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1、第11章 機(jī)械零件設(shè)計概論,11-1 機(jī)械零件設(shè)計概述 11-2 常用材料及其選擇 11-3 許用應(yīng)力和安全系數(shù) 11-4 機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化,基本要求: 掌握零件常見的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則 掌握許用應(yīng)力、安全系數(shù)的概念及確定方法 了解零件的常用材料及性能,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,,11-1 機(jī)械零件設(shè)計概述,一、機(jī)械零件分類 二、機(jī)械零件設(shè)計基本要求 三、機(jī)械零件設(shè)計過程 四、機(jī)械零件傳統(tǒng)設(shè)計方法,,,,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,一、機(jī)械零件分類,機(jī)器：機(jī)械、機(jī)構(gòu)的總稱 構(gòu)件運動的單元 零件制造的單元,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,通用 零件,傳動件：齒輪、蝸桿、帶
2、、鏈,聯(lián)接件：螺栓、鍵、花鍵,支承件：軸、軸承,機(jī)械零件,專用零件：水輪機(jī)葉片、活塞、曲軸,飛機(jī)螺旋槳,其它：聯(lián)軸器、彈簧、機(jī)架,二、機(jī)械零件設(shè)計基本要求,1、滿足功能要求，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)定的功能 2、工作可靠，在預(yù)定的工作期限內(nèi)不能失效 3、經(jīng)濟(jì)性要求,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,三、機(jī)械零件設(shè)計過程,零件設(shè)計時的共性：,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,過程： 1、擬訂零件的設(shè)計簡圖 2、確定載荷的大小及位置 3、選擇材料 4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計出零件的主要參數(shù) 5、繪制零件工作圖,工作原理、結(jié)構(gòu)、 類型、應(yīng)用場合,,受力分析、 失效形式,,設(shè)計準(zhǔn)則、 設(shè)計計算,,四、機(jī)
3、械零件傳統(tǒng)設(shè)計方法,理論設(shè)計(半經(jīng)驗設(shè)計)：,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,類比設(shè)計： 與已有的同類產(chǎn)品進(jìn)行比較來設(shè)計新產(chǎn)品。這種方法在工程實際中用得較多，特點是節(jié)省時間，較可靠 經(jīng)驗設(shè)計： 根據(jù)實踐中歸納出的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，缺乏創(chuàng)新 模型實驗設(shè)計： 用于大型、復(fù)雜零件的設(shè)計,強(qiáng)度條件(或剛度),尺寸,強(qiáng)度條件(或剛度),,五 機(jī)械零件的工作能力準(zhǔn)則,1、機(jī)械零件常見失效形式 2、工作能力準(zhǔn)則 3、強(qiáng)度準(zhǔn)則 4、剛度準(zhǔn)則 5、耐磨性準(zhǔn)則 6、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 7、耐熱性準(zhǔn)則,,,,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,1、機(jī)械零件常見失效形式,失效：喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計要求的性能，不
4、僅僅指破壞 常見主要失效形式有： 斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂 表面點蝕：工作表面片狀剝落 塑性變形：零件發(fā)生永久性變形 過大彈性變形 表面破壞 過大振動和噪聲、過熱等,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,例如軸可能的失效形式： 斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振,,2、工作能力準(zhǔn)則,工作能力：不失效條件下零件的安全工作限度 這個限度通常是以零件承受載荷的大小來表示，所以又常稱為“承載能力” 如： 吊鉤最大起重量50 kN 工作能力或承載能力50 kN,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,工作能力準(zhǔn)則：衡量零件工作能力的指標(biāo) 對零件設(shè)計，針對其主要失效形式選擇適合的工作能力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計 具體有：強(qiáng)度
5、準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則、耐熱性準(zhǔn)則,,3、強(qiáng)度準(zhǔn)則,機(jī)械零件工作能力的最基本準(zhǔn)則 強(qiáng)度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力 強(qiáng)度準(zhǔn)則：工作應(yīng)力許用應(yīng)力 或 ,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,針對失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形 典型零部件：軸、齒輪、 帶輪等,正應(yīng)力：,剪應(yīng)力：,,4、剛度準(zhǔn)則,剛度：材料抵抗彈性變形的能力 剛度準(zhǔn)則：實際變形量許用變形量 彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件： 扭曲剛度：扭角條件：j j,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,針對失效形式：過大的彈性變形 典型零部件：軸、蝸桿等,,5、耐磨性準(zhǔn)則,耐磨性：零件抗磨損的能力 磨損是相當(dāng)復(fù)雜
