机械设计基础(杨可桢版)设计与计算概论

机械零件的工艺性及标准化
前
言
(一) 机械零件的简介: 1
机原研究 →机构←构件→运动的单元 对象 构件←零件→制造的单元
3 例: 机构→齿轮机构(三个构件) 2 齿轮1 、齿轮2、机架3 构件1← 齿轮 →传动件 (小齿轮) 轴、轴承、套筒等 →轴系零件 最基本的 通用零件 键 →联接件
(二)课程特点与学习方法
2.机械零件的强度计算 3.常用材料、公差与配合 4.机械零件的工艺性及标准化
主要内容： 变应力的基本类型及参数；疲劳曲线 机械零件强度计算方法; 材料及选择 机械设计基本知识 本章重点： 变应力的基本类型及参数；疲劳曲线 机械零件强度计算方法 本章难点： 变应力的基本类型及参数 机械零件强度计算方法
前
言
机械零件设计概述
机械零件的强度
机械制造中常用材料及其选择
公差与配合、表面粗糙度和优先数列
一.公差与配合：
p.124 →互换性手册P.167
上偏差 公差： 零件尺寸的两个极限尺寸之差 下偏差 二.表面粗糙度 公差代号： 轴→小写 拉丁字母－f、k、r 三.优先数列 孔→大写 －H、G、K 公差等级: (尺寸精度等级): 1～20级，常用4～11级 →置于公差代号之后 轴(f7 、k7、r7) ; 孔(F7、H7 、K7)
rN N C
m
rN 1 m N 0 N
对称:γ=－1 ③许用应力:
N0 N N 图9-3 p.116 （9－6）
②零件本身:Ｋσ、εσ、β→ p.116第10 →公式(9-7)(9-8)
脉动:γ= 0
1
的思路：∵（任务）设计零件→
∴(抓住)计算准则 ∴学习贯穿一条线： ④ ① *受力分析（*载荷及应力分析←功用、*工作原理） ↓ ⑤ ② *失效形式（*主要失效形式←分类） ↓ ⑥ *计算准则（公式建立的依据） ↓ ⑦ 强度计算（*设计方法→先定主参数* ←*许用应力 ↓ ⑧ ←材料） ③ 结构设计（尺寸及绘图←结构特点、标准）
配合 配合： 同一基本尺寸的孔与轴的结合 →┌间隙配合→孔＞轴 →动联接 Ø35H7/f7 制度 │过渡配合→孔＜轴或孔＞轴 →静联 Ø35H7/k7 接 Ø35H7/r7 └过盈配合→孔＜轴
配合 制度:
基孔制→孔的下偏差＝0 40 H 7( 基轴制→轴的上偏差＝0 40 h7(
p.126 手册P.175
p.122
一.钢:含Ｃ量＜1.4％→常用牌号及力学性质(表9-1) 碳素钢(含Ｓ、Ｐ量)→普通、优质碳素钢 合金钢→结构、轴承、弹簧、工具、不锈钢…… 低碳钢(C) 0.1～0.25 , 中碳钢0.3～0.5, 高碳钢＞0.55 二. 铸钢：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型 铸铁: 含Ｃ＞2.06％→易成型、价廉、吸振、 可靠性差 三 .有色金属：有特殊性能(减摩、抗腐、电…）， 价昂→多用铜合金→其它少用 四. 非金属： 塑料、橡胶
2.许用应力[σ] σｓ/S－屈服极限 σＢ/S－强度极限
二．变应力作用下的强度计算
P.115第18
1.失效形式: →疲劳断裂（图9-2 p.116)→ 与应力性 质、大小、Ｎ有关） 2.许用应力: [σ]=σr /S ；[τ]=τr/S 疲劳极限 = ? Ｎ→（σ－Ｎ）疲劳曲线 σr→ γ→σ-1、σ0、σ+1 (应力性 质) τr 零件本身 应力集中(ｋσ有效应力集中系数 绝对尺寸(εσ尺寸系数) 表面质量(β表面状态系数)
(三) 机械零件的主要失效形式及计算准则 失效形式→ 强度、刚度、振动稳定性、 破坏正常工作条件
计算准则→┌强度准则 →主要→介绍 ├刚度准则 ├振动稳定性准则 └其它准则
一、强度准则
（1）失效形式 1. 整体强度: (2)计算准则
静 静→整体 整体断裂(脆性材料) B S 强 应 破坏 过大的残余变形 S S 度 力 （塑性材料） 变应力 →疲劳破坏 →疲劳断裂(塑、脆性材料) →疲劳强度 r S 2. 表面强度: p.119 , p.121 表面磨损 : p ≤[ p ] (比压、压强)→耐磨性 表面压溃 : p≤ [ ] (挤压应力) →挤压强度 p 接触疲劳: H≤[ H] (接触应力) →接触强度(点蚀)
§9-1 机械零件设计概述
(一)机械设计应满足的要求 (二)设计机械零件应满足的要求
p.113
P.113第7
→既要可靠, 又要成本低 p.113第9 * 避免在预定寿命周期内失效 失效 －机械零件由于某种原因不能正常工作
工作能力 －在不发生失效的条件下,零件所能安全 工作的限度 承载能力 →对载荷而言 (三) 机械零件的主要失效形式及计算准则
σ
σ
σ
σ t
静～ γ=+1
t
t
t 对称～ γ=－1 脉动～ γ= 0
非对称～
*变化规律→σmin／σmax=γ →应力循环特性
*Ｎ
当σm＝0 (σmax＝－σmin)
→应力循环次数
→γ= －1→对称循环～
图9-1 .C
