机械零件设计概论.ppt

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1、武汉科技大学专用,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机械制造常用选择,9-6公差与配合、表面粗造度和优先数系,9-7机械零件的工艺性和标准化,第9章机械零件设计概论,武汉科技大学专用,设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：,使用功能要求,9-1机械零件设计概述,使用功能要求-机器应具有预定的使用功能。这主要靠正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实

2、现。,一、机械设计应满足的要求-在满足预期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美观，在预定使用期限内要安全可靠，操作方便、维修简单。具体要求如下：,经济性要求,劳动保护要求,可靠性要求,其它专用要求,武汉科技大学专用,经济性要求-机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计机器时就要全面综合地进行考虑。设计制造的经济性表现为机器的成本低，使用经济性表现为高生产率，高效率，低能耗，以及低的管理和维护费用等。,使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求,武汉科技大学专用,提高设计和制造经济性指标的主要途径有:,1）采用先进的现代设计方法(CAD)，使设计参数最优化,达

3、到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。,2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。,3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。,4）合理地组织设计和制造过程。,5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。,武汉科技大学专用,1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。,提高使用经济性指标的主要途径有:,2）选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期降低能源消耗。,3）适当地采用防护及润滑，以延长机器的使用寿命。,4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象。,武汉科技大学专用,1)要使机器的操作者方便和安全。因此设计时要按照人机工程学的

4、观点布置各种按钮、手柄，使操作方式符合人们的心理和习惯。同时，设置完善的安全装置、报警装置、显示装置等。,2）改善操作者及机器的环境。所设计的机器应符合劳动保护法规的要求。降低机器运转时的噪声水平，防止有毒、有害介质的渗漏，对废水、废气和废液进行治理。,使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求,武汉科技大学专用,机器的可靠度-指在规定的使用时间内和预定的环境下机器能够正常工作的概率。,机器由于某种故障而不能完成预定的功能称为失效，它是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使

5、其变化尽可能小。,使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求,武汉科技大学专用,其它专用要求-针对不同机器所特有的要求。例如：1)对机床有长期保持精度的要求；,2)对飞机有质量小，飞行阻力小而运载能力大的要求；,3)对流动使用的机器有便于安装和拆卸的要求；,4)对大型机器有便于运输的要求等等。,使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求,武汉科技大学专用,1、机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。,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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：,承载能力。,例如：发生强烈的振动；联接的松

6、弛;摩擦传动的打滑等。,二、机械零件的主要失效形式,整体断裂;,过大的残余变形;,工作表面的过度磨损或损伤;,破坏正常的工作条件;,零件的失效形式,如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为,武汉科技大学专用,机械零件失效的实例：,武汉科技大学专用,失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。,统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。,-主要失效原因。,武汉科技大学专用,先参照实物（或图纸）和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行计算,1、机械零件的设计计算,三、机械零件的计算,2

7、、机械零件的校核计算,武汉科技大学专用,四、机械零件的研究方法,一般机械零件教材，对通用机械零件进行六个方面的研究。,工作原理,失效形式,常用材料,承载能力计算,参数选取,结构设计,武汉科技大学专用,机械零件设计的一般步骤,1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的不同类型、优缺点、特性和使用范围等，进行综合对比与正确选用。,2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。,3)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如高温环境等)选择适当的材料。,4)根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通过计算，确定零件的基本尺寸。,5)根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计。,

8、6)细节设计完成之后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。,7)绘制零件工作图，并撰写计算说明书。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,选择零件类型、结构,零件的设计流程图：,武汉科技大学专用,一、名词解释：,9-2机械零件的强度,1、名义载荷：,在理想的平稳的工作状态下作用在零件上的载荷称为名义载荷。,2、载荷系数K：,机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引用载荷系数K的办法来估计这些因素的影响。,3、计算载荷：,载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。,4、名义应力：,按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力。,5、计算应力：,按照计算载荷求得的压力，称为计算应力。,武

9、汉科技大学专用,二、强度条件,比较危险截面处的计算应力,是否小于零件材料的许用应力、。,即：,=lim/S,=lim/S,limlim分别为极限正应力和极限切应力。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,1、应力的种类,脉动循环变应力,r=0,静应力:=常数,变应力:随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r=-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r=+1,静应力是变应力的特例,武汉科技大学专用,1）静应力下的许用应力,2、许用应力,即：,lim-材料的极限应力,脆性材料：lim=B(强

