机械零件设计概论13206

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1、8机械零件设计概论 8 1概述8 2机械零件设计要点8 3机械零件的强度8 4机械零件的接触强度8 5摩擦 磨损及润滑概述 机械设计主要是从机械零件的工作原理 承载能力 构造和维护等多方面论述通用机械零件的设计问题 主要任务 合理确定零件的形状 适当选择零件的材料 以及设计出的零件制造更方便 即零件具有良好的工艺性等 8 1机械零件设计概述 8 1 1机械零件设计的基本要求 机械设计的基本要求 在满足预期功能的前题下 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 维修简单等 机械零件设计的基本要求 在满足机械整体性能 功能要求的前题下 机械零件要工作可靠 成本低 也就是说 在机械

2、零件设计时 不能仅着眼于零件的本身 还必须正确处理零件与部件的关系 以及零件与整机的关系 8 1 2机械零件的失效 工作能力和承载能力 失效 零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能 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 一般来说 零件的工作能力是对载荷而言的 习惯上也称为承载能力 零件失效可能有以下几种形式 1 断裂 2 过大的弹性变形 3 塑性变形 4 工作表面的过度磨损或损伤 5 发生强烈的振动 6 联接的松弛 7 摩擦打滑等 8 1 3机械零件的设计准则 零件的失效形式有多种多样 归纳起来主要有以下几方面问题 1 强度问题 2 刚度问题 3 耐磨性问题 4 振动稳定

3、性问题 5 温度的影响问题等 设计准则可归纳为以下形式 计算值 许用值 对于刚度问题 设计准则为 计算变形量 许用变形量 对于强度问题 设计准则为 计算应力 许用应力 8 1 4机械零件的设计方法和设计步骤 机械零件的设计方法分为 1 设计计算法 2 校核计算法 设计计算一般可分为以下步骤 1 拟定零件的计算简图 2 确定作用在零件上的载荷 3 选择合适的材料和热处理 4 根据零件可能出现的主要失效形式 选用相应的准则 计算确定零件的形状和主要尺寸 5 绘制零件图 并标注必要的技术要求 校核计算法 先根据技术资料 经验数据等 初步拟定零件的形状和主要尺寸 然后再选用相应的设计准则进行校核计算

4、当零件的形状和主要尺寸确定后 其余的尺寸 参数一般可根据其它要求 如 工艺要求 结构要求等 进行设计或选定 当计算值与许用值相近 且满足设计准则条件时 拟定的形状和主要尺寸就可作为设计结果 当计算值与许用值相距较大 或不能满足设计准则条件时 则应修改拟定参数 进行重新较核计算 8 2机械零件设计要点 在机械零件设计时 除了要满足设计准则外 还必须处理好如下问题 1 材料及热处理问题 2 公差与配合 表面粗糙度问题 3 工艺性问题 4 优先数系及标准化问题等 8 2 1材料及热处理问题 用于制造机械零件的材料可分为金属材料和非金属材料 常用的金属和非金属材料有 1 铸铁 2 碳素钢 3 合金钢

5、4 铜合金 5 橡胶 6 塑料 常用的热处理方法 1 淬火 2 正火 3 调质 4 表面处理等 8 2 2公差与配合 表面粗糙度问题 1 公差与配合问题 2 表面粗糙度 指零件的微观几何形状误差 它主要是由于机械加工后在零件表面留下微小的凹凸不平的刀痕 评定表面粗糙度的方法 廓算术平均偏差Ra 8 2 3工艺性 指设计出的零件是否可以制造出来 以及零件的制造费用是否经济 零件的工艺性要求主要有 1 毛坯选择合理 2 结构简单合理 3 规定适当的制造精度和表面粗糙度 8 2 4优先数系和标准化问题 优先数系是用来使型号 尺寸 转速 功率等量值得到合理的分级 这样可便于组织生产和降低成本 基本思想

6、 将某个数值段按等比划分成若干份 一般数值段取为10 划分的份数可以为5 10 20 40等 GB321 80规定的优先数系有四个基本系列 即R5系列 R10系列 R20系列 R40系列 在确定分级数值时 必须最大限度地采用优先数 对于大于10的优先数可以乘上10 100 1000等 标准化 以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程 原则是统一 简化 协调 选优 优化 我国将标准分为四级 国家标准 行业标准 地方标准和企业标准 我国现已参加了国际标准化组织 InternationalOrganizationforStandardization 简称ISO 并积极鼓励采用国际标准 近年来颁布

