机械设计9章概论.ppt

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1、前前 言言 机械零件设计概述机械零件设计概述 机械零件的强度机械零件的强度 机械制造中常用材料及其选择机械制造中常用材料及其选择 公差与配合、表面粗糙度和优先数列公差与配合、表面粗糙度和优先数列机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化2021/9/231前前 言言 例:机构齿轮机构(三个构件)齿轮1、齿轮2、机架3 轴、轴承、套筒等 轴系零件 构件零件制造的单元齿轮 传动件 键 联接件 12构件构件1(小齿轮)3(一一)机械零件的简介机械零件的简介:最基本的通用零件研究对象研究对象 机构构件运动的单元2021/9/232分析处理问题的思路分析处理问题的思路：（任务）设计零件*受力分析受

2、力分析（*载荷及应力分析功用、*工作原理）*失效形式失效形式（*主要失效形式分类）*计算准则计算准则（公式建立的依据）强度计算强度计算（*设计方法先定主参数*许用应力 材料）结构设计结构设计（尺寸及绘图结构特点、标准）(抓住)计算准则计算准则 学习贯穿一条线：2021/9/2339-1 机械零件设计概述 p.113(一一)机械设计应满足的要求机械设计应满足的要求满足预期功能的前提下满足预期功能的前提下在预定使用期限内在预定使用期限内性能好、效率高、成本低性能好、效率高、成本低安全可靠、操作方便、维修简单、造型完美安全可靠、操作方便、维修简单、造型完美2021/9/2349-1 机械零件设计概述

3、 p.113(二二)设计机械零件应满足的要求设计机械零件应满足的要求*避免在预定寿命周期内失效避免在预定寿命周期内失效机械零件由于某种原因不能正常工作在不发生失效的条件下,零件所能安全 工作的限度既要工作可靠,又要成本低 失效失效工作能力工作能力承载能力承载能力 对载荷而言2021/9/235(三三)机械零件的主要失效形式及计算准则机械零件的主要失效形式及计算准则断裂或塑性变形；弹性变形过大；表面过度磨损或损伤；强烈振动；连接的松弛；摩擦传动的打滑失效原因失效原因失效原因可能疲劳断裂 +过大弹性变形轴为例轴为例疲劳强度 轴的刚度计算准则计算准则2021/9/236(三三)机械零件的主要失效形式

4、及计算准则机械零件的主要失效形式及计算准则 计算准则计算准则强度准则 刚度准则 振动稳定性准则 其它准则主要介绍强度、刚度、耐磨性、稳定性、温度的影响失效形式失效形式2021/9/237机械零件设计的步骤机械零件设计的步骤：1）拟定零件的计算简图 根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸条件，确定零件的形状和主要尺寸2）确定作用在零件上的载荷 3）选择合适材料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5）根据零件的工艺要求和标准、规格加以圆整6）绘制工作图并标注必要的

5、技术条件2021/9/2389-2 机械零件的强度 名义载荷 载荷系数 计算载荷 名义应力 计算应力1.基本定义:理想的平稳条件下作用在零件上的载荷p.112名义载荷与载荷系数的乘积p.112p.1122021/9/2392.强度条件判定:许用应力法：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 许用应力法或安全系数法 安全系数法：危险截面处的安全系数是否许用安全系数2021/9/2310 循环变应力随时间作周期性变化的应力一、应力及分类:*一个应力循环一个应力循环构件中的应力由“最大值 最小值最大值”的这一过程。(maxmin)2 应力幅应力幅 aatm1.分类分类2.循环变应力的特征

6、及典型的循环变应力循环变应力的特征及典型的循环变应力*最大应力最大应力max*最小应力最小应力min 静应力不随时间变化变应力不断随时间变化平均值(平均应力平均应力m)2021/9/2311*变化规律minmax=应力循环特性应力循环特性 =1对称循环对称循环 图9-1.C 当min0(或max0)当maxmin 1 静应力静应力 图a=0 脉动循环脉动循环 图d 当m0(maxmin)tttt非对称对称=1脉动=0 静=+12021/9/2312失效形式失效形式：断裂或塑性变形 塑性材料应避免塑性变形二静应力下的许用应力 脆性材料断裂屈服极限强度极限=s/S=B/S2021/9/2313三变

7、应力作用下许用应力1.失效形式失效形式:2.疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征1）疲劳断裂最大应力远低于静应力下材料的强度极限2）断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂3）疲劳断裂是损伤的积累 疲劳断裂（图9-2 p.113)2021/9/2314疲劳断裂是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，发生突然断裂与应力循环次数（使用期限或寿命）密切相关。疲劳曲线疲劳曲线：应力与循环次数间的关系曲线当当NN0 :kN=1 -1N=-1 当当NN0:N1N0-1NNN0循环基数-1N：对应N的疲劳极限图9-3 p.116 N1:=1的疲劳极限(N=N0)kN：寿命系数2021/9/2315影响零件疲劳强

8、度的主要因素影响零件疲劳强度的主要因素:应力集中、尺寸、表面形状应力集中、尺寸、表面形状应力集中的影响：截面形状有突变，常用有效应力集中系数应力集中的影响：截面形状有突变，常用有效应力集中系数kk=-1/(-1)k绝对尺寸绝对尺寸的影响：尺寸的影响：尺寸 疲劳强度疲劳强度=(-1)d/(-1)d0表面状态表面状态的影响：表面光滑或经过强化处理的影响：表面光滑或经过强化处理 疲劳强度疲劳强度=(-1)/(-1)02021/9/2316许用应力许用应力:在变应力下确定许用应力，应取材料的疲劳极限为极在变应力下确定许用应力，应取材料的疲劳极限为极限应力，还考虑应力集中、尺寸和表面状态的影响限应力，还

