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1、6 機械零件設計和計算概論,6.1 機械零件的工作能力準則 機械零件喪失工作能力或達不到設計要求性能時，稱為失效。 零件不發(fā)生失效時的安全工作限度稱為工作能力。 機械零件雖然有很多種可能的失效形式，最主要的是由強度、剛度、耐磨性、溫度對工作能力的影響以及振動穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題。所以將以上要求視為衡量機械零件工作能力的準則。,機械零件的設計步驟,擬定計算簡圖； 確定作用在零件上載荷的大??； 選擇合適的材料； 確定零件尺寸，并標準化； 繪制零件工作圖。,各種計算準則的介紹,強度：是機械零件工作能力的最基本準則，常用判斷危險截面處的最大應力（ 、 ）是否小于或等于許用應力（ 、 ）。強度條
2、件表達式為 或 耐磨性：零件抗磨損的能力。零件磨損后會改變結構形狀和尺寸，使機器的精度降低、效率下降、強度減弱。影響磨損的因素很多，如載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑劑的性質等，但又不能準確估計出來，因此按磨損計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。剛度的大小常用產生單位彈性變形所需的外力或外力矩來表示。 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生的彈性變形來表示。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，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。 按剛度計算所得的零件截面尺寸一般要比按強度計算的大，滿足剛度要求的零件往往也滿足強度要求。,,振動穩(wěn)定性： 零件發(fā)生周期彈性變形的現象稱為振動。 機器工作速度的提高和結構重量的減輕， 易使機器出現振動問題，影響工作質量。 當機器的自振頻率與周期性干擾力變化 頻率相同或接近時，就要發(fā)生共振，這時 振幅急劇增大，此現象稱為失穩(wěn)，即喪失 振動穩(wěn)定性。振動穩(wěn)定性是指機器在工作 時不能發(fā)生振幅超過容許值的振動現象。,,耐熱性: 在高溫下工作的零件需要進行蠕變計算。 蠕變是在一定工作溫度和應力下，零件塑性 變形緩慢而連續(xù)增長的現象。
4、 在設計摩擦副時，需進行熱平衡計算， 以判斷單位時間內的摩擦發(fā)熱量和散熱量達 到平衡時，零件的工作溫度t是否超過許用 值t。,6、2機械制造中常用材料及其選擇,一、機械常用材料：鐵碳合金（鋼和鑄 鐵）、有色合金、非金屬材料和各種復合 材料。鋼是機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，經過一定時間的保溫，然后用一 定的速度冷卻，來改變金屬及合金的內部 結構，以期改變金屬及合金的物理、化學 和力學性能的方法。 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），保溫一段時間，隨爐緩冷。退火可消除內應力，
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，保溫一段時間，然后空冷?；鼗鹂蓽p小淬火引起的內應力和脆性，但仍保持高的硬度和強度。根據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質。 表面熱處理： 表面淬火：將機械零件需要強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。 化學熱處理：將機械零件放在含有某種化學元素（如碳、氮、鉻等
6、）介質中加熱保溫，使該元素的活性原子滲入到零件表面的熱處理方法。據滲入元素不同有滲碳、氮化、氰化。,,幾種普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼、合金鋼的力學性能見表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）的力學性能見表65。 三、選擇材料應滿足的要求： 使用方面的要求； 工藝方面的要求； 經濟方面的要求。,6.3 許用應力和安全系數,應力按隨時間變化的特性分靜應力和變應力。 靜應力為應力恒定，不隨時間變化； 變應力為應力隨時間變化的，分脈動循環(huán)應力、對稱循環(huán)應力、任意不對稱循環(huán)應力。 應力隨時間變化圖見表66,選擇許用應力的方法：,查許用應力表法： 部分系數法： S1:考慮計
7、算載荷及應力準確性的系數，一般S111.5 S2: 考慮力學性能均勻性系數， S21.22.5 S3:考慮零件重要程度的系數，一般S311.5,,,靜應力下， 塑性材料的屈服極限s 作為極限應力，即： 脆性材料的抗拉強度 b 作為極限應力，即： 變應力下，零件疲勞斷裂是主要的破壞形式，疲勞斷裂與應力大小和應力循環(huán)次數有關。材料經過N次應力循環(huán)后，不發(fā)生破壞的應力最大值稱為疲勞極限r 。,,,表示循環(huán)次數N與疲勞極限間的關系曲線稱為疲勞曲線（ N曲線）。 如圖62，當循環(huán)次數N超過某一數值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。 對應與N0的疲勞極限為r，在對稱循環(huán)變應力下r = -1，在脈動循環(huán)變應力下s= 0。（r為應力循環(huán)特性系數 ）,,,考慮到零件的截面突變、絕對尺寸及表面狀態(tài)對疲勞極限的影響，在變應力下加入影響系數 應力對稱循環(huán)變化時 應力脈動循環(huán)變化時,,6.4 機械零件的工藝性和標準化,從零件的工藝性出發(fā)，對零件結構提出三個基本要求： 選擇合理的毛坯種類； 零件的結構簡單合理 規(guī)定合理的制造精度和表面粗糙度。,
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