第九章 机械零件设计概论PPT讲稿.ppt
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1、第九章 机械零件设计概论第1页,共59页,编辑于2022年,星期二第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论第2页,共59页,编辑于2022年,星期二本课程的主要研究内容:本课程的主要研究内容:机械原理部分机械原理部分 机械零件部分机械零件部分机械原理部分:机械原理部分:常用机构常用机构的结构和运动特点、工作原理、基本分析的结构和运动特点、工作原理、基本分析和设计计算。和设计计算。(1(17 7章章)(连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动(连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构)机构)机器动力学机器动力学基本知识(机械的调速和平衡)基本知识(机械的调速和平衡)(8(8章章
2、)第3页,共59页,编辑于2022年,星期二机械零件部分:机械零件部分:通用零件通用零件的结构特点、工作原理、选用原则、的结构特点、工作原理、选用原则、使用维护、使用维护、国家标准和有关国家标准和有关规范。规范。(9(91919章章)常用联接常用联接(螺纹联接、键联接、销联接)(螺纹联接、键联接、销联接);机械传动机械传动(螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动(螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动和链传动)和链传动);轴系零、部件轴系零、部件(轴、轴承、联轴器等)(轴、轴承、联轴器等).第4页,共59页,编辑于2022年,星期二第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论本章将扼要阐明机械零
3、件设计计算的本章将扼要阐明机械零件设计计算的共性问题共性问题:机械零件设计概述机械零件设计概述;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机械制造常用材料及其选择;机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化;第5页,共59页,编辑于2022年,星期二 机械零件由于某种原因不能正常工作时,机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为称为失效。失效。在不发生失效的条件下,零件所能安全工在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度,称为作的限度,称为工作能力。工作能力。通常此限度是对载通常此限度是对载荷而言,习惯上又称为荷而言,习惯上又称为承载能力。
4、承载能力。几个概念:几个概念:9-1 机械零件设计概机械零件设计概 述述第6页,共59页,编辑于2022年,星期二零件的失效原因零件的失效原因断裂或塑性变形;断裂或塑性变形;过大的弹性变形;过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤;工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动;发生强烈的振动;联接的松弛;联接的松弛;摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。强度强度刚度刚度耐磨性耐磨性振动稳定性振动稳定性耐热性等耐热性等第7页,共59页,编辑于2022年,星期二如:轴的失效如:轴的失效疲劳断裂;疲劳断裂;弹性变形过大,轴承中轴颈倾斜,轴上轮齿受载弹性变形过大,轴承中轴颈倾斜,轴上轮齿受载不匀。不匀。承载
5、能力承载能力取决于轴的疲劳强度;取决于轴的疲劳强度;取决于轴的刚度;取决于轴的刚度;两者中的较小值决定了轴的承载能力两者中的较小值决定了轴的承载能力第8页,共59页,编辑于2022年,星期二轴轴承承的的润润滑滑、密密封封不不良良时时,轴轴瓦瓦或或轴轴颈颈就就可可能能由由于于过过度度磨磨损损而失效;而失效;当当周周期期性性干干扰扰力力的的频频率率与与轴轴的的自自振振频频率率相相等等或或接接近近时时,就就会会发发生生共共振振,导导致致振振幅幅急急剧剧增增大大,这这种种现现象象称称为为失失去去振振动动稳稳定定性性。共共振振可可能能在在短短期期内内使使零零件件损损坏坏,所所以以对对于于重重要要的的、特
6、别是高速运转的轴,还应验算其振动稳定性;特别是高速运转的轴,还应验算其振动稳定性;此外此外第9页,共59页,编辑于2022年,星期二机械零件设计应满足:机械零件设计应满足:足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。不同的失效形式不同的失效形式=各种工作能力判定条件各种工作能力判定条件判定条件可概括为:判定条件可概括为:计算量计算量 许用量许用量判定条件称为工作能力计算准则判定条件称为工作能力计算准则如:强度为主要问题,按强度判定:应力如:强度为主要问题,按强度判定:应力 许用应力许用应力 刚度为主要问题,按刚度判定:变形量刚度为主要问题,按