7、的许多国家标准都已采用相应的国际标准 8 3机械零件的强度 8 3 1常用名词定义 名义载荷 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 载荷系数 机器在运转时 运转速度的不断变化等原因而使零件受到了各种附加载荷 通常引入K 当只考虑工作情况的影响时 则称为工况系数 一般用KA表示 计算载荷 载荷系数与名义载荷的乘积 名义应力 按名义载荷求得的应力 计算应力 按计算载荷求得的应力 静应力 不随时间变化的应力 变应力 随时间变化而变化的应力 对于强度问题 是否满足设计要求的判式是计算应力 许用应力 即 S为安全系数 它的大小取决于设计要求和设计人员对设计的认识程度 lim lim分别为极限正应力和

8、极限切应力 对于不同性质的材料其极限应力的选取是不一样的 对于脆性材料 极限值取为强度极限 对于塑性材料 极限值取为屈服极限 对于在复杂应力状态下的材料 极限值则应根据材料力学中所述的强度理论来确定 同一种材料用于不同的零件 或同一种零件的不同尺寸时 材料的极限应力有时也不同 所以零件的材料极限应力一般都采用实验的方法测出 8 3 2变应力及其变应力下的许用应力 循环变应力 具有周期性的变应力 机械零件所受应力多数为循环变应力 变应力的循环特性 应力循环中的最小应力与最大应力之比 表8 2变应力的循环特性r 在变应力作用下 零件的损坏形式主要是疲劳断裂 疲劳断裂不同于一般静力断裂 它是损伤到一

9、定程度后 即裂纹扩展到一定程度后 才发生的突然断裂 疲劳断裂的发生 不仅与变应力的最大值有关 而且还与应力循环作用的次数有关 疲劳曲线 零件发生疲劳断裂时的应力 和变应力循环作用次数N之间的关系曲线 疲劳曲线主要分为三个区 1 静应力区 2 有限寿命区 3 无限寿命区 硬度 350HBS钢 No 107 350HBS钢 No 10 25 x107有色金属 无水平部分 规定当No 25x107时 近似为无限寿命区 当零件工作承受变应力的作用次数少于103时 处于静应力区 即零件虽然受变应力作用 但由于应力作用次数太少 所以可以将变应力中的最大应力按静应力处理 当应力作用次数N大于某个值N0时 曲

10、线趋于水平 即可以认为变应力处于无限寿命区 N0称为循环基数 对应于N0的应力称为材料的疲劳极限 常用 1表示材料在对称循环变应力下的疲劳极限 疲劳曲线中有限寿命区的曲线我们可以用下式描述 无限寿命区的曲线可以近似认为是一条水平直线 对于有限寿命区中的某一应力循环次数N N N0 满足下列方程 机械零件在对称和脉动变应力作用下的许用应力为 k 应力集中系数 尺寸系数 表面状态系数 安全系数的确定一般应根据应力种类和材料特性而定 也可按下列原则确定 1 在静应力下 塑性材料以屈服极限为极限应力 安全系数S 1 2 2 0 塑性好的材料选小值 塑性差的材料选大值 2 在静应力下 脆性材料以强度极限

11、为极限应力 安全系数应取较大值S 3 4 3 在变应力下 以疲劳极限为极限应力 安全系数S 1 7 2 5 8 4机械零件的接触强度 受力前 两圆柱体的接触线与轴线相平行 受力后 由于材料的弹性变形 接触线变成宽度为2b的一个矩形面 此时接触面上应力向量的分布呈半椭圆柱形 初始接触线处的压应力最大 两边最小 以最大压应力代表两零件间接触受力后的应力 称为接触应力 用符号 H表示 对于线接触 弹性力学给出的接触应力公式为 工作时接触点不断改变位置 所以零件上的任一点处的接触应力只能在0到 H之间改变 接触应力是一个脉动循环变应力 在进行接触疲劳强度计算时 极限应力应是一个脉动循环的极限接触应力

