机械零件设计与计算

第六章机械零件设计和计算概论本章主要介绍机械零件的工作能力准则，机械零件常用材料及其选择，零件许用应力和安全系数。第1页§6-1机械零件的工作能力准则§6-2机械制造中常用材料及其选择§6-3许用应力和安全系数第2页§6-4机械零件的工艺性和标准化一、机械设计的基本要求

1、对机械设计的要求

a)对机器使用功能方面的要求。

b)对机器经济性的要求。2、对机械零件设计的基本要求

a)有足够的强度和刚度，有一定的耐磨性，无强烈的振动，具有耐热性。

b)

要尽量降低零件的生产、制造成本。§6-1机械零件的工作能力准则

第3页

1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷

2）选择零件的基本类型与结构。

3）选择零件的材料。

4）按可能的失效形式确定零件的计算准则，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和圆整。

5）零件的结构设计。

6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。

二、机械零件设计的一般步骤第4页三、机械零件的失效形式

失效——零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能。失效形式——强度失效、刚度失效、磨损失效、振动、精度失效、噪声失效、可靠性失效。四、机械零件的计算准则

工作能力——零件不发生失效时的安全工作限度。

计算准则——以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则。第5页1、强度准则

强度——零件在载荷作用下抵抗破坏的能力。

S——安全系数：考虑到载荷、机械性能均匀性、零件重要程度而选取的系数，S≥1。第6页2、刚度准则

刚度——零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。y——可以是挠度、偏转角或扭转角。

3、耐磨性准则

磨损性——作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。第7页典型的磨损过程：

1、磨合磨损过程

2、稳定磨损阶段

3、急剧磨损阶段

磨料磨损胶合磨损疲劳点蚀第8页5、耐热性准则

4、振动和噪声准则

机器工作时不能发生超过容许的振动现象。温度升高零件承载能力降低。引起热变形及附加热应力，蠕变。破坏正常的润滑条件，改变联接零件间的间隙，降低机器的精度。第9页返回节目录§6-2机械制造中常用材料及其选择一、机械零件的常用材料

1、黑色金属

碳钢与合金钢——应用最广泛。铸铁——脆性材料，只适用于铸造零件，可铸造成形状复杂的零件。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。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。第10页钢制零件常常用的热处处理方法：：１、退火２、正火加热到临界界温度，保保温，随炉炉温冷却。。消除内应力力，改善切切削性能。。静止空气中中冷却，提提高硬度及及刚度，部部分消除内内应力。３、淬火急速冷却（（水冷或油油冷），大大大提高了了硬度，产生很大的的内应力。。４、回火淬火钢重新新加热到临临界温度以以下，保温温，静止空空气中冷却却，消除内应力力，保持高高硬度。第11页低温回火150－250———刀具，量具具滚动轴承承中温回火300－450———弹簧高温回火450－650（调质）——齿轮，轴，，重要螺栓栓5、表面热处处理1）表面淬火火火焰加热、、感应电流流加热。常用于：齿齿轮、中轴轴、曲轴。。2）化学热处处理渗碳、氮化化、氰化第12页2、有色金属属1)铝合金——重量轻、导导热导电性性较好、塑塑性好、抗抗氧化性好好2)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、镍的的合金3、非金属材材料橡胶——弹性、绝缘缘性好，常常用作弹性性元件和密密封元件、、减震元件件。塑料——轻、易加工工成形、减减摩性好，，强度低，，可作为普普通机械零零件、绝缘缘体。陶瓷——电热性好，，硬度高。。4、复合材料料第13页二、机械零零件材料选选用的原则则1、使用要求求2、工艺要求求3、经济性要要求第14页返回节目录录§6-3许用应力和和安全系数数不随时间变化或变化缓慢的应力。1、静应力——一、应力的的分类2、变应力——随时间变化化的应力。。循环变应力力——具有周期性性的变应力力。1)基本参数:平均应力:应力幅:最大应力:最小应力:第15页2）变应力种种类：表示变应力力中应力变变化的情况况。应力循环特特性:-1<γ<+1————不对称循环环变应力γ=0————脉动循环变变应力γ=+1———静应力γ=–1———对称循环变变应力第16页稳定循环变变应力——T、σm、σa均不变第17页二、选择许许用应力的的方法许用应力——设计零件时时所依据的的条件应力力。1、查许用应应力表法2、部分系数数法安全系数：：S1——考虑计算载载荷及应力力准确性的的系数取取1～1.5S2——考虑材料机机械性能均均匀性的系系数S3——考虑零件重重要程度的的系数取取1～1.5第18页静应力下塑塑性材料失失效形式——塑性变形静应力下脆脆性材料失失效形式——断裂变应力作用用下机械零零件的失效效形式——疲劳断裂第19页疲劳破坏特特征：1）断裂过程程：①产生生初始裂纹纹。（应应力较大处处）②裂纹尖端端在切应力力作用下，，反复扩展展，直至产生疲疲劳断裂。。2）断裂面：：①①光滑区区（疲劳发发展区）②粗糙区（（脆性断裂裂区）3）无明显塑塑性变形的的脆性突然然断裂4）破坏时时的应力力（疲劳劳极限））远小于于材料的的屈服极极限。影响因素素：不仅仅与材料料性能有有关，变变应力的的循环特特性，应力循环环次数，，应力幅幅都对疲疲劳极限限有很大大影响。。疲劳破坏坏的机理理：损伤伤的累积积。第20页第21页塑性材料料拉伸断断口形貌貌脆性材材料拉拉伸断断口形形貌材料疲疲劳破破坏断断口形形貌光滑的的疲劳劳发展展区粗糙的的脆性性断裂裂区第22页——疲劳极极限，，材料料经过过N次应力力循环环后，，不发生生破坏坏的最最大应应力值值。疲劳寿寿命（（N）——材料疲疲劳失失效前前所经经历的的应力力循环环次数数N。疲劳曲曲线：：应力力循环环特性性一定定时，，材料料的疲疲劳极极限与与应力循循环次次数之之间关关系的的曲线线。N0

—循环基数

—持久极限第23页kσ——应力集集中系系数εσ——尺寸系系数β——表面状状态系系数变应力力下，，取材材料的的疲劳劳极限限为极极限应应力！！γ=0脉动循循环变变应力力下：：γ=––1对称循循环变变应力力下：：第24页返回节节目录录§6-4机械零零件的的工艺艺性和和标准准化一、工工艺性性——零件的的结构构既能能满足足使用用的要要求，，又便便于加加工，而而且加加工费费用最最少，，那么么这种种结构构就是是符合工工艺性性的。。1、选择择合理理的毛毛坯种种类。。2、零件件的结结构要要简单单合理理。3、规定定合理理的制制造精精度和和表面面粗糙糙度。。零件的的工艺艺性要要求：：将零件件的型型式、、规格格、试试验方方法、、质量量鉴定定及标标号等等标准准化，，在机机械制制造及及设计计中具具有重重大意意义。。第25页二、标标准化化标准化化：指指以制制定标标准和和贯彻彻标准准为主主要内内容的的全部部活动动过程程。标准化化的原原则：：统一一、简简化、、协调调、优优化。。标准化化的意意义：：1、制造造上专专业化化大量量生产产，提提高产产品质质量，，降低低生产产成本本。2、减轻轻设计计量。。3、维修修方面面，便便于更更换坏坏零件件。第26页第六六章小小结结第27页零件的的工作作能力力的基基本准准则?钢的常常用热热处理理?应力循循环特特性γ定义及及变应应力的的分类类?变应力力下零零件的的主要要失效效形式式是