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机械零件设计概论机械零件设计概述机械零件由于某种原因不能正常工作时,称之失效在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度,称之工作能力通常此限度对载荷而言,因此习惯上又称之承载能力零件的失效可能由于断裂或者塑性变形;过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或者损伤;发生强烈的振动;联接的松弛;摩擦传动的打滑等机械零件尽管有多种可能的失效形式,但归纳起来最要紧的为强度、刚度、耐磨性、稳固性与温度的影响等几个方面的问题关于各类不一致的失效形式,相应地有各类工作能力判定条件设计机械零件时,常根据一个或者几个可能发生的要紧失效形式,运用相应的判定条件确定零件的形状与要紧尺寸机械零件的设计常按下列步骤进行1)拟定零件的计算简图2)确定作用在零件上的载荷3)选择合适的材料4)根据零件可能出现的失效形式,选用相应的判定条件,确定零件的形状与要紧尺寸应当注意,零件尺寸的计算值一•般并不是最终使用的数值,设计者还要根据制造零件的工艺要求与标准、规格加以圆整5)绘制工作图并标注必要的技术条件以上所述为设计计算在实际工作中,也常使用相反的方式——校核计算,这时先参照实物(或者图纸)与经验数据,初步拟定零件的结构与尺寸,然后再用有关的判定条件进行验算还应注意,在通常机器中,只有一部分零件是通过计算确定其形状与尺寸的,而其余的零件则仅根据工艺要求与结构要求进行设计机械零件的强度在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称之名义载荷然而在机器运转时,零件还会受到各类附加载荷,通常用引入载荷系数K(有的时候只考虑工作情况的影响,则用工作情况系数心)的办法来估计这些因素的影响载荷系数与名义载荷的的乘积,称之计算载荷按照名义载荷用力学公式求得的应力,称之名义应力,按照计算载荷求得的应力,称之计算应力当机械零件按强度条件判定时,比较危险截面处的计算应力(6工)是否小于零件材料的许用应力(M、[r])o即
9.
7.2标准化标准化是指以制订标准与贯彻标准为要紧内容的全部活动过程标准化的研究领域十分宽广,就工业产品标准化而言,它是指对产品的品种、规格、质量、检验或者安全、卫生要求等制订标准并加以实施产品标准化本身包含三个方面的含义1产品品种规格的系列化一一将同一类产品的要紧参数、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;2零部件的通用化一一将同一类型或者不一致类型产品中用途结构相近似的零部件如螺栓,轴承座、联轴器与减速器等,通过统一后实现通用互换;3产品质量标准化一一产品质量是一切企业的“生命线”,要保证产品质量合格与稳固就务必做好设计、加工工艺、装配检验,甚至包装储运等环节的标准化这样,才能在猛烈的市场竞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能够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,可减少库存量与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、地方标准与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G3与推荐性G3/T两种比如《公差与配合》GB1800-79〜GB1804-
79、《普通螺纹基本尺寸》GB196-
81、《渐开线圆柱齿轮模数》G31357-87都是强制性标准,务必执行而《带传动一一普通V带传动》GB/T
13575.1-92即为推荐性标准,鼓励企业自愿使用为了增强在国际市场的竞争能力,我国鼓励积极使用国际标准与国外先进标准近年公布的我国国家标准,许多都使用了相应的国际标准设计人员务必熟悉现行的有关标准通常机械设计手册及机械工程手册以后简称手册中都收录摘编了常用的标准与资料,以供查阅旌㈤而同=”A)材料的极限应力通常都是在简单应力状态下用实验方法测出的关于在简单应力状态下工作的零件,可直接按式(9—1)进行计算;关于在复杂应力状态下的零件,则应根据材料力学中所述的强度理论确定其强度条件许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力与安全系数等应力的种类按照随时间变化的情况,应力可分为静应力与变应力不随时间变化的应力,称之静应力图(9-g),纯粹的静应力是没有的,但如变化缓慢,就可看作是静应力比如,锅炉的内压力所引起的应力,拧紧螺母所引起的应力等图9・1应力的种类随时间变化的应力,称之变应力具有周期性的变应力称之循环变应力,图
9.1所示为通常的非对称循环变应力,图中T为应力循环周期从图b可知平均应力应力幅应力循环中的最小应力与最大应力之比,可用来表示变应力中的应力变化的情况,通常称之变应力的循环特性,用〃表示,即r=9皿—1^max=一〃疝7时,循环特性r=-1称之对称循环变应力(图C)其疝〃,〃尸0当加后
