机械零件设计概论3

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1、机械设计基础,主讲 钟良 Email:,西南科技大学,例: 机构齿轮机构(三个构件) 齿轮1 、齿轮2、机架3,轴、轴承、套筒等 轴系零件,齿轮 传动件,键 联接件,3,机构构件零件,机器,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,避免在预定寿命周期内失效,采用标准化零、部件,要求,工作可靠,成本低廉,降低材料消耗，减少加工工时,大型零件采用组合结构,8.1.1机械零件的失效形式和计算准则,失效（failure）： 机械零件由于某种原因不能正常工作时 常见失效形式： 整体断裂或塑性变形强度问题 表面破坏表面强度或耐磨性问题 弹性变形过大刚度问题 强烈震动稳定性问题 联结的松弛、带的打滑等,丝杠

2、断牙部位,被联件拉断,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 ;,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；,注意： 1、通过设计计算出的零件尺寸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准、规格将某些计算值加以

3、圆整。 2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计 ； 3、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。,8.1.2机械零件设计的准则,1、强度准则 （体积静强度，表面静强度） 2、刚度准则（抵抗弹性变形） 3、耐磨性准则 （磨损量，常用接触表面压强来限制） 4、散热性准则（热变形） 5、可靠性准则 （正常工作的概率） 6、其他设计准则 （临界转速、带传动打滑等）,8.2 机械零件的强度,计算准则：,载荷：作用于零件上的力或力矩 名义载荷：理想工作条件下的载荷 计算载荷：作用于零件的

4、实际载荷，考虑各种附加载荷,计算载荷=K 名义载荷,2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化),当max、min均维持常数稳定交变应力 当max和min的数值随时间而改变不稳定的变应力,交变应力随时间作周期性变化的应力,*一个应力循环,构件中的应力由 “最大值最小值最大值”的过程。,1.分类,2.交变应力的特征及典型的交变应力,*最大应力max *最小应力min,循环变应力,平均应力 应力幅,应力循环特性,*变化规律minmax= 应力循环特性,* 应力循环次数, = 1对称循环(对材料损害最大）,当min0 (或max0),当maxmin, 1 静应力,当m0 (maxmin),非对称应力,对

5、称应力 =1,脉动应力 = 0,静应力 =+1, = 0 脉动循环,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、恒定压力的压力容器等。 变载荷石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等,静载荷通常产生静应力,静载荷也可能产生变应力,如转轴中弯曲应力,(对称循环),齿轮弯曲应力 单侧受载 脉动循环,8.2.2 静应力下的许用应力,lim 极限应力与材料、热处理有关 塑性材料：lim= s屈服极限 脆性材料： lim= B强度极限,塑性材料过大的残余变形,=lim/S= s / S,脆性材料断裂,=lim/S= B /S,变应力下的许用

6、应力,1.失效形式:,疲劳断裂,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；,不管脆性材料或塑性材料，其疲劳端口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；,疲劳断裂是损伤的积累，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。,疲劳断裂与应力循环次数有关,2 材料的疲劳曲线rN N（Curve of fatigue ）,N0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,r 疲劳极限,N0循环基数,M（指数）、C实验常系数,rN1,rN2,N1,N2,rN0,103,设计寿命NN0时：材料lim

7、= r,对称循环，r=-1，疲劳极限-1 脉动循环，r=0，疲劳极限0,材料的条件疲劳极限rN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）,设计寿命103NN0 ：材料lim= rN,m、C材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）,Nr，采用rN可得到较大的许用应力，即 “有限寿命”下零件的许用应力，从而减小零件的体积和重量。,疲劳强度的影响因素（Influence factors of fatigue strength）,(1) 应力集中：,零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力,尺寸效应:,绝对尺寸系数: ,(3) 表面状态,尺寸增加，疲劳极限,表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低,有效应

8、力集中系数: k,(2) 绝对尺寸,表面状态系数: ,降低,许用应力:,对称循环: =1,脉动循环: = 0,其中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。,4.安全系数:,查表法,2) 静应力下，脆性材料强度极限为极限应力。S=34,3）变应力下，以疲劳极限为极限应力。S=1.31.7,部分系数法：S=S1S2S3,S1考虑载荷及应力计算的准确性。,S2考虑材料力学性能的均匀性。,S3考虑零件的重要性。,1）静应力下，塑性材料一屈服极限为极限应力。S=1.21.5,第九章 机械零件设计概论,例 一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）

