第九章 机械零件设计概论

1第九章机械零件设计概论本章从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性。本章阐明机械零件设计计算的共性问题2§9—1机械零件设计概述1、机械零件设计的要求（1）、失效：零件失去正常工作的能力机械设计的要求是：工作可靠、成本低廉2、机械零件设计中常用名词（2）、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。（3）、承载能力：对载荷而言，在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。34、计算准则：衡量零件工作能力的指标约束条件式][（刚度准则）（耐磨性准则）（振动稳定性准则）（耐热性准则）（强度准则）][为材料的许用应力（6）、摩擦传动的打滑（5）、联接的松弛（4）、强烈的振动（3）、工作表面的磨损（2）、过大的弹性变形（1）、断裂或塑性变形3、零件失效的原因：4零件设计的一般方法：根据一个或几个可能发生的失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。机械零件的设计步骤：1、拟订零件的受力分析图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。第四步的计算值还要根据零件制造的工艺要求加以修正。5、绘制零件图并标注必要的技术要求。5§9—2机械零件的强度载荷的分类（1）循环变载荷a)稳定循环变载荷b)不稳定循环变载荷（2）随机变载荷4）、静载荷：不随时间变化的载荷5）、变载荷：1）名义载荷：在理想平稳的工作条件下作用在零件上的载荷2）计算载荷：在名义载荷中加入了机械运转时各种附加载荷对零件的影响，这种影响用载荷系数K或工作情况系数K表示3）名义载荷与计算载荷之间的关系：计算载荷=载荷系数与名义载荷的乘积6静应力：不随时间变化的应力一、应力的种类变应力：随机变应力循环变应力，周期性的变应力，7稳定循环变应力的基本参数和种类a)基本参数应力循环特性ammaxammin2maxmm2maxmamaxmin最大应力最小应力平均应力应力幅11b)稳定循环变应力种类：-1γ+1——不对称循环变应力γ=+1——静应力γ=–1——对称循环变应力γ=0——脉动循环变应力8-1γ+1——不对称循环变应力γ=–1——对称循环变应力γ=+1——静应力γ=0——脉动循环变应力9静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。塑性材料的许用应力：材料的屈服极限和强度极限都可在材料手册中查出三、静应力下的许用应力ssS为材料的屈服极限脆性材料的许用应力：bbS为材料的强度极限sb101、失效形式：变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。2、疲劳破坏特征：四、变应力下的许用应力1）断裂过程：①产生初始裂纹（应力较大处）②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）②粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限113、疲劳破坏的机理：损伤的累积4、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。12)(11NNNN1N15、材料的疲劳曲线和极限应力图——疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线No—循环基数—疲劳极限有限寿命区NON0N无限寿命区1N11）有限寿命区当N103(104)—低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算13问题：一对齿轮做单向传动，轮齿的弯曲应力可看成哪类循环变应力？14)]1()1[()1(222121EEbFH高副零件工作时，理论上是点接触或线接触→实际上由于接触部分的局部弹性变形而形成面接触→由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大。该应力称为接触应力。在表面接触应力作用下的零件强度称为接触强度计算依据：弹性力学的赫兹公式1、接触应力a)两圆柱体接触2HmaxHmaxF2abF1bpFEEEEH418.0,,3.0max2121§9-3机械零件的接触强度15b)两球接触3222121max]111[1EEpbFH322max2121388.0,,3.0pFEEEEH时Hmax2FHmax2c1FρΣ——综合曲率半径内接触外接触21111ppp21maxFH31maxFH说明：1）圆柱体，球∴σHmax与F不呈线性关系163）同样的p1、p2下，内接触时ρΣ较小，σHmax较小，约为外接触时的48%，∴重载情况下，采用内接触，有利于提高承载能力或降低接触副的尺寸。211maxpH321maxpH2）圆柱体，球∴ρΣ越大，σHmax越小2、失效形式静应力:表面压碎——脆性材料,表面塑性变形——塑性材料变应力：疲劳点蚀——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。173、提高接触疲劳强度的措施1）控制最大接触应力2）提高接触表面硬度，改善表面加工质量3）增大综合曲率半径ρΣ4）改外接触为内接触，点接触→线接触5）采用高粘度润滑油HH][max18运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象成为磨损。零件抗磨损的能力成为耐磨性磨损类型：§9-4机械零件的耐磨性4、腐蚀磨损：化学反应和电化学反应造成3、疲劳磨损（点蚀）：载荷重复作用使表层金属小片脱落2、粘着磨损（胶合）：接触面材料由一个表面转移到另一个表面1、磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰在摩擦过程中引起的材料脱落现象19§9-5机械制造常用材料一、机械零件的常用材料1、黑色金属铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁（含碳量小于2%的铁碳合金）铸钢——铸造性比铸铁差，但比锻钢和轧制钢好。强度性比铸铁好，但比锻钢和轧制钢差碳钢与合金钢——应用最广泛2、有色金属a)铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近b)铜合金——黄铜：Cu与Zn合金青铜：Cu与Sn的合金无锡青铜：Cu与铝、硅、锰、镍的合金。203、非金属材料塑料——轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体陶瓷——电热性好，硬度高橡胶——弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件4、复合材料二、机械零件材料选用的原则1、使用要求2、工艺要求3、经济性要求