第2章机械及机械零件设计基础知识.ppt
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1、第第2章章 机械设计基础知识机械设计基础知识22 机械零件的主要失效形式和工作能力机械零件的主要失效形式和工作能力24 机械零件的材料及热处理机械零件的材料及热处理25 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑26 机械零件的结构工艺性和标准化机械零件的结构工艺性和标准化21 机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的基本要求和一般设计程序23 机械零件的设计准则和一般设计步骤机械零件的设计准则和一般设计步骤2021/9/231本章概要本章概要机械设计:指规划和设计实现预期功能的机械设计:指规划和设计实现预期功能的 新机械或改进原有机械的性能。新机械或改进原有机械的性能。机械设计中的共性问题:机械设计
2、中的共性问题:机械设计的基本要求和一般设计程序;机械设计的基本要求和一般设计程序;机械零件的主要失效形式和设计准则;机械零件的主要失效形式和设计准则;机械零件的材料及材料选择的基本原则;机械零件的材料及材料选择的基本原则;摩擦、磨损和润滑的概念;摩擦、磨损和润滑的概念;零件的结构工艺性和标准化。零件的结构工艺性和标准化。2021/9/232机械设计机械设计规划和设计实现预期功能的新机械或改规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。进原有机械的性能。基本要求:在满足预期功能的前提下,效率高、快速响基本要求:在满足预期功能的前提下,效率高、快速响应市场、性能好、安全可靠、环保、操作方便
3、、维修简应市场、性能好、安全可靠、环保、操作方便、维修简单、造型美观、成本低单、造型美观、成本低。(多快好省、多快好省、TQCSER、两型社会、两型社会)(可靠性、安全性)(可靠性、安全性)机械设计的内容:机械设计的内容:1.1.确定确定机械的工作原理,选择适宜的机构和传动系统;机械的工作原理,选择适宜的机构和传动系统;2.拟定设计方案;拟定设计方案;3.进行运动分析和动力分析,计算各构件上的载荷;进行运动分析和动力分析,计算各构件上的载荷;4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计;进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计;21 机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的基本要求和一般
4、设计程序5.先进设计方法,材料、热处理、加工工艺的选择。先进设计方法,材料、热处理、加工工艺的选择。2021/9/23321 机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的基本要求和一般设计程序机械设计的一般程序:机械设计的一般程序:确定零部件的基本尺寸,确定零部件的基本尺寸,绘制装配图和零件图绘制装配图和零件图 1.明确设计要求;(产品规划即确定设计任务书)明确设计要求;(产品规划即确定设计任务书)2.提出设计方案;(概念设计:多个方案的选优)提出设计方案;(概念设计:多个方案的选优)3.构形设计;(计算构件载荷和零件的工作能力)构形设计;(计算构件载荷和零件的工作能力)4.编制技术文件;(生产
5、、检验、安装、调试、运行编制技术文件;(生产、检验、安装、调试、运行 和维护的依据)和维护的依据)5.技术审定;(样机、小批量生产的技术经济评价)技术审定;(样机、小批量生产的技术经济评价)总体布局、技术经济分析总体布局、技术经济分析最后是产品定型最后是产品定型2021/9/23422 机械零件的主要失效形式和工作能力机械零件的主要失效形式和工作能力一、机械零件的主要失效形式:一、机械零件的主要失效形式:机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时,或机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时,或 机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。失效失
6、效破坏破坏如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带如轴、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失效形式,归纳起来最主要的为失效形式失效形式:变形失效:变形失效:弹性和塑性变形弹性和塑性变形断裂失效断裂失效;表面损伤失效:表面损伤失效:腐蚀、磨损和接触疲劳腐蚀、磨损和接触疲劳强烈振动、摩擦传动打滑、连接松弛等强烈振动、摩擦传动打滑、连接松弛等二、机械零件的工作能力二、机械零件的工作能力在不发生失效的条件下,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,零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言,所
7、以习惯上又称为:承载能力所以习惯上又称为:承载能力 如变形如变形、温度、速度、压力等。取较小值温度、速度、压力等。取较小值2021/9/235计算应力计算应力按计算载荷计算所得之应力:按计算载荷计算所得之应力:载荷系数载荷系数K 考虑各种附加载荷因素的影响。考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷名义载荷在理想平稳工作条件下零件所受的载荷。在理想平稳工作条件下零件所受的载荷。静载荷静载荷-大小、方向、位置不变或变化平稳的载荷大小、方向、位置不变或变化平稳的载荷 计算载荷计算载荷载荷系数与名义载荷的乘积。载荷系数与名义载荷的乘积。(实际载荷实际载荷)名义应力名义应力按名义载荷计算所得之应力。按名义载
8、荷计算所得之应力。、然而在机器运转时,零件还会受到各种附加载荷然而在机器运转时,零件还会受到各种附加载荷,通常引入通常引入动载荷动载荷-大小、方向、位置随时间变化的载荷大小、方向、位置随时间变化的载荷 三、三、许用应力和极限应力、接触应力许用应力和极限应力、接触应力1.几个基本概念几个基本概念2021/9/2362、应力的种类、应力的种类ot =常数常数 max脉动循环变应力脉动循环变应力r=0m静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化平均应力平均应力:应力幅应力幅:Tmaxminaam循环变应力循环变应力ot变应力的循环特性变应力的循环特性:maxminaa对称循环变应力对