6、的物理化學(xué)過程 影響磨損的因素包括載荷的大小和性質(zhì)、滑動速度、潤滑劑的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)等 具體有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損 耐磨性準(zhǔn)則： P ,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,針對失效形式：零件表面破壞 典型零部件：齒輪、軸承、鏈等,,6、振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則,共振：當(dāng)機(jī)器的自振頻率與周期性干擾力變化頻率相同或整數(shù)倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急劇增大，導(dǎo)致零件破壞或機(jī)器工作條件失常等 振動穩(wěn)定性：機(jī)器工作時振幅不能超過許可值 振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則：0.85f fp 或 1.15f
7、等,,7、耐熱性準(zhǔn)則,高溫引起承載能力降低、蠕變，也會造成熱變形、附加熱應(yīng)力，破壞正常的潤滑條件，改變零件間的間隙，降低精度等 耐熱性準(zhǔn)則：工作溫度低于許用值,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,針對失效形式：高溫引起的潤滑不良、蠕變 典型零部件：蝸桿、齒輪、滑動軸承等,,11-2 常用材料及其選擇,一、常用材料 二、熱處理方法 三、材料力學(xué)性能指標(biāo) 四、材料選擇原則,,,,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,一、常用材料,常用零件材料的力學(xué)性能等級和牌號 1 鑄鐵：含2.06易成型、價廉、吸振、可靠性差 灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵 2 鋼：含量1.4常用 碳素鋼：（含、量不同）普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼
8、 合金鋼：綜合機(jī)械性能好，但較貴 合金鋼的優(yōu)良性能取決于化學(xué)成份及熱處理 鑄鋼：含（0.150.6）易成型 3 有色金屬合金：有特殊性能，價昂少用 鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金 4 非金屬材料： 工程塑料、橡膠、燒結(jié)材料、復(fù)合材料,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,二、熱處理方法,1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面熱處理,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,熱處理比較,1 退火 降低硬度、提高韌性、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力 2 正火 用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼的退火。提高硬度，增加韌性， 易于切削，減少應(yīng)力,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,3 淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨
9、性、但內(nèi)應(yīng)力增大，會發(fā)脆，應(yīng)再回火 4 回火 消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，以獲得零件所需的性能，提高韌性 低溫回火：高強(qiáng)度、高硬度及良好的耐磨性 中溫回火：高彈性、硬度中等 高溫回火：強(qiáng)度、塑性、韌性都較好(調(diào)質(zhì)淬火+高溫回火),正火(空冷),,,,,,退火(爐冷),回火,加熱,保溫,淬火,,表面熱處理,表面熱處理：表面增硬，芯部韌 表面淬火法（火焰加熱、感應(yīng)加熱） 化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、氰化...）,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,三、材料力學(xué)性能指標(biāo),彈性極限：sP 抗拉強(qiáng)度：sB 屈服強(qiáng)度：sS ( s0.2 ),,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,硬度： HBS:布氏硬度 硬度機(jī)壓頭為淬火鋼
10、球，不能測太硬的材料，一般HBS<450 HRC、HRB、HRA:洛氏硬度 120金剛石錐體，載荷150kgf,不能冊硬、脆的薄層零件 HV:維氏硬度 136 金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf 顯微硬度 三種硬度單位之比較： HV(維氏) HBS(布氏)；HRC(洛氏)10 HBS,,四、材料選擇原則,使用要求：使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度... 工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法... 經(jīng)濟(jì)要求：材料價格結(jié)合加工費用、材料利用率...,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,11-3 許用應(yīng)力和安全系數(shù),一、載荷 二、應(yīng)力 三、極限應(yīng)力 四、許用應(yīng)力和安全系數(shù),,,,,機(jī)械