7、刚度判定:变形量 许用变形量许用变形量 .第10页,共59页,编辑于2022年,星期二 机械零件设计步骤机械零件设计步骤1)拟定计算简图;)拟定计算简图;2)确定零件工作载荷大小;)确定零件工作载荷大小;3)选材;)选材;4)按零件工作能力准则设计零件主要尺寸;)按零件工作能力准则设计零件主要尺寸;5)绘制零件图;)绘制零件图;6)编制技术文件。)编制技术文件。设计计算设计计算第11页,共59页,编辑于2022年,星期二 参照实物(或图纸)和经验数据,初步拟定参照实物(或图纸)和经验数据,初步拟定零件的结构和尺寸,然后再用有关的判定条件进零件的结构和尺寸,然后再用有关的判定条件进行验算。行验算
8、。校核计算校核计算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、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、规格加以圆整;者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整;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、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、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
9、的结果。计参数,才能得到比较合理的结果。注意注意:第12页,共59页,编辑于2022年,星期二9-2 机械零件的强度机械零件的强度强度准则:强度准则:、危险截面处的计算正应力、剪应力;危险截面处的计算正应力、剪应力;、材料的许用应力;材料的许用应力;lim、lim材料的极限应力;材料的极限应力;S安全系数。安全系数。、取决于应力种类、取决于应力种类、材料极限应力和安全系数材料极限应力和安全系数等。等。第13页,共59页,编辑于2022年,星期二不随时间变化的应力。不随时间变化的应力。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具有周期性的变应力。一、应力的分类一、应力的分类第14页,
10、共59页,编辑于2022年,星期二第15页,共59页,编辑于2022年,星期二第16页,共59页,编辑于2022年,星期二第17页,共59页,编辑于2022年,星期二应力与载荷:应力与载荷:应力:应力(MPa=N/mm2)F:载荷:载荷(N)A:受力面积:受力面积(m2)静载荷静载荷离心水泵、皮带运输机、恒定压力离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等;的压力容器等;变载荷变载荷石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等。盘等。第18页,共59页,编辑于2022年,星期二静载荷静载荷通常产生静应力通常产生静应力 ;变载荷变载荷产生变应力产生变应力。静载荷静载荷也可能产生
11、变应力也可能产生变应力 (如转轴中弯曲应力如转轴中弯曲应力)第19页,共59页,编辑于2022年,星期二注意:正确分析应力特性注意:正确分析应力特性举例:举例:(1)静载荷拉杆静载荷拉杆 r=1第20页,共59页,编辑于2022年,星期二(2)转轴转轴对称循环对称循环第21页,共59页,编辑于2022年,星期二(3)(3)齿轮应力齿轮应力脉动循环脉动循环第22页,共59页,编辑于2022年,星期二二、静应力下的许用应力二、静应力下的许用应力零件材料损坏形式:断裂或塑性变形零件材料损坏形式:断裂或塑性变形 塑性材料塑性材料:limlim=S S 屈服极限屈服极限 许用应力许用应力 脆性材料脆性材
12、料:limlim=B B 强度极限强度极限 许用应力许用应力第23页,共59页,编辑于2022年,星期二变应力下零件的失效形式:变应力下零件的失效形式:疲劳断裂疲劳断裂 疲劳断裂疲劳断裂 特征:特征:1)疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限;)疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限;2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形;)疲劳断口均表现为无明显塑性变形;3)断口上明显地有两个区域:光滑区、粗糙)断口上明显地有两个区域:光滑区、粗糙区;区;4)疲劳断裂是损伤的积累的结果。)疲劳断裂是损伤的积累的结果。三、变应力下的许用应力三、变应力下的许用应力第24页,共59页,编辑于2022年,星期二1 1、疲劳曲线、疲
