机械设计中基础知识.ppt
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1、1-2 1-2 机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则1-3 1-3 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择1-1 1-1 机械零件常见失效形式机械零件常见失效形式1 1 机械设计的基础知识机械设计的基础知识基本要求基本要求 重点及难点重点及难点 理解机械设计的基本要求、机械零件的工作理解机械设计的基本要求、机械零件的工作能力、计算准则、材料选择的一般要求。能力、计算准则、材料选择的一般要求。机械零件的设计准则。机械零件的设计准则。机械零件的失效:机械零件的失效:机械设计应满足的要求机械设计应满足的要求:工作可靠、成本低廉。工作可靠、成本低廉。强度强度是零件在载荷作
2、用下抵抗断裂、塑性变形及是零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效(磨损、腐蚀除外)的能力。表面失效(磨损、腐蚀除外)的能力。刚度刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。机械零件由于某些原因而丧失工作能力机械零件由于某些原因而丧失工作能力或达不到设计要求性能时,称为失效。或达不到设计要求性能时,称为失效。1-1 1-1 机械零件常见失效形式机械零件常见失效形式机机械械零零件件的的主主要要失失效效形形式式断裂。断裂。如轴、齿轮轮齿发生断裂如轴、齿轮轮齿发生断裂表面点蚀。表面点蚀。工作表面片状剥落工作表面片状剥落塑性变形。塑性变形。零件发生永久性变形
3、零件发生永久性变形过大弹性变形过大弹性变形过度磨损过度磨损破坏正常工作条件。如过大振动破坏正常工作条件。如过大振动 和噪声、过热等和噪声、过热等强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题机机械械零零件件的的主主要要失失效效形形式式整体断裂整体断裂表面破坏表面破坏过大的残余变形过大的残余变形过大弹性变形过大弹性变形破坏正常工作条件。如过大振动破坏正常工作条件。如过大振动 和噪声、过热等和噪声、过热等强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性耐磨性问题问题点蚀点蚀腐蚀腐蚀磨损磨损(一)断裂(一)断裂断裂是指零件在载荷断裂是指零件在载荷(拉、压、弯、剪、扭等拉、压、弯、剪、扭等)作用下,其危险
4、截面的应力超过零件的强度极限而导作用下,其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂,或在变应力作用下,危险截面发生的疲劳致的断裂,或在变应力作用下,危险截面发生的疲劳断裂。断裂。轴承内圈断裂轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂断裂皮带轮断裂皮带轮疲劳断裂疲劳断裂整体断裂整体断裂 (二)塑性变形(二)塑性变形潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形 当零件的应力超过材料的屈服极限时,零当零件的应力超过材料的屈服极限时,零件将发生塑性变形。件将发生塑性变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形 (三)零件的表面破坏(三)零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是零件的表面破坏主要是腐蚀腐蚀、磨损磨
5、损和和疲劳点蚀疲劳点蚀。腐蚀腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀,从而蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀,从而零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件,还要零件表面遭到破坏。对于承受变应力的零件,还要引起腐蚀疲劳。引起腐蚀疲劳。磨损磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中表是两个接触表面在作相对运动的过程中表面物质丧失或转移的现象。面物质丧失或转移的现象。接触疲劳点蚀接触疲劳点蚀是受到接触变应力长期作用的表是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。面产生裂纹或微粒剥落的现象。u 处于潮湿空气中或与水、汽
6、及其它腐蚀性介质处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象;相接触的金属零件均有可能发生腐蚀现象;u 所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生所有作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损;磨损;u 而在接触变应力条件下工作的零件表面将有可而在接触变应力条件下工作的零件表面将有可能发生接触疲劳。能发生接触疲劳。轴瓦磨损轴瓦磨损轴承滚道点蚀轴承滚道点蚀 (四)弹性变形(四)弹性变形轴的弹性变形轴的弹性变形 当零件的弹性变形量过大时也会使机器的工当零件的弹性变形量过大时也会使机器的工作不正常。作不正常。(五)破坏正常工作条件(五)破坏正常工作条件 有些零件只有在一定
7、的工作条件下才能正常地有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。高速转子共振,带传动打滑,齿轮胶合。工作。高速转子共振,带传动打滑,齿轮胶合。v 失效原因失效原因:v 统计结果显示:统计结果显示:-主要失效原因主要失效原因 强强度度、刚刚度度、耐耐磨磨性性、振振动动稳稳定定性性、温温度等原因。度等原因。断裂仅占断裂仅占4.79%;4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%73.88%。工作能力工作能力 在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度。这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示,度。这个限度通常是以零件承受载荷的
