机械零件设计和计算概论.ppt

6 机械零件设计和计算概论,6.1 机械零件的工作能力准则 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。 零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。 机械零件虽然有很多种可能的失效形式，最主要的是由强度、刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响以及振动稳定性、可靠性等方面的问题。所以将以上要求视为衡量机械零件工作能力的准则。,机械零件的设计步骤,拟定计算简图； 确定作用在零件上载荷的大小； 选择合适的材料； 确定零件尺寸，并标准化； 绘制零件工作图。,各种计算准则的介绍,强度：是机械零件工作能力的最基本准则，常用判断危险截面处的最大应力（ 、 ）是否小于或等于许用应力（ 、 ）。强度条件表达式为 或 耐磨性：零件抗磨损的能力。零件磨损后会改变结构形状和尺寸，使机器的精度降低、效率下降、强度减弱。影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的性质等，但又不能准确估计出来，因此按磨损计算零件的方法只能是条件性的，不能十分精确。,刚度:是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的大小常用产生单位弹性变形所需的外力或外力矩来表示。 刚度的反义词是柔度，柔度的大小常用单位外力或外力矩所产生的弹性变形来表示。有些零件需有一定的刚度，即其变形不能超过容许的限度，如轴弯曲刚度不足时，轴颈将在轴承中倾斜而使两者接触不良；有些零件需有一定的柔度，如弹簧一类的弹性零件。 刚度会影响零件的自振频率。刚度大自振频率高，刚度小自振频率低。 按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大，满足刚度要求的零件往往也满足强度要求。,振动稳定性： 零件发生周期弹性变形的现象称为振动。 机器工作速度的提高和结构重量的减轻， 易使机器出现振动问题，影响工作质量。 当机器的自振频率与周期性干扰力变化 频率相同或接近时，就要发生共振，这时 振幅急剧增大，此现象称为失稳，即丧失 振动稳定性。振动稳定性是指机器在工作 时不能发生振幅超过容许值的振动现象。,耐热性: 在高温下工作的零件需要进行蠕变计算。 蠕变是在一定工作温度和应力下，零件塑性 变形缓慢而连续增长的现象。 在设计摩擦副时，需进行热平衡计算， 以判断单位时间内的摩擦发热量和散热量达 到平衡时，零件的工作温度t是否超过许用 值t。,6、2机械制造中常用材料及其选择,一、机械常用材料：铁碳合金（钢和铸 铁）、有色合金、非金属材料和各种复合 材料。钢是机械制造中最常用的材料。 二、钢的热处理：将钢在固态下加热到一 定温度，经过一定时间的保温，然后用一 定的速度冷却，来改变金属及合金的内部 结构，以期改变金属及合金的物理、化学 和力学性能的方法。 常用热处理的方法：退火、正火、淬火、 回火、表面热处理等。,退火：将钢加热到一定温度（45钢8308600C），保温一段时间，随炉缓冷。退火可消除内应力，降低硬度。 正火：与退火相似，只是保温后在空气中冷却。正火后钢的硬度和强度有所提高。低碳钢一般采用正火代替退火。 淬火：将钢加热到一定温度（45钢8408500C），保温一段时间，而后急速冷却（水冷或油冷）。淬火后钢的硬度急剧增加，但脆性也增加。,回火：将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然后空冷。回火可减小淬火引起的内应力和脆性，但仍保持高的硬度和强度。根据加热温度不同分低温回火、中温回火、高温回火。淬火后高温回火称调质。 表面热处理： 表面淬火：将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。 化学热处理：将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮、铬等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。据渗入元素不同有渗碳、氮化、氰化。,几种普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢的力学性能见表6163。 几种常用的铸钢和铸铁的性能见表64。 几种青铜（有色金属）的力学性能见表65。 三、选择材料应满足的要求： 使用方面的要求； 工艺方面的要求； 经济方面的要求。,6.3 许用应力和安全系数,应力按随时间变化的特性分静应力和变应力。 静应力为应力恒定，不随时间变化； 变应力为应力随时间变化的，分脉动循环应力、对称循环应力、任意不对称循环应力。 应力随时间变化图见表66,选择许用应力的方法：,查许用应力表法： 部分系数法： S1:考虑计算载荷及应力准确性的系数，一般S111.5 S2: 考虑力学性能均匀性系数， S21.22.5 S3:考虑零件重要程度的系数，一般S311.5,静应力下， 塑性材料的屈服极限s 作为极限应力，即： 脆性材料的抗拉强度 b 作为极限应力，即： 变应力下，零件疲劳断裂是主要的破坏形式，疲劳断裂与应力大小和应力循环次数有关。材料经过N次应力循环后，不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限r 。,表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线称为疲劳曲线（ N曲线）。 如图62，当循环次数N超过某一数值N0以后，曲线趋向水平，即 不再随N的增加而降低，N N0的区域称无限寿命区，N N0的区域称有限寿命区， N0称为循环基数。 对应与N0的疲劳极限为r，在对称循环变应力下r = -1，在脉动循环变应力下s= 0。（r为应力循环特性系数 ）,考虑到零件的截面突变、绝对尺寸及表面状态对疲劳极限的影响，在变应力下加入影响系数 应力对称循环变化时 应力脉动循环变化时,6.4 机械零件的工艺性和标准化,从零件的工艺性出发，对零件结构提出三个基本要求： 选择合理的毛坯种类； 零件的结构简单合理 规定合理的制造精度和表面粗糙度。,