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机械原理——机械的平衡 第11章 机械零件设计概论 11-1 机械零件设计概述 11-2 常用材料及其选择 11-3 许用应力和安全系数 11-4 机械零件的工艺性和标准化 基本要求: 掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能 11-1 机械零件设计概述 一、机械零件分类 二、机械零件设计基本要求 三、机械零件设计过程 四、机械零件传统设计方法 一、机械零件分类 机器：机械、机构的总称 构件——运动的单元 零件——制造的单元 传动件：齿轮、蜗杆、带、链 二、机械零件设计基本要求 1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求 三、机械零件设计过程 零件设计时的共性： 过程： 1、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置 3、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图 四、机械零件传统设计方法 理论设计(半经验设计)： 类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新 模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计 五 机械零件的工作能力准则 1、机械零件常见失效形式 2、工作能力准则 3、强度准则 4、刚度准则 5、耐磨性准则 6、振动稳定性准则 7、耐热性准则 1、机械零件常见失效形式 失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏 常见主要失效形式有： 断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形 过大弹性变形 表面破坏 过大振动和噪声、过热等 例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振 2、工作能力准则 工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度 这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为“承载能力” 如： 吊钩最大起重量——50 kN 工作能力或承载能力——50 kN 工作能力准则：衡量零件工作能力的指标 对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计 具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则 3、强度准则 机械零件工作能力的最基本准则 强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力 强度准则：工作应力≤许用应力 σ≤ [σ] 或 τ≤ [τ] 针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形 典型零部件：轴、齿轮、 带轮等 4、刚度准则 刚度：材料抵抗弹性变形的能力 刚度准则：实际变形量≤许用变形量 弯曲刚度：挠度条件： y ≤[y] 倾角条件：θ≤[θ] 扭曲刚度：扭角条件：j ≤ [j] 针对失效形式：过大的弹性变形 典型零部件：轴、蜗杆等 5、耐磨性准则 耐磨性：零件抗磨损的能力 磨损是相当复杂的物理化学过程 影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等 具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损 耐磨性准则： P? ??? ?? ? ???? 针对失效形式：零件表面破坏 典型零部件：齿轮、轴承、链等 6、振动稳定性准则 共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值 振动稳定性准则：0.85f fp 或 1.15ffp 针对失效形式：共振产生的工作失常 典型零部件：轴等 7、耐热性准则 高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等 耐热性准则：工作温度低于许用值 针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变 典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等 11-2 常用材料及其选择 一、常用材料 二、热处理方法 三、材料力学性能指标 四、材料选择原则 一、常用材料 常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、可靠性差 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：含Ｃ量＜1.4％→常用 碳素钢：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素钢、优质碳素钢 合金钢：综合机械性能好，但较贵 合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型 3 有色金属合金：有特殊性能，价昂→少用 铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料： 工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料… 二、热处理方法 1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理 热处理比较 1 退火 降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力 2 正火 用于处理低中碳钢，代替低中碳