廉要求零部件满足经济性、结构工艺性。应尽可能采用标准化、系列化和通用化。经济性：必须从设计和制造工艺两方面着手，设计时应正确地选择零部件的材料，尽量采用价格低廉、供应充足的材料；合理地确定零部件的尺寸和综合工艺要求的结构，如采用轻型的零、部件结构，采用少余量或无余量的毛坯等；合理地规定制造时的精度等级和技术条件；尽可能采用标准化的零部件，以取代需特殊加工的零、部件等。结构工艺性：指在既定的生产条件下，能方便而经济地生产出满足使用性能要求的零部件，并且便于装配成机器。因此，零部件的结构工艺性应从毛坏制造、热处理、机械加工及装配等几个生产环节加以综合考虑。二、零件设计步骤合理选择机构和零件类型；分析和计算作用于零件上的载荷，合理选材，进行工作能力的计算；结构设计（工艺、使用、维护、经济、安全）；绘制零件工作图，编写说明书。（在平时作业中进行训练，在小设计和课程设计中进行强化训练）三、设计方法理论设计;经验设计;实验设计；虚拟样机技术理论设计根据现有的设计理论和实验数据所进行的机械零件设计的设计方法。理论设计分为：设计计算。由理论设计计算公式确定零部件的主要参数和尺寸。校核计算。先按经验和某些简易的方法初步确定出零部件的主要参数和尺寸，待结构完全确定以后，用理论校核公式进行校核计算。注意：设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零部件；而校核计算则多用于结构复杂、应力分布较复杂，但又能进行强度计算或刚度计算的零、部件。经验设计根据对某类零部件已有的设计与实际使用而归纳出的经验公式和数据，或者用类比法所进行的的设计方法。经验设计简单方便，对于典型化的零、部件(例如箱体、机架等)，是比较实用的设计方法。但是它也有较大的局限性，在确定零、部件的结构参数时，由于考虑安全问题而容易导致结构笨重。注意：多数情况下．机械零件的设计同时采用上述两种方法进行，因为设计计算和校验计算只能针对零、部件的主要结构参数进行，大量的结构参数需要根据结构要求采取经验设计方法加以确定。模型实验设计把初步设计的零部件或机器做成小模型或小尺寸的样机，通过对模型或样机的实验，考核其性能并取得必要的数据，然后根据实验结果修改原初步设计，使其逐步完善的设计方法。对于一些尺寸特大、结构复杂、工况条件特殊又难以进行理论计算的重要零部件，为了提高设计的可靠性，可采用模型实验设计的方法。注意：这种设计方法费时、费钱，因此只用于特别重要的设计中。虚拟样机技术是在计算机上建立样机模型，对样机进行各种动态性能分析，然后修改样机设计方案，用数字化的形式代替传统的实物样机实验进行设计的方法。注意：运用虚拟样机技术可以大大简化产品的设计开发过程，减少研发成本，明显提高产品的质量，提高系统的性能上述三种常用的方法是传统的设计方法。§2.2机械零件的常见失效形式、工作能力和设计准则失效形式：p16~17断裂、塑性变形、过量的弹性变形、表面失效、破坏正常工作条件引起的失效；工作能力：p18；设计准则：p17~19强度设计准则、刚度设计准则、精度设计准则、寿命设计准则、振动稳定性设计准则、可靠性设计准则；【讨论】轴可能的失效形式？同一零件可能出现许多不同的失效形式；这些失效形式并不是同时出现，而是在不同的工作条件有不同的失效形式。显然，起决定作用的是零件在这些不同方面工作能力中较小者，故工作能力与失效形式是密切相关，若能找出零件在不同工作条件下，工作能力较小者，就可以知道零件能否正常工作。工作条件静应力变应力精密主轴高速转动失效形式整体断裂疲劳断裂过量的弹性变形共振工作能力整体强度疲劳强度刚度丧失振动稳定性轴常见的失效形式针对不同的失效就要求零件在不同方面具有不同的工作能力一、失效形式失效：机械零件丧失预定功能，不能正常工作。常见的失效形式断裂、塑性变形、过量的弹性变形、表面失效、破坏正常工作条件引起的失效注意：失效并不意味着单纯的破坏或断裂，而具有更广泛的含义。