0、叫尸0时,循环特性r=0称之脉动循环变应力(图d)其外羽皿=1/2g如静应力可看作变应力的特例,其Omax=6ni〃,循环特性厂+1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者塑性变形关于塑性材料,可按不发生塑性变形的条件进行计算这时应取材料的屈服极限仍作为极限应力,故许用应力为9-3关于用脆性材料制成的零件,应取强度极限程作为极限应力,其许用应力为9-4关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.灰铸铁虽属脆性材料,但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在,其内部组织的不均匀性已远大于外部应力集中的影响,故计算时不考虑应力集中表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力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下列特征1)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;2)不管脆性材料或者塑性材料,其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)疲劳断裂是损伤的积存,它的初期现象是在零开的截面积不足以承受外载荷时,零件就突然断裂在零件的断口上能够清晰地看到这种情况.疲劳曲线由材料力学可知,表示应力〃与应力循环次数N之间的关系曲线称之疲劳曲线从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知,当循环次数N超过某一数值No以后,曲线趋向水平,即能够认为在“无限次”循环时试件将不可能断裂(图9-3)oNo称之循环基数,对应于No的应力称之材料的疲劳极限通常用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(No)可近似地用下列方程式表示9-5式中一四为对应于循环次数N的疲劳极限;C为常数;力为随应力状态而不一致的幕指数比如弯曲时m=90从式(9-5)可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限9-
6.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与沟槽等截面突变、绝对尺寸与表面状态等影响,为此引入有效应力集中系数心、尺寸系数%与表面状态系数夕等当应力是对称变化时,许用应力为9-7当应力是脉动循环变化时,许用应力为9-8式中S为安全系数;
⑨为材料的脉动循环疲劳极限;右、%及夕的数值可在材料力学或者有关设计手册中查得以上所述为“无限寿命”下零件的许用应力若零件在整个使用期限内,其循环总次数N小于循环基数No时,可根据式9-6求得对应于N的疲劳极限b_|N代入式以7后,可得“有限寿命”下零件的许用应力由于ct-n大于b_i,故使用ct-n可得到较大的许用应力,从而减小零件的体积与重量.
2.4安全系数当没有专门的表格时,可参考下述原则选择安全系数1静应力下,塑性材料以屈服极限为极限应力由于塑性材料能够缓与过大的局部应力故可取安全系数S=
1.2〜
1.5;关于塑性较差的材料如,工>
0.6或者铸钢件可取S=
1.5〜
2.52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比如,关于高强度钢或者铸铁件可取S=3〜43变应力下,以疲劳极限作为极限应力,可取5=
1.3〜
1.7;若材料不够均匀、计算不够精确时可取S=
1.7〜
2.5机械零件的接触强度通常,零件受载时是在较大的体积内产生应力,这种应力状态下的零件强度称整体强度(如§9-2所述)若两个零件在受载前是点接触或者线接触,受载后,由于变形其接触处为一小面积,通常此面积甚小而表面产生的局部应力却很大,这种应力称之接触应力这时零件强度称之接触强度如齿轮,滚动轴承等机械零件,都是通过很小的接触面积传递载荷的,因此它们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,在载荷重复作用下,首先在表层内约20四01处产生初始疲劳裂纹,然后裂纹逐步扩展(如有润滑油,则被挤进裂纹中产生高压,使裂纹加快扩展),终于使表层金属呈小片状剥落下来,而在零件表面形成一些小坑(图9-7)这种现象称之疲劳电蚀发生疲劳点蚀后,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,并引起振动与噪声疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的要紧失效2形式由弹性力学的分析可知,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时(图9-8)其接触面积为一狭长矩形,最大接触应力发生在接触区中线上,其值为工0夕271b11关于钢或者铸铁取泊松比国=阳=产
0.3则上式可化简为接触疲劳强度的判定条件为式中用而为实验测得的材料的接触疲劳极限,关于钢,其经验公式为b,iim=