12、8 5摩擦 磨损及润滑概述 8 5 1摩擦概述 摩擦分为两大类 内摩擦和外摩擦 内摩擦 发生在物质内部 阻碍分子间相对运动的摩擦 外摩擦 当相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时 在接触表面上产生的阻碍相对滑动的摩擦 仅有相对滑动趋势的摩擦称为静摩擦 相对滑动中的摩擦称为动摩擦 根据位移形式不同 摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦 根据摩擦面间存在润滑剂的情况 滑动摩擦又可分为以下几种 1 干摩擦 表面间无任何润滑剂或保护的纯金属接触时的摩擦 2 边界摩擦 摩擦表面被吸附的边界膜隔开 摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦 3 流体摩擦 摩擦表面被流体膜隔开 摩擦性质取决于流体内部

13、分子间粘性阻力的摩擦 4 混合摩擦 摩擦状态处于边界摩擦及流体摩擦的混合状态时的摩擦 8 5 2磨损概述 运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 即形成磨损 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段 如图示 即 1 磨合阶段 2 稳定磨损阶段 3 剧烈磨损阶段 磨合阶段包括摩擦表面廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程 机械零件加工后的表面总具有一定的粗糙度 在磨合初期 只有很少的廓峰接触 接触面上真实应力很大 使接触廓峰压碎和塑性变形 同时薄的表层被冷作硬化 原有的廓峰逐渐局部或完全消失 产生出形状和尺寸均不同于原样的新廓峰 磨合后的稳定粗糙度是给定摩擦条件 材料 压力 温度 润

14、滑剂与润滑条件 下最佳粗糙度 它与原始粗糙度无关 并以磨损量最少为原则 在稳定磨损阶段内 零件在平稳而缓慢的速度下磨损 它标志着摩擦条件保持相对恒定 这个阶段的长短就代表零件使用寿命的长短 经过稳定磨损阶段后 零件的表面遭到破坏 运动副中的间隙增大 引起额外的动载荷 出现噪声和振动 这样就不能保证良好的润滑状态 摩擦副的温升便急剧增大 磨损速度也急剧增大 磨损分类 一种是根据磨损结果着重对磨损表面外观的描述 点蚀磨损 胶合磨损 擦伤磨损 另一种根据磨损机理来分类 粘附磨损 磨粒磨损 疲劳磨损 流体磨粒磨损 流体侵蚀磨损 机械化学磨损 微动磨损 常见的磨损 1 粘附磨损 当摩擦表面的廓峰在相互作

15、用的各点处发生 冷焊 后 在相对滑动时 材料从一个表面迁移到另一个表面 便形成了粘附磨损 2 磨粒磨损 外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的廓峰尖在较软材料表面上犁出很多沟纹时被移去的材料 一部分流动到沟纹的两旁 一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒 这样的微切削过程就叫磨粒磨损 3 疲劳磨损 由于摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损 当两表面接触时 如果接触应力超过材料相应的接触疲劳极限 就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹 随着裂纹的扩展与相互连接 就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来 致使表面上出现许多月牙形浅坑 形成疲劳磨损或疲劳点蚀 4 流体

16、磨粒磨损 由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损 5 流体侵蚀磨损 冲蚀磨损 流体侵蚀磨损是指由液流或气流的冲蚀作用引起的机械磨损 近年来 由于燃气涡机的叶片 火箭发动机的尾喷管这样一些部位的破坏 才引起人们对这种磨损形式的特别注意 6 机械化学磨损 腐蚀磨损 机械化学磨损是指由机械作用及材料与环境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损 7 微动磨损 人们还把一种甚为隐蔽的 由粘附磨损 磨粒磨损 机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式称为微动磨损 8 5 3润滑概述 润滑剂的优点 降低摩擦 减轻磨损 保护零件不遭锈蚀 采用循环润滑时还能起到散热降温的作用 润滑油膜具有缓冲吸振的能力 润滑脂还可起到密封作用 润滑剂分类 气体 液体 半固体和固体四种基本类型 润滑油的粘度可定性地定义为它的流动阻力 粘度又有动力粘度 运动粘度和条件粘度之分 温度上升 润滑油的粘度下降 润滑油受温度影响的程度可用粘度指数 VI 表示 粘度指数值越大 表明粘度随温度的变化越小 即润滑油的粘 温性能越好 润滑脂是另一类最常用的润滑剂 它是润滑油与稠化剂 如钙 锂 钠