机械设计基础第9章机械零件设计概论.ppt

东莞理工学院田君 第9章机械零件设计概论 9 1机械零件设计概论 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机械制造常用材料及其选择 9 6公差与配合 表面粗糙度和优先数系 9 7机械零件的工艺性及标准化 东莞理工学院田君 9 1机械零件设计概论 机械设计应满足的要求 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 在预定使用期限内安全可靠 操作方便 维修简单和造型美观等 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 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 零件的失效形式 断裂或塑性变形 过大的弹性变形 工作表面的过度磨损或损伤 发生强烈的振动 联接的松弛 摩擦传动的打滑等 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 东莞理工学院田君 对于各种不同的失效形式 也各有相应的工作能力判定条件 强度条件 计算应力 许用应力 机械零件设计的步骤 1 拟定零件的计算简图 5 绘制工作图并标注必要的技术条件 防止失效的判定条件是 计算量 许用量 工作能力计算准则 2 确定作用在零件上的载荷 3 选择合适的材料 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 注意 零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值 设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁 规格加以圆整 失效原因 强度 刚度 耐磨性 振动稳定性 温度等原因 刚度条件 变形量 许用变形量 东莞理工学院田君 载荷系数K 考虑各种附加载荷因素的影响 名义载荷 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 9 2机械零件的强度 计算载荷 载荷系数与名义载荷的乘积 计算应力 按名义载荷计算所得之应力 名义应力 按名义载荷计算所得之应力 强度判定条件 许用应力 S 安全系数 lim lim 极限应力 由实验方法测定 然而在机器运转时 零件还会受到各种附加载荷 通常用引入 东莞理工学院田君 一 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 东莞理工学院田君 二 静应力下的许用应力 静应力下 零件材料的破坏形式 断裂或塑性变形 塑性材料 取屈服极限 S作为极限应力 许用应力为 脆性材料 取强度极限 B作为极限应力 许用应力为 三 变应力下的许用应力 变应力下 零件的损坏形式是疲劳断裂 疲劳断裂具有以下特征 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 3 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果 它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹 这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展 直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时 就突然断裂 疲劳断裂不同于一般静力断裂 它是损伤到一定程度后 即裂纹扩展到一定程度后 才发生的突然断裂 所以疲劳断裂是与应力循环次数 即使用期限或寿命 有关的断裂 不管脆性材料或塑性材料 东莞理工学院田君 1 疲劳曲线 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N N0以后 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 与应力循环次数N之间的关系曲线称为 疲劳曲线 当N N0时 试件将不会断裂 N0 循环基数 N0对应的应力称为 当N N0时 有近似公式 对应于N的弯曲疲劳极限 疲劳极限 用 1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限 东莞理工学院田君 2 许用应力 在变应力 应取材料的疲劳极限作为极限应力 同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变 绝对尺寸和表面状态等影晌 为此引人应力集中系数k 尺寸系数 和表面状态系数 等 当应力是对称循环变化时 许用应力为 当应力是脉动循环变化时 许用应力为 0为材料的脉动循环疲劳极限 S为安全系数 以上各系数均可机械设计手册中查得 以上所述为 无限寿命 有限寿命时 用 1N代入得 东莞理工学院田君 四 安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 1 静应力下 塑性材料的零件 S 1 2 5铸钢件 S 1 5 S 典型机械的S可通过查表求得 无表可查时 按以下原则取 零件尺寸大 结构笨重 S 可能不安全 静应力下 脆性材料 如高强度钢或铸铁 S 3 4 3 变应力下 S 1 3 1 7材料不均匀 或计算不准时取 S 1 7 2 5 东莞理工学院田君 9 3机械零件的接触强度 若两个零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 如齿轮 凸轮 滚动轴承等 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20 m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 发生疲劳点蚀后 减小了接触面积 损坏了零件的光滑表面 因而也降低了承载能力 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 东莞理工学院田君 由弹性力学可知 应力为 对于钢或铸铁取泊松比 1 2 0 3 则有简化公式 