2、76HBS—NMPa若两零件的硬度不一致时,常以较软零件的接触疲劳极限为准机械零件的耐磨性运动副中,摩擦表面物质不断缺失的现象称之磨损,磨损会逐步改变零件尺寸与摩擦表面状态零件抗磨损的能力称之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免的但是只要磨损速度稳固缓慢,零件就能保持一定寿命因此,在预定使用期限内,零件的磨损量不超过同意值时,就认为是正常磨损出现剧烈磨损时,运动副的间隙增大,能使机械的精度丧失,效率下降,振动、冲击与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可见研究零件耐磨性具有重要意义磨损现象是相当复杂的,有物理、化学与机械等方面原因下面对机械中磨损的要紧类型作一简略介绍.磨粒磨损硬质颗粒或者磨榛表面上硬的凸峰,在磨榛过程中引起的材料脱落现象称之磨粒磨损硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒,也可能是外来的尘土杂质等摩擦面间的硬粒,能使表面材料脱落而留下沟纹.粘着磨损(胶合)加工后的零件表面总有一定的粗糙度摩擦表面受载时,实际上只有部分峰顶接触,接触处压强很高,能使材料产生塑性流淌这种现象称之粘着磨损(胶合)所谓材料转移是指接触表面擦伤与撕脱,严重若接触处发生粘着,滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面,时摩擦表面能相互咬死.疲劳磨损(点蚀)在滚动或者兼有滑动与滚动的高副中,如凸轮,齿轮等,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,这种现象称之疲劳磨损或者点蚀.腐蚀磨损在摩擦过程中,与周围介质发生化学反应或者电化学反应的磨损,称之腐蚀磨损有用耐磨计算是限制运动副的压强P即P[P](9-12)式中[P]是由实验或者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接触面积的发热量沏丫在摩榛系数一定的情况下,可将川值与许用取值进行比较,即9-
139.5机械制造常用材料及其选择金属材料.铸铁铸铁与钢都是铁碳合金,它们的区别要紧在于含碳量的不一致含碳量小于2%的铁碳合金称之钢,含碳量大于2%的称之铸铁铸铁具有适当的易熔性,良好的液态流淌性,因而可铸成形状复杂的零件.钢与铸铁相比,钢具有高的强度、韧性与塑性,并可用热处理方法改善其力学性能与加工性能钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或者铸造等方法取得,因此其应用极为广泛按照用途,钢可分为结构钢,工具钢与特殊钢结构钢用于制造各类机械零件与工程结构的构件;工具钢要紧用于制造各类刃具、模具与量具;特殊钢(如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)用于制造在特殊环境下工作的零件按照化学成分,钢又可分为碳素钢与合金钢碳素钢的性质要紧取决于含碳量,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,专门加入了一些合金元素的钢称之合金钢
(1)碳素结构钢这类钢的含碳量通常不超过
0.7%含碳量低于
0.25%的低碳钢,它的强度极限与屈服极限较低,塑性很高,且具有良好的焊接性,适于冲压、焊接,常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆与焊接构件等含碳量在
0.1%〜
0.2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件,如齿轮、活塞销、链轮等通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨,心部韧而耐冲击假如要求有更高强度与耐冲击性能时,可使用低碳合金钢含碳量在
0.3%〜
0.5%的中碳钢,它的综合力学性能较好,既有较高的强度,又有一定的塑性与韧性,常用作受力较大的螺栓,螺母、键,齿轮与轴等零件含碳量在
0.55%〜
0.7%的高碳钢,具有高的强度与弹性,多用来制作普通的板弹簧,螺旋弹簧或者钢丝绳等
(2)合金结构钢钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能比如镇能提高强度而不降低钢的韧性;铝的作用类似于锦,其影响更大些;钢能提高韧性及强度;硅可提高弹性极限与耐磨性,但会降低韧性合金元素对钢的影响是很复杂的,特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时应当注意,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
(3)铸钢铸钢的液态流淌性比铸铁差,因此用普通砂型铸造时,壁厚常不小于10口加铸钢件的收缩率比铸铁件大,故铸钢件的圆角与不一致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,尽量使用价格便宜供应充分的碳素钢,务必使用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、镐,硼、钢类合金钢比如,我国新颁布的齿轮减速器规范中,已使用35SiMn与ZG35SiMn等代替原用的35c八40CrNi等材料.铜合金铜合金有青铜与黄铜之分,黄铜是铜与锌的合金,并含有少量的镒、铝、保等,它具有很好的塑性及流淌性,故可进行锻压与铸造,青铜可分为含锡青铜与不含锡青铜类,它们的减摩擦性与抗腐蚀性均较好,也可碾压与铸造止匕外,还有轴承合金或者称巴氏合金,要紧用于制作滑动轴承的轴承衬.
