《机械设计基础》课件-第7章+机械零件设计概论.ppt
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1、1,第7章 机械零件设计概论,第一节 机械零件设计概述 第二节 机械零件的强度 第三节 机械零件的接触强度 第四节 机械设计中的耐磨性 第五节 机械制造常用材料及其选择 第六节 公差与配合、表面粗糙度 第七节 机械零件的工艺性及标准化,本章总结,2,第一节 机械零件设计概述,一、研究对象和任务 二、机械零件设计概述,3,一、研究对象和任务,1.研究对象 2.研究任务,4,一、研究对象和任务,1.研究对象 一台机器,从运动的角度来看,它是由一些机构(构件)所组成; 如果从制造的角度来看,则它是由一些零件所组成。 机械零件是组成机器的基本单元。 注意:前面讲的内容,都是机构(构件),它是从运动的角
2、度来研究的。 机械零件分两大类:通用零件和专用零件。 1)通用零件在各种机器上经常使用的。 如联接件:螺栓、键、销等; 传动件:带、链、齿轮、蜗杆蜗轮等。 (注意区分:齿轮机构传递运动的角度来称呼 齿轮传动传递动力的角度来称呼) 轴、轴承、联轴器; 弹簧。,5,一、研究对象和任务,1.研究对象 2)专用零件在特定的机器上才用到的。 如内燃机上的活塞 汽轮机上的叶片 螺旋桨(轮船和老式飞机上用) 梭子(纺织机上用) 机械设计只研究通用零件。,6,一、研究对象和任务,2.研究任务 主要研究通用零件的工作能力零件不发生失效能安全 工作的限度。 失效零件丧失工作能力,不能正常工作。 工作能力与许多因素
3、有关,如材料、结构、工作能力的计算(即如何判断工作能力够否)、制造、维护等。 机械设计的内容包括了这些因素。 工程制图只是画,工程力学只是算,机械零件设计就有条件在研究机械零件的基础上进行设计。 研究通用零件的工作能力为主,从而带动机械设计。,7,一、研究对象和任务,2.研究任务 学习机械零件设计要达到以下要求: 1)掌握通用零件的工作原理和特点,目的是能够合理选择零件 类型; 2)能计算通用零件的工作能力(包括设计计算和校核计算); 3)学习机械零件的结构设计,了解使用、维护的知识; 4)学习运用标准、规范(指企业的标准)和手册等设计资料; 5)具有设计通用零件和简单传动装置的能力; 6)具
4、有分析机械零件的失效原因,并能提出改进措施的能力。,8,二、机械零件设计概述,1.机械零件设计应满足的要求 2.机械零件设计的一般步骤 3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则,9,二、机械零件设计概述,1.机械零件设计应满足的要求 (即零件设计好坏的标准): 1)工作可靠 保证工作能力。 2)成本要低 成本包括:材料的费用、制造的费用。 材料应当合理选择 制造是指零件的工艺性要好(包括毛坯、加工、装配),10,二、机械零件设计概述,1)选择零件类型; (如回转运动直线运动,可有多种类型) 2)拟定零件的计算简图; 3)确定零件上所受的载荷(载荷包括力和力矩); 4)选择零件的材料; 5)找
5、出零件的失效形式,确定工作零件的计算准则,计算零 件的主要尺寸; 计算准则工作能力够不够的判定条件。 主要尺寸决定机械零件工作能力的尺寸。 如轴上危险截面的轴径轴的主要尺寸; 链的节距链的主要尺寸; 齿轮的模数齿轮的主要尺寸。,2.机械零件设计的一般步骤,11,二、机械零件设计概述,6)绘制零件的工作图 不光画图,还要进行结构设计、决定公差等级等。对齿轮来说,有齿轮的精度等级、表面粗糙度、其它技术要求。 结构设计确定零件各组成部分的形状和尺寸。 如阶梯轴(图1): 定出危险截面的直径后,再定出其它各截面的直径、长度。 齿轮(图2) :定出模数、齿数后,再确定其它的形状、尺寸。 其中,轮缘与齿轮
6、连起来的部分; 轮毂与轴连的部分; 轮辐连接轮缘、轮毂的部分。 结构设计好坏的标准: 好结构在满足工作能力的前提下,重量小(节约材料)、工艺 性好(毛坯、加工、装配),2.机械零件设计的一般步骤,12,单级齿轮减速器的高速轴,13,dh= 1.6 ds (铸钢) ; dh=1.6 ds (铸铁) lh= (1.2.1.5) ds ,并使lh b c= 0.2b ; 但不小于10 mm = (2.5.4) mn ,但不小于8 mm h1 = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1 ; s = 1.5 h1 ; 但不小于10 mm e = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1,轮辐式齿轮,1