上述公式称为赫兹 H Hertz 公式 用于外接触 用于内接触 东莞理工学院田君 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 东莞理工学院田君 9 4机械零件的耐磨性 运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状 零件抗磨损的能力称为耐磨性 磨损 间隙 精度 效率 振动 冲击 噪音 据统计 约有80 的损坏零件是因磨损而报废的 磨损的主要类型 1 磨粒磨损 2 粘着磨损 胶合磨损 在滚动或兼有滑动和滚动的高副申 如凸轮 齿轮等 受载时材料表层有很大的接触应力 当载荷重复作用时 常会出现表层金属呈小片状剥落 而在零件表面形成小坑 这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀 在摩擦过程申 与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损 称为腐蚀磨 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂 在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损 硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒 也可能是外来的尘土杂质等 摩擦面间的硬粒 能使表面材料脱落而留下沟纹 加工后的零件表面总有一定的粗糙度 摩擦表面受载时 实际上只有部分峰顶接触 接触处压强很高 能使材料产生塑性流动 若接触处发生粘着 滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面 这种现象称为粘着磨损 胶合磨损 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱 严重时摩擦表面能相互咬死 3 疲劳磨损 疲劳点蚀 4 腐蚀磨损 东莞理工学院田君 实用耐磨计算是限制运动副的压强p 即 p p p 由实验或同类机器使用经验确定 相对运动速度较高时 还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量fpv 在摩擦系数一定的情况下 可将pv值与许用的 pv 值进行比较 即 pv pv 东莞理工学院田君 9 5机械制造常用材料及其选择 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁 其次是有色金属合金 非金属材料如塑料 橡胶等 一 金属材料 1 铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁等 2 钢 结构钢 工具钢 特殊钢 不锈钢 耐热钢 耐酸钢等 碳素结构钢 合金结构钢 铸钢等 铸铁 常用金属材料 钢 铜合金 含碳量 2 含碳量 2 铁碳合金 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 东莞理工学院田君 选用原则 优选碳素钢 其次是硅 锰 硼 钒类合金钢 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其力学性能和加工性能 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 东莞理工学院田君 3 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 零件毛坯获取方法 辗压 铸造 应用 应用范围广泛 种类 青铜 黄铜 轴承合金 巴氏合金 含锡青铜 不含锡青铜 二 非金属材料 1 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 东莞理工学院田君 2 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 3 其它非金属材料 皮革 木材 纸板 棉 丝等 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全面考虑 用途 工作条件 物理 化学 机械工艺性能 经济性 零件材料 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 应尽量缩减材料的品种 东莞理工学院田君 东莞理工学院田君 9 6公差与配合 表面粗糙度和优先系数 一 公差与配合 互换性 零件在装配时 不需要选择和附加加工的就能满足预期技术与使用要求的特性 基本尺寸 由设计图纸给定的零件理论尺寸 为确定值 实际尺寸 制造加工后测量所得零件尺寸 由于测量有误差 所以实际尺寸并非真值 相对于基本尺寸而言 总是有误差 或大或小 实际尺寸 实际尺寸 实际尺寸 基本尺寸 实际尺寸 东莞理工学院田君 最小极限尺寸 零件满足互换性要求的最小允许尺寸 最大极限尺寸 零件满足互换性要求的最大允许尺寸 尺寸误差 实际尺寸与理论设计尺寸之差 上偏差 最大极限尺寸与基本尺寸之差 符号 ES es 下偏差 最小极限尺寸与基本尺寸之差 符号 EI ei 尺寸公差 最大极限尺寸与最小极限尺寸之差 即允许的尺寸变动量 公差 Lmax Lmax ES EI es ei 东莞理工学院田君 零线 代表基本尺寸所在位置的一条直线 公差带 由代表上 下偏差的两条直线所限定的区域 国标规定 孔与轴各有28个 分别用如下符号表示 孔 ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC 轴 abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc 基本偏差 标准表列的 用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差 一般为靠近零线的那个偏差 东莞理工学院田君 孔 ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC 轴 abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc 基本偏差系列 呈正态分布 东莞理工学院田君 