当σmin＝0 (或σmax＝0) 当σmax＝σmin
→γ= 0 →脉动循环～ 图d
0
k S
3.计算应力: (σmax 、σmin)
①简单应力→σ＝σmax ；τ＝τmax
②复合应力→材料力学基本强度理论
4.安全系数:
p.116倒4
作业：9-11，9-12 (σ－1≈ 0.7σ0)
p.129
§9-5 机械制造中常用材料及其选择
(一)常用材料 (二)材料热处理
表面热处理:
表面淬火:
强化零件表面 →表面淬火,化学热处理 表面迅速加热→急冷→低温回火
→表面硬度及耐磨性↑芯部韧性不变
化学热处理:
渗碳(碳原子):
将某种化学元素(活性原子)渗入 零件表面→力学性能↑
→表面很硬,芯韧 表面硬度、耐磨性、 → 抗蚀性、疲劳强度 ↑
氮化(氮原子):
氰化(碳+氮):
§9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数列
(二)材料热处理
一.目的: 1.改变金属内部结构 提高材料力学性能 2.消除内应力(加工,热处理)
二.方法: 退火、正火、淬火、回火、表面热处理 退火:
将零件加热到某一温度→保温→随炉冷却
→消除内应力,硬度减小→改善切削性能
正火:
加热到某一温度→保温→较快冷却(例空冷) → 硬度,强度有所提高 消除内应力(不如退火)
二. 刚度:
(零件抵抗弹性变形的能力) 失效形式 计算准则 过大的弹性变形 ｙ≤[ｙ] 刚度
三. 振动稳定性: (机器振幅不能超过许可值) 共振：机器内的激振源频率≈零件固有频率 （重合或整数倍）→破坏 四. 其它： 破坏正常工作条件引起的失效（联接松动、带 传动打滑、腐蚀、过热......）
§9-2
(二)应力及分类: 静应力→不随时间变化，Ｎ≤103 1.分类 变应力→不断随时间变化 稳定变应力 不稳定变应力 •当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力 •当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力 2.交变应力的特征及典型的交变应力 交变应力－随时间作周期性变化的应力 *一个应力循环 →构件中的应力由“最大值 →最小值→最大值”的这一过程。 *最大应力σmax →平均值 σa σ *最小应力σmin (平均应力σm) σm (σmax－σmin)／2 →应力幅 σa t
淬火: 加热到某一温度→保温→急速冷却 硬度大大提高→耐磨性,疲劳强度提高 → 内应力增大→需消除(回火) 回火: 加热到某一温度(较低)→保温→冷却(空冷) 低温～→ 内应力及脆性均↓, 硬度及强度均较高 →刀具 中温～→ 内应力及脆性均较大↓,硬度↓,弹性↑ →弹簧 高温～→ 综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、 韧性) →结构件→调质
→γ＝＋1 →静应力 图a
(三)机械零件的强度计算
P.115
强度计算通式→ σ≤σlim／ｓ=[σ]（正应力） τ≤τlim／ｓ =[τ] （切应力） 关键: ①σ的计算 ② [σ]的取值 一．静应力作用下的强度计算
1.失效形式： 塑性材料→过大的残余变形
P.115第8
脆性材料→断裂 3.计算应力 (正确运用材力有关公式)： ①简单应力:（单向应力）→ 拉σ＝Ｆ／Ａ ； 二．变应力作用下的强度计算 弯σＦ＝Ｍ／Ｗ ; 剪τ＝Ｆ／Ａ ; 扭τＴ＝Ｔ／ＷＴ ②复合应力：→材料力学基本强度理论
传动零件
轴系零件 联接零件
附件 机架
通用零件 机械零件→ 专用零件（机架、手柄、车轮......） 本课程研究对象: →一般尺寸参数的通用机械零件的设计 讲课顺序: 总论→螺纹联接→齿轮传动→蜗杆传动→滑动轴承 → 滚动轴承 →键联接 →联轴器与离合器 →轴→ 带传动→链传动 (二)课程特点与学习方法 繁杂（门类多、关系多、要求多、 公式多 、图形多、表格多） 分析处理问题的思路: 特点：
p.126 倒2
§9-7 机械零件的工艺性及标准化
p.127
一.工艺性: P127第6 工艺性好→易加工、装配，费用低→工艺性审查 二.标准化： 按有关标准设计机械零件 两重含意: 尽量选用标准件 运用范围→国际ISO、国家GB、行业标、 分类: (JB、YB、QB)、地方标、企业标准 制图、公差、 使用强制性→ 必须执行： 形位、模数…… 推荐使用： 标准直径手册P.117
0.025
0
0
)
二.表面粗糙度
0.025 →常用基孔制
)
→零件表面的微观几何形状误差 →（评定）轮廓算术平均偏差(表面粗糙度Ｒａ)
→表(9－3) p.127
三.优先数列:
p.126
手册P.117
→便于组织生产和降低成本ＧＢ321－80 Ｒ5 →公比 5 10 ; Ｒ10 →公比= 10 10 Ｒ20 →公比 = 20 10 ; Ｒ40 →公比= 40 10