7、4,二、机械零件设计概述,3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则 工作能力机械零件不发生失效能安全工作的限度。或者说,机械零件抵抗发生失效的能力。 如果这个限度或能力是指载荷而言,这个工作能力称承载能力。(工作能力含义广,承载能力含义窄) 以后常用到承载能力。 失效零件丧失工作能力,不能正常工作。 失效的形式很多,破坏是最主要、最基本的失效形式。 破坏:断裂(脆性材料)和塑性变形过大。 刚度不够:弹性变形过大。 细长杆失稳:,15,二、机械零件设计概述,3.机械零件的工作能力、失效形式、计算准则 共振:振幅超过了许用值。 打滑:摩擦传动,带传动过载。 磨损:相对运动的表面。 一个具体零件,
8、失效形式可能不止一种,而有多种。针对不同的失效形式,就有多种的承载能力。 特别注意:一个零件的承载能力是指最小的承载能力。 如轴:按弯能承受5000N,按刚度只能承受2000N, 则轴的承载能力是2000N。 为避免失效,承载能力的判定条件计算准则 常用的计算准则有:强度、刚度、耐磨性。,16,第二节 机械零件的强度,一、载荷的分类 二、应力的分类 三、强度条件式,17,一、载荷的分类,1.名义载荷 2.计算载荷,18,一、载荷的分类,1.名义载荷 名义载荷(也称载荷),是指机器在理想平稳的工作条件下,作用在零件上的载荷。(物理、力学中指的都是名义载荷) 2.计算载荷 大多数机器的工作都不是理
9、想平稳的。零件除了受到工作载荷外,还受到各种各样的附加载荷,如何考虑这些附加载荷,为简单起见,引入一个载荷系数,用K表示。 K名义载荷计算载荷 如 KF=Fca,KT=Tca 机械零件常按计算载荷进行计算。 载荷分静载荷和变载荷: 静载荷不随时间变化或变化缓慢的载荷。 变载荷随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。,19,二、应力的分类,1.静应力 2.变应力,应力是受力杆件某一截面上的某一点处的内力集度,即:单位面积上的内力称为“应力”。 垂直于截面的应力分量称为正应力(或法向应力), 用表示; 相切于截面的应力分量称切应力或切向应力,用表示。应力的单位为Pa。 1 Pa=1 Nm2 工程实
10、际中应力数值较大,常用MPa或GPa作单位 1 MPa=106Pa (10的6次方) 1 GPa=109Pa (10的9次方),20,二、应力的分类,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,21,二、应力的分类,特别注意: 零件的失效,不应根据零件所受载荷的类型或性质,而应根据零件受载后所产生的工作应力的变化类型或性质来判定。,22,三、强度条件式,1.概述 2.机械零件的强度,23,三、强度条件式,
11、1.概述 强度条件式承载能力取决于强度时的计算准则。 (如果承载能力取决于刚度时的计算准则,则为刚度条件式。) 式中: 、危险截面处的最大正应力、切应力; 、许用正应力、切应力; lim 、 lim极限正应力、切应力; S S 安全系数。 注意两点: 1)应力分正应力、切应力。按正应力讨论,对切应力,情况一样,只要 用代替 即可; 2)静应力与变应力的许用应力的计算公式都为 ,只是lim不同。,24,三、强度条件式,1)静应力下零件的强度计算 脆性材料: lim b b 材料的抗拉强度(材料试样受拉力时,在 (考虑断裂) 拉断前所承受的最大应力)。 b /S 塑性材料: lim s s 材料的
12、屈服强度(材料试样在拉伸过程中, (考虑塑性变形过大) 负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的最小应力)。 s /S 2)变应力下零件的强度计算 其lim是疲劳限,无论脆性材料还是塑性材料,lim一样。 疲劳限如果变应力的应力循环特性r一定,应力循环N次,材料不发 生疲劳破坏的最大应力。,2.机械零件的强度,25,三、强度条件式,2.机械零件的强度 2)变应力下零件的强度计算 如1对称循环的疲劳限 作为材料的试件疲劳限 0脉动循环的疲劳限 零件的疲劳限比材料的疲劳限要低,影响因素有:应力集中系数k或k、尺寸系数、表面状态系数 。 如1/(k/( )零件对称循环的疲劳限 0/(k/( ) 零件
13、脉动循环的疲劳限 对称循环的许用应力1 1/((k/( )S) 作为零件变应力下的许脉动循环的许用应力0 0/((k/( )S) 用应力 P115 式(911)、式(912),26,三、强度条件式,2)变应力下零件的强度计算 注意两点:1) k 、 的数值,查有关设计手册; 2)有时, k 、 不能详细考虑时,可用降低许用应力或 提高安全系数的办法进行近似计算。 3)安全系数S(安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响) S 零件尺寸大,结构笨重,浪费 ; S 可能不安全, 说明:安全系数实际上解决既安全又不浪费这样一个矛盾; 安全系数不是计算出来的,而是人为决定的。它是根据长期的 生产实践得