11、設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,一、載荷,載荷：作用于零件上的力或力矩 工作載荷：機(jī)器正常工作時所受的實際載荷 名義載荷：理想工作條件下的載荷 計算載荷：作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷,計算載荷=K 名義載荷,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,二、應(yīng)力,靜應(yīng)力：不隨時間改變或變化緩慢的應(yīng)力 變應(yīng)力：隨時間作周期性或非周期性變化的應(yīng)力 變應(yīng)力：穩(wěn)定變應(yīng)力（隨時間作周期性）、不穩(wěn)定變應(yīng)力（非周期性循環(huán)變應(yīng)力）,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,穩(wěn)定變應(yīng)力：對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力、非對稱循環(huán)變應(yīng)力,,應(yīng)力參數(shù),以正應(yīng)力s為例 最大應(yīng)力: smax= sm+sa 最小應(yīng)力: smin 應(yīng)力幅:
12、 sa,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,平均應(yīng)力: sm 循環(huán)特征: r,,,靜應(yīng)力,應(yīng)力表達(dá)： s+1（ t+1 ） 最大應(yīng)力: smax 最小應(yīng)力: smin 應(yīng)力幅: sa 平均應(yīng)力: sm 循環(huán)特征: r,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,sm,,脈動循環(huán)變應(yīng)力,應(yīng)力表達(dá)： s0（ t0 ） 最大應(yīng)力: smax 最小應(yīng)力: smin 應(yīng)力幅: sa 平均應(yīng)力: sm 循環(huán)特征: r,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,,,,對稱循環(huán)變應(yīng)力,應(yīng)力表達(dá)： s-1（ t-1 ） 最大應(yīng)力: smax 最小應(yīng)力: smin 應(yīng)力幅: sa 平均應(yīng)力: sm 循環(huán)特征: r,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零
13、件設(shè)計概論,,,,三、極限應(yīng)力,1 靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力 與材料性能有關(guān) 脆性材料取強(qiáng)度極限sB(tB),,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,塑性材料取屈服極限sS(tS),,,,2 變應(yīng)力下的極限應(yīng)力,疲勞極限：依據(jù)防疲勞斷裂的準(zhǔn)則確定 材料經(jīng)過N0次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值sr(tr),,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,各種材料的sr可從有關(guān)手冊中查取,,,,,,,四、許用應(yīng)力和安全系數(shù),許用應(yīng)力：設(shè)計零件時所依據(jù)的條件應(yīng)力,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,安全系數(shù)許用應(yīng)力結(jié)構(gòu)笨重 安全系數(shù)許用應(yīng)力不夠安全,許用應(yīng)力確定,1 查許用應(yīng)力表 根據(jù)實踐經(jīng)驗制成表格選取,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計
14、概論,2 部分系數(shù)法 S=S1S2S3 S1：計算載荷和應(yīng)力準(zhǔn)確性系數(shù)（11.5) S2：材料的均勻系數(shù)（鑄鐵:1.52.5,鋼:1.21.5） S3：零件重要性系數(shù)（11.5),,11-4 機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化,一、工藝性 主要體現(xiàn)在下面三個方面： 1. 毛坯選擇合理 鑄件、鍛件、 型材 ？單件生產(chǎn)、批量生產(chǎn)？ 2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理 幾何形狀力求簡單，截面大小盡可能均勻... 3. 制造精度及表面粗糙度選擇合理 二、標(biāo)準(zhǔn)化 品種規(guī)格的系列化、零部件的通用化、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化 國際標(biāo)準(zhǔn)ISO、國家標(biāo)準(zhǔn)GB、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB、YB、QB)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)又分為強(qiáng)制性（GB）和推薦性（GB/T）兩種 這些標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)械手冊中可以查到，我們應(yīng)學(xué)會查手冊,,,,,機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械零件設(shè)計概論,
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