10、度极限),塑性材料：lim=S(屈服极限),=lim/S,S为大于1的数，S过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。,2）变应力下的许用应力,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,a)变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。,疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;,疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;,疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。,不管脆性材料或塑性材料，,零件表层产生微小裂纹；,疲劳断裂过程：,随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展；,当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂。,疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。,疲劳断裂具

11、有以下特征：,断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。,表面光滑,表面粗糙,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,b)sN疲劳曲线,用参数max表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：,sN疲劳曲线,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和r。,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：,实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。,可用下式描述：,于是有：,104,103,武汉科技大学专用,试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数

12、的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力（maxr），则无论循环多少次，材料都不会破坏。,潘存云教授研制,我们将N0称为应力循环基数。,黑色金属：N0=106107,武汉科技大学专用,c)、lim疲劳极限,零件在变载下工作，能长期工作而不发生疲劳裂纹的极限应力值,d)、许用应力：,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,93机械零件的接触强度,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,若两个零

13、件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,接触失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,由弹性力学可知，应力为：,对于钢

14、或铸铁取泊松比：1=2=0.3,则有简化公式。,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触，“-”用于内接触。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,H-最大接触应力或赫兹应力;,b-接触长度;,Fn-作用在圆柱体上的载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,武汉科技大学专用,黑色金属,有色金属,铸铁,钢,金属材料,一、常用材料,低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）,灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5),9-5机械制造常用材料及其选择,铝合金(LY12),铜合金(ZCuSn10P1)

15、,铸铁-灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。,特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。,应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。,武汉科技大学专用,黑色金属,有色金属,铸铁,钢,金属材料,一、常用材料,低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）,灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5),铝合金(LY12),铜合金(ZCuSn10P1),钢-低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢、结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、铸钢等。,特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善

16、其力学性能和加工性能。,9-5机械制造常用材料及其选择,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,钢的选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,钢制零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。,应用：应用范围极其广泛。,价格便宜且供应充分,我国资源丰富,武汉科技大学专用,黑色金属,有色金属,铸铁,钢,金属材料,低碳钢(08F)中碳钢(45)高碳钢(60)合金钢(1Cr18）,灰铸铁(TH300)球墨铸铁(QT500-5),铝合金(LY12),铜合金(ZCuSn10P1),铜合金,-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍,特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。,青

17、铜,黄铜,轴承合金（巴氏合金）,-含锡青铜、不含锡青铜,武汉科技大学专用,零件毛坯获取方法：辗压、铸造。,应用：应用范围广泛。,高分子材料,复合材料,陶瓷,非金属材料,-塑料、橡胶、合成纤维。,-强如钢、轻如铝、硬如金刚石。,-强度高、弹性模量大、质量轻。,橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。,塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。,武汉科技大学专用,载荷及应力的大小和性质,零件的工作

18、情况,零件的结构及加工性,材料的经济性,零件的尺寸及重量,二、机械零件材料的选用原则,适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。,选材的一般原则,武汉科技大学专用,脆性材料-只适用于制造在静载荷下工作的零件；,1.载荷及应力的大小和性质,2.零件的工作情况,-指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损程度等。,这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择。,金属材料的性能一般

19、可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。对于常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到机械性能不同的毛坯。,塑性材料-适用于在有冲击情况下工作的零件。,在湿热环境下工作的零件，其材料应具有良好防腐蚀能力，可选用不锈钢、铜合金等。,武汉科技大学专用,零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。,3.零件的尺寸及重量,两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大，一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动，另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况。,零件在工作中可能发生磨损的表面，应提高其表面硬度，增加耐磨性，因此应选择淬火钢、渗碳钢、氮化钢。,用铸造材料制

20、造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；,而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。,应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。,武汉科技大学专用,材料的加工费用;,5.材料的经济性,选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。,6.材料的供应状况,材料的经济性主要表现在以下几方面：材料本身的相对价格;,材料的利用率;,采用组合结构;,节约稀有材料。,各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。,为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量减少一台机器

21、所用材料的品种。,武汉科技大学专用,潘存云教授研制,武汉科技大学专用,1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。,定义：标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；,3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。,9-7机械零件的工艺性及标准化,武汉科技大学专用,基本特征：统一、简化。,意义：1)制造上可以实

22、现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；,2)设计方面可减少设计工作量；,3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。,标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。,标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为：ISOGBJB、HBQB,推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。,标准性质,强制标准（GB）-必须强制执行；,作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。,武汉科技大学专用,强制性国家标准：代号为GB(为标准序号)(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。,推荐性国家标准：代号为GBT，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。,