9、考虑应力集中、尺寸和表面状态的影响对称循环变应力时对称循环变应力时脉动循环变应力时脉动循环变应力时注意注意:以上为无限寿命条件下的许用应力。若使用期限内，循环以上为无限寿命条件下的许用应力。若使用期限内，循环次数次数N小于循环基数小于循环基数N0时，应取对应于时，应取对应于N的疲劳极限。的疲劳极限。2021/9/2317四安全系数安全系数过大安全系数过大结构笨重；否则，不安全结构笨重；否则，不安全安全系数没有专门表格，可参考的原则安全系数没有专门表格，可参考的原则1）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力，可取）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力，可取1.2-1.5；对于塑性较差的材料或铸

10、钢件可取；对于塑性较差的材料或铸钢件可取1.5-2.5。2）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应选）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应选取较大安全系数。取较大安全系数。3）变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取）变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取1.3-1.7。4）也可用部分系数法来确定。）也可用部分系数法来确定。2021/9/2318例题步骤：1）受力分析FByFBxFx,Fy2021/9/23192）主要失效形式及其判定条件2021/9/2320例题（1）载荷的大小方向不变，轴内弯曲应力为对称循环变应力，循环特性-1。（2）A-A截面的弯曲应力弯矩：MA=FL，截面系数：

11、W=d3/32，弯曲应力b=MA/W（3）求各项系数：有效应力集中系数、尺寸系数、表面状态系数（4）疲劳强度校核：2021/9/2321例题2021/9/23229-3 机械零件的接触强度若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其表面产生很大的局部应力（称为接触应力），这时零件的强度称为接触强度）。表面强度不够，会发生表面损伤。2021/9/23232021/9/2324对于刚和铸铁 u=0.3最大接触应力或赫兹应力接触长度综合曲率半径综合弹性模量接触疲劳强度的判定条件：钢的经验公式：2021/9/2325例子（1）求法向压紧力（2）接触应力（3）验算表面接触强度2021/9/

12、23269-4 机械零件的耐磨性磨损：磨损：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象改改变尺寸和摩擦表面形状变尺寸和摩擦表面形状运动副间隙运动副间隙，精度，精度，效率，效率，振动噪音，振动噪音pp磨损的主要类型：磨损的主要类型：（1）磨粒磨损）磨粒磨损（2）粘着磨损（胶合）粘着磨损（胶合）（3）疲劳磨损（点蚀）疲劳磨损（点蚀）（4）腐蚀磨损）腐蚀磨损实用耐磨计算：实用耐磨计算：运动速度较高时，还应考虑单位时间接触面积的发热量运动速度较高时，还应考虑单位时间接触面积的发热量pvpv2021/9/2327 9-5 机械制造中常用材料及其选择 p.122一一.金属材料金属材料1.铸铁铸铁:含2，易溶性、

13、良好的液态流动性铸造铸造 减震性、耐磨性、切削性好且成本低常见铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁2.钢钢:含量2，具有较高的强度、韧性和塑性，并可用热处理改善其性能按用途分：结构钢、工具钢和特殊钢按化学成分：碳素钢和合金钢；碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越高，钢的强度高，塑性越低常用材料：钢和铸铁、其次有色金属合金2021/9/2328碳素结构钢碳素结构钢:含不超过0.7 0.25%的低碳钢，强度和屈服极限低，塑性高，适于冲压、焊接，螺钉、螺母、垫圈等0.3%C0.5%的中碳钢，综合力学性能较好，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴0.55%C0.7%的高碳钢，具有较高的强度

14、和弹性，常用作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等合金结构钢合金结构钢:钢中添加合金元素来改善钢的性能铸钢铸钢:液态流动性比铸铁差3.铜合金铜合金二二.非金属材料：橡胶、塑料非金属材料：橡胶、塑料2021/9/23299-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列一.极限与配合：p.124 互换性公 差：零件尺寸的两个极限尺寸之差上偏差上偏差下偏差下偏差基本尺寸：设计给定的尺寸，零线代表基本尺寸的位置公差带：代表上下偏差的两条直线所限定的区域2021/9/2330 同一基本尺寸的孔与轴的结合间隙间隙配合孔轴 过渡过渡配合孔轴或孔轴 过盈过盈配合孔轴配合：35H7/f735H7/r735H7/k7静联静联

15、接接动联接动联接配合制度2021/9/2331公差等级:轴(f7、k7、r7);孔孔(F7、H7、K7)(尺寸精度等级):120级，常用411级公差代号：轴小写 拉丁字母f、k、r 孔大写 H、G、K置于公差代号之后2021/9/2332基孔制孔的下偏差0配合制度:常用基孔制基轴制轴的上偏差02021/9/2333 零件表面的微观几何形状误差（评定）轮廓算术平均偏差(表面粗糙度)便于组织生产和降低成本32180 5 公比 ;10 公比=20 公比=;40 公比=p.126 倒2二.表面粗糙度 p.126 手册P.175三.优先数列:p.126 手册P.1172021/9/2334 9-7 机械零件的工艺性及标准化 p.127一一.工艺性工艺性:P127第6工艺性好易加工、装配，费用低基本要求基本要求：(1)毛抷选择合理(2)结构简单合理(3)规定适当的制造精度和表面粗糙度2021/9/2335 9-7 机械零件的工艺性及标准化 p.127二二.标准化标准化：两重含意两重含意:分类分类:使用强制性推荐使用：尽量选用标准件按有关标准设计机械零件 国际ISO、国家GB、行业标、(JB、YB、QB)、地方标、企业标准制图、公差、形位、模数 标准直径手册P.117 必须执行：运用范围2021/9/23362021/9/2337