配合 基本尺寸相同 相互结合的孔与轴公差带之间的关系 间隙或过盈 孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差 间隙 代数差为 孔 轴 过盈 代数差为 孔 轴 公差等级 国标规定了20个等级 用阿拉伯数字 001123456789101112131415161718表示 标记方法 公差带符号后跟阿拉伯数字表示 如 H7 常用公差等级的应用 4 5级用于特别精密的零件 6 7 8级用于重要的零件 8 9级用于中速及中等精度要求的零件 10 11级用于低速 低精度的零件 可直接采棒材 管材 精密锻件而不用切削加工 东莞理工学院田君 配合类型 间隙配合 过渡配合 过盈配合 孔 轴 用于可动联接 如活动铰链 孔 轴 用于静联接 如火车轮与轴 可能有间隙 也可能具有过盈 用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接 如齿轮与轴 最大间隙 Xmax 孔max 轴min 最小间隙 Xmin 孔min 轴max 最大过盈 Ymax 孔min 轴max 最小过盈 Ymin 孔max 轴min 东莞理工学院田君 间隙配合 过盈配合 过渡配合 Xmin 0 Ymin 0 东莞理工学院田君 配合基准制 基孔制配合 孔是基准孔 下偏差EI 0 代号为 H 通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性 基孔制配合 基轴制配合 应用广泛 可减少孔加工刀具 东莞理工学院田君 基轴制配合 轴是基准轴 上偏差es 0 代号为 h 通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性 东莞理工学院田君 基孔制常用与优先配合的选用 东莞理工学院田君 基轴制常用与优先配合的选用 东莞理工学院田君 二 表面粗糙度 中线 定义 零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度 特征 加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕 评定参数 轮廓算术平均偏差 取样长度l内 被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值 东莞理工学院田君 Ra愈小 零件的加工成本愈高 东莞理工学院田君 表面粗糙度对零件功能有重要的影响 例如 1 对摩擦磨损的影响 零件表面愈粗糙 摩擦系数愈大 但光滑到一定程度时 润滑油被挤出 产生亲和力反而使摩擦系数增大 2 对疲劳强度的影响 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容易产生应力集中 使疲劳强度降低 3 对耐腐蚀的影响 4 对结合处密封性能的影响 5 对振动和噪声的影响等等 零件表面愈粗糙 在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透 零件表面愈光滑 密封性能愈好 零件表面愈粗糙 振动和噪声愈大 如滚动轴承 东莞理工学院田君 三 优先数系 优先数系是国际上统一的数值分级制度 是一种无量纲的分级系数 适用于各种量值的分级 在确定产品的参数或参数系列时 应该最大限度采用 产品的主要参数如 型号 直径 转速 承载量和功率等按优先数系形成系列 便于组织生产和降低成本 以实现产品的标准化和系列化 GB321 80规定了四个优先数系的基本系列 东莞理工学院田君 优先数 表中任意一个数值 大于10的优先数 可将表数值分别乘以10 100 1000 东莞理工学院田君 9 7机械零件的工艺性及标准化 一 工艺性 零件设计要求 使用要求 具备所要求的工作能力 制造要求 制造工艺可行 成本低 零件工艺性良好的标志 在具体的生产条件下 零件要便于加工且费用低 工艺性的基本要求 1 毛坯选择合理 制备方法 毛坯选择与生产批量 材料性能和加工可能性有关 单件或小批量生产时 选用棒料 板材 型材或焊件 应用于大批量生产 用型材 焊接 锻造 铸造 冲压 东莞理工学院田君 9 7机械零件的工艺性及标准化 一 工艺性 零件设计要求 使用要求 具备所要求的工作能力 制造要求 制造工艺可行 成本低 零件工艺性良好的标志 在具体的生产条件下 零件要便于加工且费用低 工艺性的基本要求 1 毛坯选择合理 制备方法 选用型材 焊接 铸造 锻造 冲压等 毛坯选择与生产批量 材料性能和加工可能性有关 单件或小批量生产时 选用棒料 板材 型材或焊件 大批量生产时 往往选用铸造 锻造 冲压等方法 东莞理工学院田君 2 结构简单合理 最好采用平面 柱面 螺旋面等简单表面极其组合 尽量减少加工面数和加工面积 3 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加 决不能盲目追求高精度 应在满足使用要求的前提下 尽量采用较低的精度和表面质量 尽量采用标准件 增加相同形状 相同元素 直径 圆角半径 配合 螺纹 键 齿轮模数等 的数量 4 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸 力求使少或无切削加工 节约材料 降低成本 尽量采用精密铸造 精密锻造 冷轧 冷挤压 粉末冶金等先进工艺满足上述要求 欲设计出工艺性良好的零件 设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习 在实践中积累经验 东莞理工学院田君 二 标准化 内容 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 标准化是在经济 技术 科学及管理等社会实践中 对重复事务和概念 通过制定 发布和实施标准 以获得最佳秩序和效益 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 东莞理工学院田君 基本特征 统一 简化 意义 1 制造上可以实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 国家标准 行业标准 地方标准 企业标准 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