8、大小来表示,所以习惯上又称为:所以习惯上又称为:承载能力承载能力。50 kN吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN1-2 1-2 机械零件的工作能力及计算准则机械零件的工作能力及计算准则防止失效的判定条件是防止失效的判定条件是:工作能力计算准则工作能力计算准则计算准则计算准则以防止产生各种可能失效为目的而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拟定的零件工作能力计算依据的基本原则。则。主要有:强度准则、刚度准则、寿主要有:强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则。命准则、振动稳定性准则、可靠性准则。机械零件设
9、计的计算准则机械零件设计的计算准则 计算量计算量 许用量许用量1)强度准则强度准则 零件在载荷作用下抵抗破坏的能力零件在载荷作用下抵抗破坏的能力,确确保零件不发保零件不发生断裂破坏、生断裂破坏、塑性变形、点蚀失效。塑性变形、点蚀失效。工作应力工作应力许用应力许用应力 limlim即为材料的极限应力,对于脆性材料:取即为材料的极限应力,对于脆性材料:取 limlim B B(强度极限),对于塑性材料:取(强度极限),对于塑性材料:取 limlim S S(屈(屈服极限)。服极限)。考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响,上式考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响,上式右边要除以设计危险安全系数右边要
10、除以设计危险安全系数(简称安全系数简称安全系数),即:,即:limlim/S/S 即即 式中:安全系数式中:安全系数S S为大于为大于1 1的数,的数,S S过大,虽安过大,虽安全但浪费材料;全但浪费材料;S S过小,虽节省材料但趋,故过小,虽节省材料但趋,故S S的选的选取应适当。取应适当。2)2)刚度准则刚度准则 在机器工作时,有时机器并没有破坏,但是由在机器工作时,有时机器并没有破坏,但是由于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作,于零件的变形而导致机器的失效或不能正常的工作,这就是刚度失效。这就是刚度失效。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。
11、刚度指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力,刚度指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力,确保零件确保零件所产生的弹性变形不超过规定的限度。所产生的弹性变形不超过规定的限度。变形量变形量2%铁碳合金铁碳合金含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金铜、铝合金铜、铝合金有色金属有色金属(1 1)铸铁铸铁 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。工灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。工程上常用的主要是灰铸铁和球墨铸铁。程上常用的主要是灰铸铁和球墨铸铁。良好的液态流动性,可铸造成形状复杂的零件。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(灰铸铁)、成本较好的减震性、耐磨性、切削性(
12、灰铸铁)、成本低廉。低廉。灰铸铁和球墨铸铁属脆性材料,不能辗压和锻造,灰铸铁和球墨铸铁属脆性材料,不能辗压和锻造,不易焊接。不易焊接。灰铸铁主要用来制造机架或壳座类零件和其它一灰铸铁主要用来制造机架或壳座类零件和其它一些常见的不重要零件。些常见的不重要零件。球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性,可球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性,可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀体等。阀体等。(2 2)钢钢 与铸铁相比,钢具有高的强度、韧性和塑性。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其力学性能和加工性能。可用热处理方法
13、改善其力学性能和加工性能。结构钢结构钢用于制造各种机械零件;用于制造各种机械零件;工具钢工具钢用于制造各种刃具、模具和量具;用于制造各种刃具、模具和量具;特殊钢特殊钢用于制造在特殊环境下工作的零件。用于制造在特殊环境下工作的零件。v按按用途分:用途分:v按按化学成分分:化学成分分:碳素钢碳素钢低碳钢:低碳钢:含碳量含碳量0.25%0.25%,强度低,塑性高,具有良强度低,塑性高,具有良 好的焊接性,适于冲压、焊接。用来制造螺钉、垫圈好的焊接性,适于冲压、焊接。用来制造螺钉、垫圈和焊接构件。和焊接构件。中碳钢:中碳钢:含碳量含碳量0.3%0.3%0.5%0.5%,综合力学性能较好。常,综合力学性
14、能较好。常 用做受力较大的螺栓、螺母、齿轮和键。用做受力较大的螺栓、螺母、齿轮和键。高碳钢:高碳钢:含碳量含碳量0.55%0.55%0.75%0.75%,具有高的强度和弹性。,具有高的强度和弹性。用来制作弹簧、钢丝绳等。用来制作弹簧、钢丝绳等。含碳量越高含碳量越高,则钢的强度越高、弹性越好,则钢的强度越高、弹性越好,但韧性、塑性越低。但韧性、塑性越低。碳素钢碳素钢合金钢合金钢合金钢合金钢 随着科学技术和工业的发展,对材料提出了更高随着科学技术和工业的发展,对材料提出了更高的要求,如更高的强度,抗高温、高压、低温,耐腐的要求,如更高的强度,抗高温、高压、低温,耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性
15、能的要求,碳钢蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求,碳钢已不能完全满足要求。已不能完全满足要求。为了提高钢的性能,在铁碳合金中特意加入合金为了提高钢的性能,在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种,称为合金钢。元素。所获得的钢种,称为合金钢。合金钢较碳素钢价格高,对应力集中亦较敏感,合金钢较碳素钢价格高,对应力集中亦较敏感,因此只用于碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。因此只用于碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。在在钢中添加合金元素可改善钢的性能,并可根钢中添加合金元素可改善钢的性能,并可根据不同要求加入各种合金元素。据不同要求加入各种合金元素。例如例如铬钢抗蚀性强铬钢抗蚀性强,不易氧化不易氧
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