14、出的,不是随意想象的,各部门都有自己的一套经 验得出的安全系数,我们只需要会用即可(典型机械的S可查 手册中的表,若没专门表格,可按 教材P116 推荐数据查用)。,2.机械零件的强度,27,第三节 机械零件的接触强度,一、接触应力 二、接触疲劳破坏 三、材料的接触疲劳限 四、两平行圆柱面相压时,接触应力的计算 五、接触疲劳强度的判定条件,28,一、接触应力,点、线接触的高副,如齿轮、凸轮、轴承。 由于接触点、接触线要承受很大的载荷,接触点、线附近要产生很大的弹性变形,实际上是一个小面积的接触,这个小面积上,单位面积上的力,称为接触应力。 简单来讲,零件点、线接触时,接触区表层材料的应力。 因
15、为接触面积很小,往往接触应力很大。所以点、线接触的高副的承载能力往往取决于接触强度,如齿轮多半是齿面接触强度破坏,当然齿断也是一种破坏。,整个材料体积内部存在的应力为体积应力(如拉、压、剪、扭、弯曲应力),该应力状态下的零件强度为整体强度(体积强度)。 只存在材料表层的应力为表面应力,对应的零件强度为表面强度。 点、线高副接触,受到的接触应力,对应的接触强度。,29,二、接触疲劳破坏,实际工作时,接触应力随时间变化(周期性变化)。 如果接触材料的接触疲劳强度不够,就要发生疲劳破坏。 首先,零件在表面约20m处发生裂纹,此裂纹慢慢向表面扩散,最后以贝壳状的小片掉下来,这种称为“疲劳点蚀”,简称“
16、点蚀”。 见图示。 点蚀对工作的影响:1)减小接触面积,降低承载能力; 2)破坏零件表面的光滑形状。 如齿轮出现点蚀,表面就不是理论上的光滑的渐开线形状,不能保证瞬时传动比不变,从动轮有时转得快,有时转得慢,有角加速度,必然有惯性力,惯性力是变化的。 惯性力动载荷运转时会产生振动、冲击,产生或增大噪音。 齿轮如果噪音很大,则齿轮失效,需要报废更换。 因此,点蚀现象往往是点、线接触高副常见的失效形式,齿轮、凸轮常是。,30,二、接触疲劳破坏,返回,31,三、材料的接触疲劳限,疲劳限材料抵抗疲劳破坏的能力。 接触疲劳限材料抵抗接触疲劳破坏的能力。 材料的硬度越高,接触疲劳限也越高,也不容易点蚀。
17、齿轮表面淬火,提高表面硬度,它的硬度用HRC(洛氏硬度)表示。( HRC2070 HB(布氏硬度)230700),32,四、两平行圆柱面相压时,接触应力的计算,接触区表层材料附近产生小面积接触,如 图示。 注意:1)接触应力中间大两边小,呈椭圆分布; 2)接触应力的计算公式按赫兹公式计算得到, H最大接触应力,也称赫兹应力。 (教材P119) 还需注意:两圆柱体接触处的接触弹性变形不等(直径不 同,材料不同),但接触应力是一样的。,33,四、两平行圆柱面相压时,接触应力的计算,返回,外接触,内接触,34,五、接触疲劳强度的判定条件,H H, H= Hlim/SH Hlim接触疲劳限,由实验测得
18、。 对钢,经验公式: Hlim2.76HBS70 (MPa) SH取等于或稍大于1。,35,第四节 机械设计中的耐磨性,一、 摩擦 二、 磨损 三 、润滑,36,外力作用下,相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时,其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力,这一现象叫做摩擦,所产生的阻力叫做摩擦力。 1. 干摩擦 摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。摩擦系数 = 0.31.5。 2. 边界摩擦(边界润滑) 两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,其摩擦性质与流体的黏度无关,只与边界膜和表面的吸附性质有关。边界膜极薄,不能避免金属间的直接接触,这时仍有摩擦力产生,其摩擦系数 = 0
19、.10.3。 3. 流体摩擦(流体润滑) 摩擦表面间的润滑膜足以将两个表面完全隔开,即形成了完全的流体摩擦。摩擦系数极小,大约 = 0.0010.01,无磨损产生,是理想的摩擦状态。 4 . 混合摩擦(混合润滑) 摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。大约 = 0.010.08。,一、摩擦 (教材 第15章 P253 ),37,二、磨损(P121 ),表面物质在摩擦过程中不断损失的现象称为磨损,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。,有摩擦,必有磨损。,38,二、磨损(P121 ),1粘着磨损(胶合) 由于两摩擦表面间产生粘
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