9、与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为W=20KN。试分析（1）拉杆、横梁及支承B的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。,解（1）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力W、F及支承B的约束反力，这些力处于同一平面内。,第九章 机械零件设计概论,由 =0得 kN(拉力) 拉力F可分解为 和 ： =Fcos30=33.870.866=29.33kN =Fsin30=33.870.5=16.94kN 由 =0 得 kN 由 =0 得 kN 顺便指出，后两个方程改写成 =0和

10、=0，同样可以求解。,第九章 机械零件设计概论,2）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重量(包括小车、电动葫芦自重)作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：,第九章 机械零件设计概论,例2 一车轴如图9-5所示。已知=F=110 kN，轴的材料为Q275钢， =550 MPa， =240 MPa，规定的安全系数=1.5。试校核A-A截面的疲劳强度。 解（1）车轴转动时，载荷F的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲变应力，循环特性为r=-1。,（2）A-A截面的弯曲应力 弯 矩 M=11010 82=9.02

11、10 Nmm 截面系数 W=d /32=108 /32=12410 mm 弯曲应力 = /W=9.0210/(12410)=72.7 MPa （3）求各项系数(由机械设计手册中查取) 由 =550 MPa，D/d=133/108=1.23，查得 弯曲时的有效应力集中系数 =1.34，尺寸系数 =0.68.表面粗糙度 及 =550 MPa，查得表面状态 系数 =0.95 （4）疲劳强度校核 弯曲时安全系数 安全。,(一)疲劳点蚀,如果两个零件在受载荷前是点接触或线接触，当受压变形后，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,疲劳点蚀-减小接

12、触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。 齿轮，滚动轴承等零件的主要失效形式。,1. 表面接触强度,8.3 机械零件的接触强度,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为：,对于钢或铸铁，可取泊松比1= 2=0.3代入上式整理后得：,=0.418,接触强度的判定条件为：,以面接触而无相对运动的零件，通过接触面来传递载荷时接触面会产生挤压应力。 表面挤压强度不足时，塑性材料零件表面可能产生塑性变形，脆性材料表面可能产生压溃，引起零件失效。 计算表面挤压强度时，接触应力按接触表面平均应力进行条件性计算，强度条件为,2. 表面

13、挤压强度,耐磨性,磨损的主要类型,1)磨粒磨损： 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。,2）粘着磨损 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。,3）疲劳磨损,4）腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。,耐磨性计算,实用耐磨性计算是限制运动副的压强P,相对速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量fpv。,8.5 机械制造常用材料及其选择,钢和铸铁最常用，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。,一、金属材料 黑色金

14、属铁碳合金 铁碳含金 铸铁(含碳量大于2) 钢(含碳量小于2) 机械性能总体上，含碳量越高，材料强度硬度提高、塑性下降。,1、铸铁,具有适当的易熔性，良好的液态流动性，可铸成形状复杂的零件。减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，机械制造中应用甚广。 常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 灰口铸铁 HT150(抗拉强度150MPa ） 球墨铸铁QT500-7 (抗拉强度500MPa，拉伸率7%） 两者均为脆性材料,不能辗压和锻造 常用在机器的基础或箱体(时效处理消除铸造内应力),2、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。 钢制零件毛坯可

15、用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，应用极为广泛。 按用途分： 1）结构钢(制造零件和工程构件) 2）工具钢(制造各种刃具、模具和量具) 3）特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等) (制造特殊环境下工作零件）,按化学成分： 1）碳素钢含碳量不超过0.7% （低中高碳钢） 普通碳素钢 Q235（A3钢)等 (屈服强度235MPa) 优质碳素钢 45等(含碳量 0.45% 左右） 2）合金钢钢中添加合金元素，如镍、铬、锰、钼、钒等，极大地改善钢材性能。 如：40Cr 35CrMo 40CrNiMo 等, 采用40CrNiMo制造钻具。 3）合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，更大程度上取决于适当的热处理。,4、铸钢 液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造，壁厚常不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。 如：ZG230-450（屈服强度抗拉强度） 选择钢材时，应在满足