13、劳曲线疲疲劳劳曲曲线线-表表示示应应力力 与与应应力力循循环环次次数数N之之间间的的关系曲线。关系曲线。横坐标横坐标-循环次数循环次数N纵坐标纵坐标-断裂时的循环应力断裂时的循环应力 第25页,共59页,编辑于2022年,星期二应力应力 越小,试件能经受的循环次数越小,试件能经受的循环次数N越多越多N 某数值某数值N0,“无限次无限次”循环试件不断裂循环试件不断裂N0-循环基数循环基数(106107)材料经过材料经过N0 次应力循环,发生破坏的应力值次应力循环,发生破坏的应力值 -疲劳极限疲劳极限 r r对称循环对称循环,r=-1,r=-1疲劳极限疲劳极限-1-1脉动循环脉动循环,r=0,r=
14、0疲劳极限疲劳极限 0 0第26页,共59页,编辑于2022年,星期二无限寿命区无限寿命区(N N0)r r有限寿命区有限寿命区(NN0)r rN N近似方程式:近似方程式:rN-对应循环次数对应循环次数N的疲劳极限;的疲劳极限;C-常数;常数;m-随应力状态而不同的幂指数随应力状态而不同的幂指数(如弯曲如弯曲m=9)第27页,共59页,编辑于2022年,星期二2 2、许用应力、许用应力变应力下,变应力下,limlim=r r 还还应应考考虑虑零零件件的的切切口口和和沟沟槽槽等等截截面面突突变变、绝绝对对尺尺寸寸和和表表面面状状态态等等影影响响,引引入入有有效效应应力力集集中中系系数数k、尺尺
15、寸寸系系数数 和和表表面面状状态态系系数数 等等 对称循环对称循环 r=-1脉动循环脉动循环 r=0第28页,共59页,编辑于2022年,星期二四、安全系数四、安全系数安全系数安全系数S对零件尺寸影响很大:对零件尺寸影响很大:S过大,结构笨重;过大,结构笨重;S过小,可能不够安全。过小,可能不够安全。查表法:查表法:简单、具体、可靠,但适用范围较窄。简单、具体、可靠,但适用范围较窄。没有专门的表格时参考原则:没有专门的表格时参考原则:静静应应力力下下:塑塑性性材材料料以以屈屈服服极极限限为为极极限限应应力力。可可取取安安全全系系数数S=1.2S=1.21.51.5;塑塑性性较较差差的的材材料料
16、可可取取S=1.5S=1.52.52.5。脆脆性性材材料以强度极限为极限应力,应取较大的安全系数料以强度极限为极限应力,应取较大的安全系数S=3S=34 4;第29页,共59页,编辑于2022年,星期二部分系数法:部分系数法:S=S1S2S3 S1考虑载荷及应力计算的准确性;考虑载荷及应力计算的准确性;S2 考虑材料的力学性能的均匀性;考虑材料的力学性能的均匀性;S3 考虑零件的重要性。考虑零件的重要性。具体数值可参阅有关书刊。具体数值可参阅有关书刊。变应力下变应力下:以疲劳极限作为极限应力,可取以疲劳极限作为极限应力,可取S=1.3S=1.31.71.7;若材料不够;若材料不够均匀、计算不够
17、精确时可取均匀、计算不够精确时可取S=1.7S=1.72.52.5。第30页,共59页,编辑于2022年,星期二9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 整体强度整体强度-零件受载是在较大体积内产生应力。零件受载是在较大体积内产生应力。接接触触应应力力-两两零零件件受受载载前前点点接接触触或或线线接接触触,受受载载后后接接触面积很小而表层产生很大局部应力。触面积很小而表层产生很大局部应力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度 如如齿齿轮轮、滚滚动动轴轴承承等等,都都是是通通过过很很小小接接触触面面积积传传递递载载荷荷的的,承承载载能能力力不不仅仅取取决决于于整整体体强强度度,还
18、还取取决决于于表表面面的的接接触强度。触强度。第31页,共59页,编辑于2022年,星期二 机械零件的接触应力通常是周期性变化的,载荷重机械零件的接触应力通常是周期性变化的,载荷重复作用复作用表层初始疲劳裂纹表层初始疲劳裂纹 裂纹逐渐扩展(如有润滑裂纹逐渐扩展(如有润滑油,则被挤进裂纹中产生高压,使裂纹加快扩展)油,则被挤进裂纹中产生高压,使裂纹加快扩展)表层表层金属呈小片状剥落金属呈小片状剥落零件表面形成一些小坑零件表面形成一些小坑-疲劳点疲劳点蚀蚀第32页,共59页,编辑于2022年,星期二 疲劳点蚀疲劳点蚀-减小接触面积,损坏光滑表面,降低了承载减小接触面积,损坏光滑表面,降低了承载能力
19、,并引起振动和噪声。能力,并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式 接触疲劳强度的判定条件接触疲劳强度的判定条件 接触疲劳极限接触疲劳极限 HlimHlim 由实验测得,由实验测得,两零件硬度不两零件硬度不同时以较软零件接触疲劳极限为准;同时以较软零件接触疲劳极限为准;安全系数安全系数SH可取等于或稍大于可取等于或稍大于1。而第33页,共59页,编辑于2022年,星期二 由弹性力学计算由弹性力学计算 H 两轴线平行的圆柱体相互接触并受压,接触面积为狭长矩形,两轴线平行的圆柱体相互接触并受压,接触面积为狭长矩形,最大接触应力发
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