断裂断裂：由于危险剖面上的应力超过零部件的强度极限而发生的损伤。例如，螺栓拧断、连杆受冲击的断裂。疲劳断裂：由于危险剖面上的变应力超过零部件的疲劳极限而发生的损伤。例如，齿轮轮齿根部断裂。注意：断裂是一种严重的失效形式，出现断裂不仅使零件失效，甚至可能出现人身或设备事故。塑性变形塑性变形：当零部件在外载荷作用下，其上的应力超过了材料的屈服极限（σs）而产生的变形。注意：这会造成零部件的尺寸和形状产生永久的改变，破坏零部件之间的相互位置和配合关系，破坏机械系统的精度，使零部件或机器不能正常工作。例如，齿轮整个轮齿发生塑性变形，就会破坏正确啮合条件，在运转过程中会产生剧烈振动和大的噪声，甚至无法运转；各种阀门的控制弹簧发生塑性变形，会导致控制力丧失，从而使阀门无法按设计要求正常工作。过量的弹性变形机械零件受载工作时，必然会发生弹性变形，过量的弹性变形会使零部件或机器不能正常工作。注意：在设计允许范围内的微小弹性变形，不会对机器的工作性能产生太大的影响，但是过量的弹性变形会造成较大的振动，致使零部件损坏。例如，机床主轴的过量弹性变形会降低加工精度，电机主轴的过量弹性变形会改变定子与转子间的间隙，影响电机的性能。表面失效（主要）绝大多数零部件都与别的零部件发生静的或动的接触和配合关系。载荷作用于表面，摩擦和磨损发生在表面，环境介质也包围着表面，因此表面失效是很多机械零件的主要失效形式。注意：表面失效会改变零部件的配合关系和相对位置关系、降低机械系统的精度、产生噪声和振动等，严重时会导致零件卡死、转动零件被扭断等恶性失效。据统计零件表面失效约占整个失效的74％。表面失效主要有疲劳点蚀：两相对高副接触、运动的零件表面，由于受到的表面接触应力超过其疲劳极限，而引起的表面麻点状剥蚀或产生裂纹的损伤现象。胶合：两相对运动零件的表面，由于瞬时温度过高，而引起的两相对运动零件表面焊接后撕伤的现象。磨损：两相对运动零件的表面，由于硬颗粒或尖峰的犁刨，而产生的沟纹或物质丧失现象。塑性流动：两相对运动零件的表面，由于摩擦力的作用，而沿摩擦力的方向产生金属流动现象。压溃：两相互接触零件的表面，由于挤压应力超过其挤压强度极限，而引起的过量变形或损坏的现象。腐蚀：零件表面由于电化学、化学侵蚀现象。二、工作能力工作能力：零件不发生失效时，安全工作限度。由于零部件在工作时绝大部分要承受载荷，对载荷而言工作能力称承载能力。注意：同一零件在不同条件下有不同的失效形式，零部件的工作能力也不同，显然，应该优先保证工作能力较小的零部件的工作能力，按照工作能力的最小值去设计。三、设计准则设计准则：为了防止可能出现的失效，从失效机理出发，建立零部件工作能力计算依据。强度设计准则、刚度设计准则、精度设计准则、寿命设计准则、振动稳定性设计准则、可靠性设计准则强度设计准则强度：是指零部件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效(磨损、腐蚀除外)的能力。强度设计准则：计算应力不得超过零件的许用应力。式中：σ计算应力，[σ]许用应力，σlim极限应力，[S]许用安全系数，S安全系数。其中：σlim极限应力针对塑性变形的失效为屈服极限σs；针对断裂的失效为强度极限σB，针对疲劳断裂的失效为疲劳极限σr。lim[][]Slim[]SS或刚度设计准则刚度：是指零部件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度设计准则：使零部件工作时产生的弹性变形量不超过机器性能指标所允许的极限值。式中：y弹性变形量，[y]许用变形量。[]yy精度设计准则精度：零部件的加工误差（尺寸误差、形状位置误差）和装配误差小。精度设计准则：机械零件的误差在合理的范围内。