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第九章 机械零件设计概论,第九章机械零件设计概论,9-1机械零件设计概述 9-2机械零件的强度 9-3 机械零件的接触强度 9-4机械零件的耐磨性 9-5机械制造常用材料及其选择 教学基本要求与重点,一、失效分析. 1.失效的定义：各种机械零件在运行中由于某种原因不能正常工作。 2、机械零件设计的中心问题： 如何保证零件在预期的寿命内不失效。零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。 3、失效形式 1）.断裂：占总失效的5 零件在（拉、压、弯、扭）的载荷作用下，B（材料的强度极限）就可能发生断裂。 疲劳断裂 过载,9-1机械零件设计概述,3、失效形式： 1）断裂：占总失效的5 2）过大的残余变形 在载荷的作用下S则产生残余变形。,3）零件的表面破坏：占74 表面磨损 4）接触疲劳 在接触变应力长期作用下,产生点蚀 5）腐蚀 在有害介质中，如 柴油机缸套 生锈 6）正常工作条件破坏引起的失效 动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏 带传动：过载打滑 高速回转零件：共振,二、设计机械零件时应满足的基本要求 总要求：避免失效、提高效益。 在预定的使用期限内（预定寿命）不失效 例如： 齿轮转动寿命15年、每年300天、两班制720h 为使机械零件具有预定寿命，从零件的工作能力出发要求零件具有一定的强度、刚度和寿命。 强度：材料抵抗负载的机械性能。 使零件具有适当的强度是设计时必须满足的最基本要求。 刚度：承受单位载荷时的变形。 对精密零件或弹性变形过大会影响机器工作性能。 寿命：在特定条件下，零件工作持续时间称为零件寿命。由于质量、磨损、腐蚀等原因，零件达不到预期寿命。,三、机械零件的计算准则，即设计计算应满足的条件或设计计算依据。 1.强度准则 lim/s= 2. 刚度准则： 弹性变形允许极限值。例yy。 3.寿命准则： LnLn 滚动轴承 4.可靠性准则： 机械性设计可靠度 R(t)=N/N。 N。总数 N滚动轴承失效数106 转 R(t)=0.90,四、机械零件的设计方法 1.传统的设计方法 1）理论设计 依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。 .设计计算，可以简化成简单力学模型。 根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。 拟订安全条件（或y） 计算零件危险剖面的尺寸。 根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计 AF/ 如：齿轮传动、螺栓联接,.校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件 先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局和有关尺寸。 根据工作能力准则校核危险剖面尺寸,2）经验设计，类比设计 根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关系式，或根据本人经验进行零件的结构设计。 对关键部分进行校核 如：箱体、机架、齿轮结构、带轮机构 3）模型实验设计 做成小模型、小样机，经过各种检验和反复修改，使用于尺寸巨大，结构复杂的重型整体零件或特别重要的设计。,2.现代设计方法： CAD计算机辅助设计、优化设计、有限元法等。,五、机械零件设计的一般步骤 1.选取零件的类型和结构； 要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围有透彻了解。 2.受力分析 根据机器运动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷 3.选取材料 根据工作条件，对零件的特殊要求 4.失效分析，确定计算准则 通过计算确定立功脑筋基本尺寸或主要参数 5.进行零件的结构设计 绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。,一、载荷和应力： 1.载荷 a.静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。 b.动载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。 在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。 Fc=K*FTc=K*T 2.应力 静应力：不随时间而变的应力。 变应力：不断随时间变化的应力。 大多数零件都是处于变应力状态下工作。,9-2机械零件的强度,二、静应力作用下的强度计算,calim/S 其中：ca-计算应力 lim-极限应力 S-安全系数 1.工作应力：按材料力学的计算公式求出的作用在零件剖面上的产生应力。 例如：拉伸应力，弯曲应力b，扭剪应力。 2.计算应力：零件危险剖面上如呈现复杂应力状态时，按某一强度理论求出的与单向拉伸具有同等破坏作用的应力。 lim-极限应力。对于塑性材料用屈服极限s，脆性材料用强度极限b 。 S-安全系数。极限应力与许用应力的比值S=lim/。 3.如果危险剖面上呈现单向应力状态时，工作应力就是计算应力。,三、变应力时机械零件的强度计算：,1.变应力的种类：,循环特性：r=min/max,对称循环变应力r=-1 m=0 a=max=-1,脉动变应力r=0 ， m=a min=0 max=a+m,非对称循环变应力-1r<0, 0<r<1,2.变应力下的破坏形式：,疲劳破坏,A、疲劳断裂的特征： 1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低，甚至比屈服极限低。 2）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。 3）疲劳断裂是损伤的积累。 形成过程：表面初始裂纹裂纹扩展断裂。 其断口有明显的光滑区和粗糙区。 