IM电竞·(中国)首页

　　机械零件设计概念含义,概念,帮助,机械设计,机械零件,设计理念,反馈意见

　　机械零件设计概论9-1机械零件设计概述9-2机械零件的强度9-3机械零件的接触强度9-4机械零件的耐磨性9-5机械制造常用材料及其选9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数系9-7机械零件的工艺性及标准化9－1机械零件设计概述对于各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条件，通常称为工作能力计算准则。机械零件的设计准则有强度准则强度准则是指零件中的应力不得超过允许的限度，即许用应力，用公式表示为刚度准则指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不大于允许值，用公式表示为寿命准则要求零件在预期工作期限内，能正常工作而不失效。影响寿命的主要因素是：腐蚀、磨损和疲劳。振动稳定性准则计时应使机器中受激振作用的各个零件的自激振动频率与激振源的频率错开。通常应保证fp085f或fp115f可靠性准则机械零件的可靠性用可靠度表示。可靠度是指零件在规定的时间内，在规定的使用条件下完成规定功能的概率。如有NT个零件在规定的工作条件下使用，在t时刻后仍有NS个零件能正常工作，则此零件在该工作条件下工作t时间的可靠度为机械零件的设计常按下列步骤进行；拟定零件的计算简图。确定作用在零件上的载荷。选择合适的材料。根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。应当注意，零件尺寸的计算值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。绘制工作图并标注必要的技术条件。9－2机械零件的强度载荷——进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数称为载荷系数K载荷系数与名义载荷的乘积，称为计算载荷。按照名义载荷用力学公式求得的应力，称为名义应力。按照计算载荷求得的应力，称为计算应力。应力法应力法是判断危险截面处的最大应力σ，τ是否小于或等于许用应力[σ]，[τ]。计算公式为安全系数法是判断危险截面处的实际安全系数Sσ，Sτ是否大于或等于许用安全系数[Sσ]，[Sτ]。计算公式可写成一、应力的种类静应力——不随时间变化的应力图9-1a。变应力——随时间变化的应力。循环变应力——随时间作有周期性变化的应力。图9-1b所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周循环特性——变应力的最小应力与最大应力之比，用r表示，它可用来描述变应力的变化情况。对称循环变应力——循环特性r＝-1的循环变应力，图9-1c，其σa=σmax=-σmin，σm=0。脉动循环变应力——循环特性r=0的循环变应力，图9-1d，其σa=σm=σmax2，σmin=0静应力可看作变应力的特例，其σmax=σmin，循环特性r=+1。-1r+1，并且r0时，称为非对称循环变应力图b。注意：零件在静载荷作用下不一定产生静应力。对于用脆性材料制成的零件．应取强度极限σB作为极限应力，其许用应力为对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢。还应考虑应力集中的影响。二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时取材料的屈服极限σS作为极限应力，故许用应力为三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：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；不存在宏观的、明显的塑性变形迹象，是脆性突然断裂；疲劳断裂是损伤的积累，在循环应力多次反复作用下产生。对材料的组成、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外界环境等地非常敏感。总之，疲劳破坏的最突出特点是发生突发性、高度局部性以及对各种缺陷的敏感性。右图所示为轴的弯曲疲劳断裂的断口，微裂纹常起始于应力最大的断口周边上。在断口上明显地有两个区域：一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑的疲劳区；一个是最终发生跪性断裂的表面粗糙的断裂区。疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂、所以疲劳断裂与应力循环次数（即使用期限或寿命）密切相关。疲劳曲线表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。当循环次数N超过某一数值N0以后，曲线趋向水平，即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂。N0称为循环基数，对应于N0的应力称为材料的疲劳极限。通常用σ-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。疲劳曲线的左半部（N＜N。），可近似地用下列方程式表示：利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限对称循环变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限为许用应力变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响，为此引入有效应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为四、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定得过大将使结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。在各个不同的机械制造部门，通过长期生产实践，都制订有适合本部门的安全系数（或许用应力）的表格。使用时可以从中查表选取所需的安全系数（或许用应力）。有限寿命下的许用应力分别为对称循环变应力时脉动循环变应力时当没有专门的表格时，可参考下述原则选择安全系数：静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=12~15；对于塑性较差的材料或铸钢件可取S=15~25。静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可变应力下，以疲劳极限作为极限应力，?扇=13~17；若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=17~25。9-3机械零件的接触强度较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为整体强度若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层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。具有一定曲面的两物体在压力下互相接触时，在接触处产生的应力便是接触应力。承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的接触变应力，在载荷重复作用下，零件表面发生疲劳点蚀破坏，（图9-7）。零件发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，接触应力分布如图9-8所示，最大接触应力发生在接触区中线;公式 计算 对于钢或铸铁，取μ1=μ2 =μ=03，则上式简化为： σlimSH9-11 式中σlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若 两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。由图9-8可看出，接触应 力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。由于接触应力是 局部性的应力，且应力的增长与载荷Fn不成直线关系，而要缓慢得多[见式9-9]， 故安全系数SH可取为等于或稍大于1。 9-4机械零件的耐磨性 运动副中，摩 擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。 零件抗磨损的能力称为耐磨性。除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接 接触，否则磨损总是难以避兔的。但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定 寿命。所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨 出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停车检修、更换零件。 据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。 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。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成 的金属微粒，也可能是外界的尘IM电竞 IM ESPORTS APP土杂质等。磨损面间的硬粒，能使表面材料脱落而 留下沟纹。 粘着磨损（胶合） 当摩擦表面接触时，由于表面不平，实际上只有 部分峰顶接触。在有相对运动和一定载荷作用下，接触处压强极高，能使材料产生 塑性流动。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（胶合）。 所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱， 严重时摩擦表面能相互咬死。 疲劳磨损（点蚀） 在滚动或兼有滑动和滚动的高 副中，受载时材料表层有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属 呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或点蚀。 腐蚀磨 是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。 相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触 面积的发热量fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将pv值与许用[pv]值进行比较，即 pv[pv] 9-13 9-5 机械制造常用材料及其选择 一、金属材料 铸铁 铸铁和钢都是 铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢， 含碳量大于2％的称为铸铁。 铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可 铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且 成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。常用的铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻 铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。 钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。 按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件 和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢用于制造 在特殊环境下工作的零件。 按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。 碳素 钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。 为了改 善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金?帧?碳素结构钢 这类钢的含 碳量一般不超过 07％。 含碳量低于 025％的低碳钢，它的强度极限和屈服极限 较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接。 含碳量在01％~02％ 的低碳钢还用以制作渗碳的零件。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而 耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。 含碳量在03％ ~05%的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧 性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。 55％~07％的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。 合金结构钢钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。 应当注意，合金钢的 优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。 铸钢 铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用IM电竞 IM ESPORTS APP普通砂型铸造时，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。 选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。 常用 钢铁材料的力学性能见表9-1。 铜合金 铜合金有青铜与黄铜之分。黄铜是铜和锌 的合金，并含有少量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性及流动性，故可进行辗压 和铸造。青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类，它们的减摩性和抗腐蚀性均较好， 也可辗压和铸造。此外，还有轴承合金（或称巴氏合金），主要用于制作滑动轴承 的轴承衬。 二、非金属材料 橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量， 常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑 的轴承衬。 塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料 具有不同的特点，近年来在机械制造中其应用日益广泛。 以木屑、石棉纤维等作 填充物，用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料。 以布、石棉、薄木板等层 状填充物为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿 轮、轴承衬和摩擦片等。 在机械制造中也常用到其他非金属材料。 设计机械零 件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题。设计者应根据零件的用途、工 作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。这就 要求设计者在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。 为了材料供应和生 产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。 9-6 公差与配合、表面粗糙度和优 一、公差与配合机器是由零件装配而成的。大规模生产要求零件具 有互换性，以便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求． 件的互换性要求保证零件的尺寸、几何形状和相对位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得绝对精确，但零件尺寸必须介于两个允许的极限尺 寸之间，这两个极限尺寸之差称为公差。互换性要求建立标准化的公差与配合制度。 我国的公差与配合采用国际公差制。 如图9-10所示，设计给定的尺寸称为基本尺 寸。零线代表基本尺寸的位置。由代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差 带。同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。 根据公差带的相对位置，配合分为 间隙配合、过渡配合和过盈配合三大类。间隙配合的孔比轴大，用于动联接，如轴 颈与滑动轴承孔。过盈配合的孔比轴小，用于静联接。如火车车轮与轴。过渡配合 可能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有良好同轴性而又便于装拆的静联接， 如齿轮与轴。 国家标准规定，孔与轴的公差带位置各有28个，分别用大写和小写 拉丁字母表示。大写字母表示孔公差带和小写字母表示轴公差带。20个公差等级（即 尺寸精度等级），用阿拉伯数字表示。数字越小，精度越高。 机械制造中最常用 的公差等级是4~11级。 配合制度有基孔制和基轴制两种。基孔制的孔是基准孔， 其下偏差为零，代号为H，而各种配合特性是靠改变轴的公差带来实现的（图9-11）。 基轴制的轴是基准轴，其上偏差为零，代号为h，而各种配合特性是靠改变孔的公差 带来实现的。 例：光轴与具有不同配合特性的零件相配合时采用基轴制；滚动轴承外径与轴承孔配合时采用基轴制。 二、表面粗糙度 表面粗糙度是指零件表面的微观几何 形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。 表面粗糙 度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差Ra，它是指在取样长度l内，被测轮廓上各点 至轮廓中线偏距绝对值的算术平均?担ㄍ?-12），即 近似为 表9-3列出了供优先选 用的表面粗糙度Ra值及与其对应的加工方法。 三、优先数系 优先数系是用 来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。这样可便于组织生 产和降低成本。 GB321—80规定的优先数系有四种基本系列，即R5 、R10、R20、 R40系列，其公比分别为16、125、112、106。 优先数系中任何一个数值称为优 优先数和优先数系是一种科学的数值制度，在确定量值的分级时，必须最大限度地采用上述优先数及优先数系。 9-7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低， 则这样的零件就称为具有良好的工艺性。 有关工艺性的基本要求是； 毛坯选择 合理 机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技求条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加 工可能性等。 设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。 规定适 当的制造精度及表面粗糙度 零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的 精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。 欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识， 可供参考。 二、标准化 标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全 部活动过程。就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格，质量、检验或 安全、卫生要求等制订标准并加以实施。 产品标准化本身包括系列化、通用化、 标准化三个方面的含义。 产品品种规格的系列化——将同一类产品的主要参数、 型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户 的广泛需要； 零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似 的零部件，经过统一后实现通用互换； 产品质量标准化——产品质量是一切企业 的“命根子”，要保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配检验。 甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在澈烈的市场竟争中立于不败之地。 对产品实行标准化具有重大的意义；在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高 产品质量又能降低成本； 在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减 少库存量和便于更换损坏的零件。 按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、 行业标准、地方标准和企业标准四级。 按照标准实施的强制程度，标准又分为强 制性（GB和推荐性（GBT两种。 为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积 极采用国际标准和国外先进标准。 返回目录