9、称循环变应力r=-1ot脉动循环变应力脉动循环变应力对称循环变应力对称循环变应力 -1 -1=0=0 +1 +1静应力静应力otaaminr=+1静应力是变应力的特例静应力是变应力的特例循环变应力与随机变应力循环变应力与随机变应力2021/9/237静应力下的许用应力静应力下的许用应力静应力下,零件材料的破坏形式:静应力下,零件材料的破坏形式:断裂断裂或或塑性变形塑性变形塑性塑性材料,取材料,取屈服极屈服极限限S S 作作为为极限极限应应力力,许用应力为:许用应力为:脆性脆性材料:取强度材料:取强度极极限限b b作作为为极限极限应应力力,许用应力为:许用应力为:变应力下的许用应力变应力下的许用
10、应力变应力下,零件的损坏形式是变应力下,零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂具。疲劳断裂具有以下特征:有以下特征:1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低,甚至比屈服极限低低,甚至比屈服极限低;2)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口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲疲劳劳断断裂裂是是微微观观损损伤伤积积累累到到一一定定程程度度的的结结果果。它它的的初初期期现现象象是是在在零零件件表表面面或或表表层层形形成成微微裂裂纹纹,这这种种微微裂裂纹纹随随着着应应力力循循环环次次数数的的增增加加而而逐逐渐渐扩扩展展,
11、直直至至余余下下的的未未断断裂裂的的截截面面积积不不足足以以承承受受外外载载荷荷时时,就就突突然然断断裂裂。疲疲劳劳断断裂裂不不同同于于一一般般静静力力断断裂裂,它它是是损损伤伤到到一一定定程程度度后后,即即裂裂纹纹扩扩展展到到一一定定程程度度后后,才才发发生生的的突突然然断断裂裂。所所以以疲劳断裂是与应力循环次数疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命即使用期限或寿命)有关的断裂。有关的断裂。不管脆性材料或塑性材料,不管脆性材料或塑性材料,S是安全系数是安全系数2021/9/238A.疲劳曲线疲劳曲线NO-1N0-1NN由图可知:应力越小,试件能经受的循环次数就越多。试验表明,当 NN0以
12、后,曲线趋于水平,可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力应力与应力循环次数与应力循环次数N N 之间之间的关系曲线称为:的关系曲线称为:疲劳曲线疲劳曲线当当NNNN0 0 时时,试件将不会断裂。试件将不会断裂。N N0 0 循环基数循环基数 近似代表近似代表持久疲劳循环次数ND。左边为有限寿命区,右边为无限寿命区N N0 0 对应的应力称为:对应的应力称为:当当NNN2%含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点:特点: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(指灰铸铁)、较好的减震性、耐磨性、切削性(指灰铸铁)、成本低廉。
13、成本低廉。应用:应用:应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。2021/9/2317选用原则:选用原则:优选碳素钢,其次是优选碳素钢,其次是硅、硅、锰锰、硼、硼、钒类钒类合金合金钢钢。特点:特点: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。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法:零件毛坯获取方法:锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用:应用:应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表2-1 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种
14、 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235(3342)1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢(2950)1.51.8 合金结构钢(合金结构钢(2950)1.72.5 滚动轴承钢(滚动轴承钢(2950)3 合金工具钢(合金工具钢(2950)320 4Cr9Si2耐热钢(耐热钢(2950)5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 2021/9/23183.铜合金铜合金铜锌合金,并含有少量的铜锌合金,并含有少量的锰锰、铝铝、镍镍特点:特点:具有良好的塑性和液态流动
15、性。青铜合金还具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。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法:辗压、铸造。零件毛坯获取方法:辗压、铸造。应用:应用:应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金(巴氏合金)轴承合金(巴氏合金)含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1.橡胶橡胶 橡胶富于弹性,能吸收较多的冲击能量。常橡胶富于弹性,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、带传动的胶带用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水硬橡胶可用于制造用水润润滑的滑的轴轴承承衬衬。铝青铜铝青铜
16、2021/9/23192.塑料塑料 塑料的比重小,易于制成形状复杂的零件,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、绝而且各种不同塑料具有不同的特点,如耐蚀性、绝热热性、性、绝缘绝缘性、减摩性、摩擦系数大等,所以近年来在性、减摩性、摩擦系数大等,所以近年来在机械制造中其机械制造中其应应用日益广泛。用日益广泛。3.其它非金属材料:其它非金属材料:皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素:选材因素:设计机械零件时,选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题,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
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