5.2非金属材料.橡胶橡胶富于弹性,能汲取较多的冲击能量,常用作联轴器或者减震器的弹性元件,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,而且各类不一致塑料具有不一致的特点,如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等,因此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称之结合塑料,可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件以布、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之层压塑料,可用来制作无声齿轮、轴承衬与摩擦片等此外,在机械制造中也常用到其他非金属材料,如皮革、木材、纸扳、棉、丝等设计机械零件时,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、工作条件与材料的物理、化学、机械与工艺性能与经济因素等进行全面考虑这就要求设计者在材料与工艺等方面具有广泛的知识与实践经验前面所述,仅是一些概略的说明公差与配合、表面粗糙度与优先数系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与附加加工,就能达到预期的技术要求为了实现零件的互换性,务必保证零件的尺寸、几何形状与相对位置与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,但务必使尺寸介于两个同意的极限尺寸之间这两个极限尺寸之差称之公差因此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GB1800〜1803—
79、/T1804—92使用国际公差制,它既能习惯于我国生产进展的需要,也有利于国际间的技术交流与经济协作孔,要紧指圆柱形的内表面,也包含其他内表面,如键槽宽度轴,要紧指圆柱形的外表面,也包含其他外表面,如与键槽相配合的键宽前者统称之包容面,后者统称之被包容面机械制造中最常用的公差等级是4〜11级4级、5级用于特别精密的零件6级、7级、8级用于重要的零件,它们是现代生产中使用的要紧精度等级8级、9级用于工作速度中等及具有中等精度要求的零件10〜11级用于低精度零件,要紧用于低速机器中;这些精度等级同意直接使用棒材、管材或者精密锻件而不需要再作切削加工配合制度有基孔制与基轴制两种基孔制的孔是基准孔,其下偏差为零,代号为H而各类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而各类配合特性是靠改变孔的公差带来实现的为了减少加工孔用的刀具(如钱刀、拉刀)品种,工程中广泛使用基孔制但有的时候仍须使用基轴制,比如,光轴与具有不一致配合特性的零件相配合时;滚动轴承外径与轴承孔配合时等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要紧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R,它是指在取样长度1内,被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值(图9-12)即1R=-\ydxalJ近似为IJL几i=\机械零件的工艺及标准化工艺性设计机械零件时,不仅应使其满足使用要求,即具备所要求的工作能力,同时还应当满足生产要求,否则就可能制造不出来,或者虽能制造但费工费料很不经济在具体生产条件下,如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低,则这样的零件就称之具有良好的工艺性有关工艺性的基本要求是
(1)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、冲压与焊接等毛坯的选择与具体的生产技术条件有关.通常取决于生产批量、材料性能与加工可能性等
(2)结构简单合理设计零件的结构形状时,最好使用最简单的表面(如平面、圆柱面、螺旋面)及其组合,同时还应当尽量使加工表面数目最少与加工面积最小
(3)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,特别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,设计者就务必与工艺技术员工相结合并善于向他们学习此外,在金属工艺学课程与手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识,可供参考。