注意：精度指标是机械系统和零、部件的基本指标，它影响机械零件上的每一个尺寸，影响它的选材、制造和装配工艺，影响机械系统的性能和成本，无法想象没有精度指标要求的零件设计的结果怎样，因此，精度设计准则贯穿了现代机械设计的整个过程。寿命设计准则寿命：影响零、部件实际寿命的主要因家是材料的疲劳和由于磨损及腐蚀引起的表面失效。寿命设计准则：保证零部件在规定的使用期限内不发生疲劳失效、磨损和腐蚀。疲劳失效，为防止发生疲劳失效，可依据材料的疲劳极限进行疲劳强度计算。磨损，影响磨损的因素很多，计算方法还不完善，所以为了保证零、部件具有良好的耐磨性，一方面应该运用摩擦学原理设计零、部件的结构，选择摩擦副的材料和热处理方式，给予充分合理的润滑；另一方面可采用条件性计算，如限制比压p；比压p与速度v的乘积pv值来保证零件表面的边界膜不被压坏；限制两接触零件表面的摩擦功，以保护零、部件表面不产生过量磨损和胶合失效。腐蚀，迄今为止还没有提出相应的计算方法，因而只好从材料选择和工艺措施两方面来提高零、部件的防腐蚀能力。例如，选用耐腐蚀的材料，采用发兰、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等表面保护措施。振动稳定性准则振动稳定性：若某一零、部件本身的固有频率与激振源的频率重合或成整倍数关系时，这些零、部件就会发生共振，此时零、部件的振幅急剧增大。振动稳定性准则：对易于丧失振动稳定的高速机械应进行振动分析和计算，以确保零、部件及系统的振动稳定性。可靠性设计准则可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性设计准则：确保所设计的机械有一定的可靠性。§2.3机械零件的材料选用原则常用的材料有：钢、铸铁、有色金属和非金屑材料等。将分别介绍根据经验而推荐的适用材料。选择材料的一般原则：载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的尺寸和质量零件结构的复杂程度及材料的加工可能性材料的经济性材料的供应情况§2.4机械零件的结构工艺性结构工艺性：指在既定的生产条件下，能方便而经济地生产出满足使用性能要求的零部件，并且便于装配成机器。使机械零件具有良好的结构工艺性是设计机械零件应满足的基本要求之一，它贯串于毛坯制造、切削加工、热处理及装配等各个阶段。铸造工艺性模锻工艺性焊接工艺性热处理工艺性切削加工工艺性装配工艺性结构工艺性零件的结构应与生产条件、批量大小及尺寸大小相适应零件造型应简单化零件的结构应适合进行热处理零件的结构应保证加工的可能性、方便性和精确性零件的结构应保证装拆的可能性和方便性§2.5机械设计中的标准化标准化，就是通过对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差与配合、制图规范等制定出大家共同遵守的标准。基本特征是统一、简化。设计出的零件结构应保证不仅能够进行装配与拆卸，而且很方便。标准化是组织现代化大生产的重要手段，也是实行科学管理的重要措施之一。因此，对于机械设计工作来说，标准化的作用是很重要的。§2.5机械设计中的标准化其意义在于：(1)能以最先进的方法在专门化的工厂中对那些用途最广泛的零部件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本。(2)统一了材料和零部件的性能指标，使其能够进行比较，提高了零部件性能的可靠性。(3)采用了标准结构和标准零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量。(4)零件的标准化便于互换和机器的维修。机械行业的三个等级标准：国家标准(GB)行业标准(如JB、YB等)企业标准。§2.6机械零件的载荷和应力载荷：静载荷、变载荷、名义载荷、计算载荷p5应力：静应力、变应力、变应力的分类、极限应力