第6章 机械零件设计和计算概论,6-1 机械零件设计概述 6-2 机械零件的工作能力准则 6-3 许用应力和安全系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化,基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能,机械设计基础机械零件设计和计算概论,6-1 机械零件机械零件设计概述,一、机械零件分类 二、机械零件设计基本要求 三、机械零件设计过程 四、机械零件传统设计方法,机械设计基础机械零件设计和计算概论,一、机械零件分类,机器：机械、机构的总称 构件运动的单元 零件制造的单元,机械设计基础机械零件设计和计算概论,通用 零件,传动件：齿轮、蜗杆、带、链,联接件：螺栓、键、花键,支承件：轴、轴承,机械零件,专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨,其它：联轴器、弹簧、机架,二、机械零件设计基本要求,1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求,机械设计基础机械零件设计和计算概论,三、机械零件设计过程,零件设计时的共性：,机械设计基础机械零件设计和计算概论,过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图,工作原理、结构、 类型、应用场合,受力分析、 失效形式,设计准则、 设计计算,四、机械零件传统设计方法,理论设计(半经验设计)：,机械设计基础机械零件设计和计算概论,类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新 模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计,强度条件(或刚度),设计计算,尺寸,校核计算,强度条件(或刚度),五、机械零件现代设计方法,优化设计：,机械设计基础机械零件设计和计算概论,模拟设计：,有限元,优化与仿真结合,CAD/CAM,6-2 机械零件的工作能力准则,一、机械零件常见失效形式 二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则 六、振动稳定性准则 七、耐热性准则,机械设计基础机械零件设计和计算概论,一、机械零件常见失效形式,失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等,机械设计基础机械零件设计和计算概论,例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振,刚度问题,耐磨性问题,F,n,二、工作能力准则,工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力” 如： 吊钩最大起重量50 kN 工作能力或承载能力50 kN,机械设计基础机械零件设计和计算概论,工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则,50 kN,三、强度准则,机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力许用应力 或 ,机械设计基础机械零件设计和计算概论,针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形 典型零部件：轴、齿轮、 带轮等,正应力：,剪应力：,极限应力,四、刚度准则,刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：j j,机械设计基础机械零件设计和计算概论,针对失效形式：过大的弹性变形 典型零部件：轴、蜗杆等,五、耐磨性准则,耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P ,机械设计基础机械零件设计和计算概论,针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等,六、振动稳定性准则,共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值 振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp,机械设计基础机械零件设计和计算概论,针对失效形式：共振产生的工作失常 典型零部件：轴等,七、耐热性准则,高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等 耐热性准则：工作温度低于许用值,机械设计基础机械零件设计和计算概论,针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变 典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等,6-3 许用应力和安全系数,一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数,机械设计基础机械零件设计和计算概论,一、载荷,载荷：作用于零件上的力或力矩 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 名义载荷：理想工作条件下的载荷 计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷,计算载荷=K 名义载荷,机械设计基础机械零件设计和计算概论,载荷系数,二、应力,静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力（非周期性循环变应力）,机械设计基础机械零件设计和计算概论,稳定变应力：对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变应力,应力参数,以正应力s为例 最大应力: smax= sm+sa 最小应力: smin 应力幅: sa,机械设计基础机械零件设计和计算概论,平均应力: sm 循环特征: r,smin,smax,sm,静应力,应力表达： s+1（ t+1 ） 最大应力: smax 最小应力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,机械设计基础机械零件设计和计算概论,sm,脉动循环变应力,应力表达： s0（ t0 ） 最大应力: smax 最小应力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,机械设计基础机械零件设计和计算概论,sm,对称循环变应力,应力表达： s-1（ t-1 ） 最大应力: smax 最小应力: smin 应力幅: sa 平均应力: sm 循环特征: r,机械设计基础机械零件设计和计算概论,三、极限应力,1 静应力下的极限应力 与材料性能有关 脆性材料取强度极限sB(tB),机械设计基础机械零件设计和计算概论,塑性材料取屈服极限sS(tS),sB,sp,sS,sB,2 变应力下的极限应力,疲劳极限：依据防疲劳断裂的准则确定 材料经过N0次应力循环不发生破坏的应力最大值sr(tr),机械设计基础机械零件设计和计算概论,各种材料的sr可从有关手册中查取,有限寿命区,无限寿命区,四、许用应力和安全系数,许用应力：设计零件时所依据的条件应力,机械设计基础机械零件设计和计算概论,安全系数许用应力结构笨重 安全系数许用应力不够安全,许用应力,极限应力,安全系数,许用应力确定,1 查许用应力表 根据实践经验制成表格选取,机械设计基础机械零件设计和计算概论,2 部分系数法 S=S1S2S3 S1：计算载荷和应力准确性系数（11.5) S2：材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢:1.21.5） S3：零件重要性系数（11.5),6-4 常用材料及其选择,一、常用材料 二、热处理方法 三、材料力学性能指标 四、材料选择原则,机械设计基础机械零件设计和计算概论,一、常用材料,常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含量1.4常用 碳素钢：（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵 合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：含（0.150.6）易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料： 工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料,机械设计基础机械零件设计和计算概论,二、热处理方法,1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理,机械设计基础机械零件设计和计算概论,热处理比较,1 退火 降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力 2 正火 用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性， 易于切削，减少应力,机械设计基础机械零件设计和计算概论,3 淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火 4 回火 消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性 中温回火：高弹性、硬度中等 高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质淬火+高温回火),正火(空冷),退火(炉冷),回火,加热,保温,淬火,表面热处理,表面热处理：表面增硬，芯部韧 表面淬火法（火焰加热、感应加热） 化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）,机械设计基础机械零件设计和计算概论,三、材料力学性能指标,强度： 弹性极限： sP 抗拉强度： sB 屈服强度： sS(s0.2),机械设计基础机械零件设计和计算概论,硬度： HBS:布氏硬度 硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450 HRC:洛氏硬度 120金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件 HV:维氏硬度 136 金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf 三种硬度单位之比较： HV(维氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBS,sp,sS,sB,四、材料选择原则,使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度. 工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法. 经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率.,机械设计基础机械零件设计和计算概论,6-5 机械零件的工艺性和标准化,一、工艺性 主要体现在下面三个方面： 1. 毛坯选择合理 铸件、锻件、 型材 ？单件生产、批量生产？ 2. 结构设计合理 几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀. 3. 制造精度及表面粗糙度选择合理 二、标准化 品种规格的系列化、零部件的通用化、产品质量标准化 国际标准ISO、国家标准GB、行业标准(JB、YB、QB)、企业标准 标准又分为强制性（GB）和推荐性（GB/T）两种 这些标准在机械手册中可以查到，我们应学会查手册,机械设计基础机械零件设计和计算概论,6-5 机械零件公差与配合,一、公差 公差系列 等级：118级，1级最高。 常用413级，一般自由公差1213级，加工件69级。 形位公差,机械设计基础机械零件设计和计算概论,二、配合 基轴制：小写字母 基孔制：大写字母,机械设计基础机械零件设计和计算概论,机械设计基础机械零件设计和计算概论,