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1、第九章 机械零件设计概论 作 业 第九章： 9.3 9.6（平时作业） 本课程的主要研究内容： 机械原理部分 机械零件部分 机械原理部分： 常用机构 的结构和运动特点、工作原理、基本分析和设计计算。 (17章 ) （连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构） 机器动力学 基本知识 （机械的调速和平衡） (8章 ) 机械零件部分： 通用零件 的结构特点、工作原理、选用原则、使用维护、 国家标准和有关 规范。 (919章 ) 常用联接 （螺纹联接、键联接、销联接） ; 机械传动 （螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、 带传动和链传动） ; 轴系零、部件 （轴、轴承、联轴器等） . 第九章 机械零
2、件设计概论 本章将扼要阐明机械零件设计计算的 共性问题 : 机械零件 设计概述 ; 机械零件的 强度 、 接触强度和耐磨性 ; 机械制造常用 材料及其选择 ; 公差与配合 、 表面粗糙度 ; 机械零件的 工艺性及标准化 ; 失效 : 机械零件由于某种原因不能正常工作。 工作能力： 不发生失效，零件能安全工作的限度。 通常此限度对载荷而言，习惯上又称为 承载能力。 概念： 9-1 机械零件设计概 述 机械设计应满足的要求： 满足预期功能 +预定使用期限 零件的失效原因 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。 强度 刚度
3、耐磨性 振动稳定性 耐热性等 零件的失效形式 例如：轴的失效 疲劳断裂； 弹性变形过大 ， 轴承轴颈倾斜 ， 轮齿受载不均 。 承载能力取决于 : 疲劳强度； 轴的刚度； 两者中的较小值 决定了轴的承载能力。 y 润滑 、 密封不良 ， 轴瓦或轴颈过度磨损而失效； 共振 ， 导致振幅急剧增大 ， 失去振动稳定性 。 此外： 零件设计应满足： 足够强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。 不同的失效形式 = 各种工作能力判定条件 计算量 许用量 判定条件称为工作能力计算准则 强度问题：应力 许用应力 刚度问题：变形量 许用变形量 机械零件设计步骤 计算简图 载荷大小 选材 按工作能力准则 设计
4、主要尺寸 零件图 技术文件 设计计算 参照实物或图纸和经验数据，初拟零件结构和尺寸，运用有关的判定条件进行验算。 校核计算 设计尺寸圆整；只有部分零件通过计算确定形状和尺寸，其余零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ； 设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数，才能得到比较合理的结果。 9-2 机械零件的强度 强度准则： 、 危险截面处的计算正应力、剪应力； 、 材料的许用应力； lim、 lim材料的极限应力，由试验方法测定； S安全系数。 、 取决于应力种类、材料极限应力和安全系数等。 SSlimlim其中名义载荷、 名义应力、 载荷系数 K、 计算载荷、 计算应力
5、非周期性变应力脉动循环非对称性循环对称循环周期性变应力变应力静应力应力种类 .1不随时间变化的应力。 随时间变化的应力。 具有周期性的变应力 。 一、应力的分类 2m inm a x m平均应力 : 2m inm a x a应力幅 : 循环特性 : maxminr应力的种类 o t =常数 max 脉动循环变应力 m T max min a a m 循环变应力 o t max min a a 对称循环变应力 o t o t a a min 变应力的循环特性 : maxminr -脉动循环变应力 -对称循环变应力 -1 = 0 +1 -静应力 10 m a xm i namm i nm a xr
6、1m a xm i nam i nm a xrm a xm inm inm a xr0200m a xm i nm a xmam i nm a xr、应力与载荷： ：应力 (MPa=N/mm2 ) F：载荷 (N) A：受力面积 (m2 ) 静载荷 离心水泵、皮带运输机、 恒定压力容器 等； 变载荷 石油钻杆、 抽油杆、 井架、汽车底盘等。 AF 静载荷 通常产生静应力 ； 变载荷 产生变应力 。 静载荷 也可能产生变应力。 (如转轴中弯曲应力 ) F注意： 正确分析应力特性 举例： (1)静载荷 拉杆 r =1 F F(2)转轴 对称循环 1m a xm in rF(3)齿轮应力 脉动循环
7、0m a xm in r二、静应力下的许用应力 零件材料损坏形式： 断裂或塑性变形 塑性 材料 : lim= S 屈服极限 脆性 材料 : lim= B 强度极限 许用应力 Ss 许用应力 SB 变应力下零件的失效形式： 疲劳断裂 疲劳断裂 特征： 1）疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限 (静应力下材料的强度极限 )； 2）疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂； 3）断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区； 4）疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 三、变应力下的许用应力 1、疲劳曲线 疲劳曲线 -表示应力 与应力循环 次数 N之间的关系曲线 。 横坐标 -循环次数 N 纵坐标 -断
8、裂时的循环应力 应力 越小，试件能经受的循环次数 N越多 N 某数值 N0， “无限次”循环试件不断裂 N0-循环基数 (106 107 ) 材料经 N0 次应力循环对应的应力值 -疲劳极限 r N O -1 N0 -1N N CNN mm N 011 当 N2% -含碳量 2% 铁碳合金 特点： 良好的液态流动性，铸造件成形复杂 。 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。 机械性能 总体上，含碳量越高，材料强度、 硬度提高，塑性下降。 选择钢材时： 尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒类
9、合金钢。 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。 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 弹性吸收冲击能量。联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带 等。硬橡胶用于水润滑轴承衬。 2. 塑料 比重小且易成复杂形状，不同塑料具有不同特点，耐蚀 /绝 热 /绝缘 /减摩 /摩擦系数等。 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、
10、 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 、 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。 表 9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能 材 料 力 学 性 能 试件尺寸 类 别 牌 号 强度极限 B 屈服极限 S 延伸率 % mm Q215 335-410 215 31 碳素 结构钢 Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素结构钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金 结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d 100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁 HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚 1020 QT400-15 400 250 15 球墨铸铁
