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1、6 機(jī)械零件設(shè)計(jì)和計(jì)算概論,6.1 機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則 機(jī)械零件喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求性能時(shí)，稱為失效。 零件不發(fā)生失效時(shí)的安全工作限度稱為工作能力。 機(jī)械零件雖然有很多種可能的失效形式，最主要的是由強(qiáng)度、剛度、耐磨性、溫度對(duì)工作能力的影響以及振動(dòng)穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題。所以將以上要求視為衡量機(jī)械零件工作能力的準(zhǔn)則。,機(jī)械零件的設(shè)計(jì)步驟,擬定計(jì)算簡(jiǎn)圖； 確定作用在零件上載荷的大小； 選擇合適的材料； 確定零件尺寸，并標(biāo)準(zhǔn)化； 繪制零件工作圖。,各種計(jì)算準(zhǔn)則的介紹,強(qiáng)度：是機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則，常用判斷危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力（ 、 ）是否小于或等于許用應(yīng)力（ 、 ）。強(qiáng)度條
2、件表達(dá)式為 或 耐磨性：零件抗磨損的能力。零件磨損后會(huì)改變結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，使機(jī)器的精度降低、效率下降、強(qiáng)度減弱。影響磨損的因素很多，如載荷的大小和性質(zhì)、滑動(dòng)速度、潤(rùn)滑劑的性質(zhì)等，但又不能準(zhǔn)確估計(jì)出來(lái)，因此按磨損計(jì)算零件的方法只能是條件性的，不能十分精確。,,,,剛度:是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度的大小常用產(chǎn)生單位彈性變形所需的外力或外力矩來(lái)表示。 剛度的反義詞是柔度，柔度的大小常用單位外力或外力矩所產(chǎn)生的彈性變形來(lái)表示。有些零件需有一定的剛度，即其變形不能超過容許的限度，如軸彎曲剛度不足時(shí)，軸頸將在軸承中傾斜而使兩者接觸不良；有些零件需有一定的柔度，如彈簧一類的彈性零件
3、。 剛度會(huì)影響零件的自振頻率。剛度大自振頻率高，剛度小自振頻率低。 按剛度計(jì)算所得的零件截面尺寸一般要比按強(qiáng)度計(jì)算的大，滿足剛度要求的零件往往也滿足強(qiáng)度要求。,,振動(dòng)穩(wěn)定性： 零件發(fā)生周期彈性變形的現(xiàn)象稱為振動(dòng)。 機(jī)器工作速度的提高和結(jié)構(gòu)重量的減輕， 易使機(jī)器出現(xiàn)振動(dòng)問題，影響工作質(zhì)量。 當(dāng)機(jī)器的自振頻率與周期性干擾力變化 頻率相同或接近時(shí)，就要發(fā)生共振，這時(shí) 振幅急劇增大，此現(xiàn)象稱為失穩(wěn)，即喪失 振動(dòng)穩(wěn)定性。振動(dòng)穩(wěn)定性是指機(jī)器在工作 時(shí)不能發(fā)生振幅超過容許值的振動(dòng)現(xiàn)象。,,耐熱性: 在高溫下工作的零件需要進(jìn)行蠕變計(jì)算。 蠕變是在一定工作溫度和應(yīng)力下，零件塑性 變形緩慢而連續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。
4、 在設(shè)計(jì)摩擦副時(shí)，需進(jìn)行熱平衡計(jì)算， 以判斷單位時(shí)間內(nèi)的摩擦發(fā)熱量和散熱量達(dá) 到平衡時(shí)，零件的工作溫度t是否超過許用 值t。,6、2機(jī)械制造中常用材料及其選擇,一、機(jī)械常用材料：鐵碳合金（鋼和鑄 鐵）、有色合金、非金屬材料和各種復(fù)合 材料。鋼是機(jī)械制造中最常用的材料。 二、鋼的熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱到一 定溫度，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫，然后用一 定的速度冷卻，來(lái)改變金屬及合金的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)，以期改變金屬及合金的物理、化學(xué) 和力學(xué)性能的方法。 常用熱處理的方法：退火、正火、淬火、 回火、表面熱處理等。,,退火：將鋼加熱到一定溫度（45鋼8308600C），保溫一段時(shí)間，隨爐緩冷。退火可消除內(nèi)應(yīng)力，