零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而且应力的循环特性r、应力循环次数N、应力集中、零件的表面状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。,2.变应力下的破坏形式：,B、疲劳曲线：在任一给定的循环特定条件下，表示应力循环次数N与疲劳极限r关系的曲线成为-N曲线,当N超过No ，曲线趋向水平，可以认为在“无限次”循环时，试件不会断裂。 No称为循环基数，对应于No时的极限应力r ，称为材料的疲劳极限。,循环次数N<No时称为有限寿命,3.变应力作用下的许用应力：,变应力下，取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑由零件的的几何尺寸变化所产生的应力集中、绝对尺寸和表面状态等影响。 当r-1时，,当r=0时,：应力集中系数,：尺寸系数,：表面状态系数,以上为“无限寿命”零件的许用应力,强度计算：,一、接触应力,两个零件在受载前是点、线接触，受载后，在接触区附近产生的应力和变形，称为接触应力和接触变形。,接触应力多为变应力，在这种情况下产生的失效是疲劳点蚀,9-3 机械零件的接触强度,9-3 机械零件的接触强度,二、接触强度计算,影响疲劳点蚀的主要因素是接触应力的大小。,Fn载荷L接触长度 圆柱体的曲率半径 泊松比E材料的弹性模量,磨损:摩擦过程带来了表面材料的丧失和转移的现象。,磨损的危害： 1影响机器的质量例如，齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。 2降低了机器的效率例如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。 3减少了机器的可靠性例如断齿，钢轨磨损。,9-4机械零件的耐磨性,9-4机械零件的耐磨性,磨损的分类 1粘着磨损： 当摩擦表面的微凸体在相互作用的各处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面转移到另一个表面，便形成粘着磨损。 影响粘着磨损的因素： (l)同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着； (2)脆性材料比塑性材料抗粘着能力高； (3)在一定范围内，零件的表面粗糙度值越小，抗粘着能力也越强。,2磨料磨损 摩擦面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰尖，在摩擦过程中引起的材料脱落现象叫磨料磨损。 影响的因素有以下几个方面： (l)一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好 (2)一般金属的磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大 (3)磨损量随着磨粒硬度的增大而加大,3疲劳磨损(也叫疲劳点蚀或点蚀) 在滚动或兼有滑动的高副中，受到反复作用的接触应力时，如果该应力超过材料相应的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的发展，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现小坑，这就是疲劳磨损也叫点蚀。,4腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质产生化学反应或电化学反应，在相对运动中造成表面材料的损失叫腐蚀磨损。,一、常用材料,1.钢：,含碳量2%的铁碳合金,1）碳素结构钢：牌号为Q215、Q235等,主要用于一般要求的机械零件，如连杆、拉杆、钢筋、地脚螺栓、钢板等,2）优质碳素钢：牌号表示，用钢中含碳量的万分数表示，例45,C0.25%为低碳钢：强度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、冲压件等 C为0.30.5%为中碳钢：具有综合的机械性能，用作齿轮、轴等零件 C为0.550.7的钢：用作制造弹簧、钢丝绳等,机械零件常用的材料有：钢、铸铁、有色金属和非金属材料。,9-5机械制造常用材料及其选择,3）合金结构钢：在钢中加入镍、铬、锰、钼、钒等元素的钢。,牌号表示,数字化学元素数字,含C量,元素名称,元素的平均含量，以1%为单位,例：60Si2Mn,表示平均含C量0.6%，含Si量2%， 含Mn量1.5%,用于:重要的零件或需要某种特殊性能的零件。,9-5机械制造常用材料及其选择,一、常用材料1.钢,9-5机械制造常用材料及其选择,一、常用材料1.钢,4）铸钢：,用于形状复杂、尺寸较大的零件。,2铸铁：含碳量2%的铁碳合金。,1）灰铸铁：C大部分以片状石墨形状存在其基体中,特点：强度低，塑性低，铸造性好，减磨性、消震性好，切削性好,用途：机床身，箱体，带轮等,2）球墨铸铁：C以球状石墨存在基体中,特点：强度提高，塑性提高，比灰铁贵，比钢便宜。,用途：柴油机曲轴，汽缸套，活塞等,9-5机械制造常用材料及其选择,二、选用原则,一）使用要求 1.根据零件承受载荷情况和工作条件选取： a 一般情况下均选用碳素钢45调质处理轴，齿轮 b 承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧凑时 采用低碳钢合金钢渗碳淬火，如18CrMnTi齿轮轴 c 载荷比较稳定时可选铸铁。 如：HT250、机床，箱体，床身。 d 在高温下工作的零件选耐磨热材料4Cr9Si2 e 在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金、轴承,2.受尺寸重量限制时： a 一般情况下采用碳素钢锻造毛坯 b 要求尺寸及重量及小时可采用高强度合金钢 c 零件尺寸重量较大时且结构复杂时采用铸造毛坯，可选：铸铁(批量)、铸钢(单件)或板材冲压后焊接,9-5机械制造常用材料及其选择,二、选用原则,一）使用要求,二）工艺要求： 选材料时要考虑材料的工艺性 铸 造：流动性好 锻 造：还原性、热脆性 机加工：易切削性 热处理：可淬性、淬火变形、淬造能力,三）经济性要求： 材料价格：铸铁 1、钢 2、合金 810、普通钢1、优质钢1.5.8、合金钢1.72.5、轴承钢3、工具钢320、耐热钢5 材料加工费用：重量大，加工量大 材料利用率,