5、降低硬度。 正火：與退火相似，只是保溫后在空氣中冷卻。正火后鋼的硬度和強(qiáng)度有所提高。低碳鋼一般采用正火代替退火。 淬火：將鋼加熱到一定溫度（45鋼8408500C），保溫一段時(shí)間，而后急速冷卻（水冷或油冷）。淬火后鋼的硬度急劇增加，但脆性也增加。,,回火：將淬火鋼重新加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后空冷?；鼗鹂蓽p小淬火引起的內(nèi)應(yīng)力和脆性，但仍保持高的硬度和強(qiáng)度。根據(jù)加熱溫度不同分低溫回火、中溫回火、高溫回火。淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)。 表面熱處理： 表面淬火：將機(jī)械零件需要強(qiáng)化的表面迅速加熱到淬火溫度，隨即快速將該表面冷卻的熱處理方法。 化學(xué)熱處理：將機(jī)械零件放在含有某種化學(xué)元素（如碳、氮、鉻等
6、）介質(zhì)中加熱保溫，使該元素的活性原子滲入到零件表面的熱處理方法。據(jù)滲入元素不同有滲碳、氮化、氰化。,,幾種普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼的力學(xué)性能見表6163。 幾種常用的鑄鋼和鑄鐵的性能見表64。 幾種青銅（有色金屬）的力學(xué)性能見表65。 三、選擇材料應(yīng)滿足的要求： 使用方面的要求； 工藝方面的要求； 經(jīng)濟(jì)方面的要求。,6.3 許用應(yīng)力和安全系數(shù),應(yīng)力按隨時(shí)間變化的特性分靜應(yīng)力和變應(yīng)力。 靜應(yīng)力為應(yīng)力恒定，不隨時(shí)間變化； 變應(yīng)力為應(yīng)力隨時(shí)間變化的，分脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力、對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力、任意不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力。 應(yīng)力隨時(shí)間變化圖見表66,選擇許用應(yīng)力的方法：,查許用應(yīng)力表法： 部分系數(shù)法： S1:考慮計(jì)
7、算載荷及應(yīng)力準(zhǔn)確性的系數(shù)，一般S111.5 S2: 考慮力學(xué)性能均勻性系數(shù)， S21.22.5 S3:考慮零件重要程度的系數(shù)，一般S311.5,,,靜應(yīng)力下， 塑性材料的屈服極限s 作為極限應(yīng)力，即： 脆性材料的抗拉強(qiáng)度 b 作為極限應(yīng)力，即： 變應(yīng)力下，零件疲勞斷裂是主要的破壞形式，疲勞斷裂與應(yīng)力大小和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。材料經(jīng)過N次應(yīng)力循環(huán)后，不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值稱為疲勞極限r(nóng) 。,,,表示循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線（ N曲線）。 如圖62，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N超過某一數(shù)值N0以后，曲線趨向水平，即 不再隨N的增加而降低，N N0的區(qū)域稱無(wú)限壽命區(qū)，N< N0的區(qū)域稱有限壽命區(qū)， N0稱為循環(huán)基數(shù)。 對(duì)應(yīng)與N0的疲勞極限為r，在對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力下r = -1，在脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力下s= 0。（r為應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù) ）,,,考慮到零件的截面突變、絕對(duì)尺寸及表面狀態(tài)對(duì)疲勞極限的影響，在變應(yīng)力下加入影響系數(shù) 應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變化時(shí) 應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí),,6.4 機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化,從零件的工藝性出發(fā)，對(duì)零件結(jié)構(gòu)提出三個(gè)基本要求： 選擇合理的毛坯種類； 零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理 規(guī)定合理的制造精度和表面粗糙度。,
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