机械零件设计和计算准则

6-4 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
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机械零件设计和计算准则
•机械设计基础——机械零件设计和计算概论
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、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
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三、机械零件设计过程
❖ 零件设计时的共性：
•工作原理、结构、 •类型、应用场合
•受力分析、 •失效形式
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三、材料力学性能指标
s
•D
强度： ❖ 弹性极限： sP ❖ 抗拉强度： sB
•C B
sp
sS
•E sB
❖ 屈服强度： sS(s0.2)
e
硬度：
A
❖ HBS:布氏硬度
硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS<450
❖ HRC:洛氏硬度
120º金刚石锥体，载荷150kgf,不能测硬、脆的薄层零件
❖ HV:维氏硬度
136 º金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf
❖ 三种硬度单位之比较：
❖ HV(维氏) ≈ HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10 ≈ HBS
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许用应力确定
1 查许用应力表
❖ 根据实践经验制成表格选取
2 部分系数法 ❖ S=S1S2S3 ❖ S1：计算载荷和应力准确性系数（1~1.5) ❖ S2：材料的均匀系数（铸铁:1.5~2.5,钢:1.2~1.5） ❖ S3：零件重要性系数（1~1.5)
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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
通用
•联接件：螺栓、键、花键
•
零件
支承件：轴、轴承
机
械
•其它：联轴器、弹簧、机架
零
件 专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨
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•强度条件(或刚度) •设计计算 •尺寸 •校核计算 •强度条件(或刚度)
❖ 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
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四、许用应力和安全系数
•许用应力 •安全系数
•极限应力
❖ 许用应力：设计零件时 所依据的条件应力
❖ 安全系数↑→许用应力↓→结构笨重 ❖ 安全系数↓→许用应力↑→不够安全
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s
•C B
sp
sS
•D •E
sB
e A
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2 变应力下的极限应力
❖ 疲劳极限：依据防疲劳断裂的准 则确定
❖ 材料经过N0次应力循环不发生破 坏的应力最大值sr(tr)
•有限寿命区 •无限寿命区
❖ 各种材料的sr可从有关手册中查取
•设计准则、 •设计计算
❖ 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
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四、机械零件传统设计方法
❖ 理论设计(半经验设计)：
2 正火
❖ 用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性， 易
于切削，减少应力
3 淬火（蘸火）
•保温 • 淬火
•退火(炉冷)
•正火(空冷) •回火
•时间
❖ 提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火
4 回火
❖ 消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性
❖ 低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性
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
•50 kN
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脉动循环变应力
s
❖ 应力表达： s0（ t0 ）
❖ 最大应力: smax ❖ 最小应力: smin
•sm
❖ 应力幅: sa
•t
❖ 平均应力: sm
❖ 循环特征: r
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对称循环变应力
s
❖ 应力表达： s-1（ t-1 ）
❖ 最大应力: smax
❖ 计算载荷=K ×名义载荷 •载荷系数
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二、应力
❖ 静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力
❖ 变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力
❖ 变应力：稳定变应力（随时间作周期性）、不稳定变应力
（非周期性循环变应力）
s
•sm
❖ 稳定变应力：对称循环变应力、
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一、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
•强度问题
❖ 塑性变形：零件发生永久性变形
❖ 过大弹性变形
•刚度问题
❖ 表面破坏
•耐磨性问
❖ 过大振动和噪声、过热等
题
•n •F
❖ 例如轴可能的失效形式：
断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振
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二、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
四、材料选择原则
❖ 使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度... ❖ 工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法... ❖ 经济要求：材料价格结合加工费用、材料利用率...
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静应力 s
❖ 应力表达： s+1（ t+1 ）
❖ 最大应力: smax
•sm
❖ 最小应力: smin
❖ 应力幅: sa
•t
❖ 平均应力: sm
❖ 循环特征: r
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❖ 中温回火：高弹性、硬度中等
❖ 高温回火：强度、塑性、韧性都较好(调质——淬火+高温回火)
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表面热处理
❖ 表面热处理：表面增硬，芯部韧 ❖ 表面淬火法（火焰加热、感应加热…） ❖ 化学热处理（渗碳、氮化、氰化...）
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四、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
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五、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
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2020/11/18
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•机械设计基础——机械零件设计和计算概论
6-1 机械零件机械零件设计概述
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
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二、热处理方法
1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理
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热处理比较
•温度
1 退火
❖ 降低硬度、提高韧性、细化晶粒、
消除内应力
•加热
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6-3 许用应力和安全系数
一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数
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一、载荷
❖ 载荷：作用于零件上的力或力矩 ❖ 工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷 ❖ 名义载荷：理想工作条件下的载荷 ❖ 计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷
smax
脉动循环变应力、非对称循环变
smin
应力
•t s
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•t
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应力参数 s
❖ 以正应力s为例
❖ 最大应力: smax= sm+sa ❖ 最小应力: smin ❖ 应力幅: sa
smax smin
•sm •t
❖ 平均应力: sm ❖ 循环特征: r
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五、机械零件现代设计方法
❖ 优化设计：
❖ 模拟设计： ❖ CAD/CAM ❖ 有限元 ❖ 优化与仿真结合
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6-2 机械零件的工作能力准则
一、机械零件常见失效形式 二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则 六、振动稳定性准则 七、耐热性准则
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三、强度准则
❖ 机械零件工作能力的最基本准则
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❖ 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]
•正应力： •剪应力：
•极限应力
❖ 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
❖ 最小应力: smin
•t
❖ 应力幅: sa
❖ 平均应力: sm
❖ 循环特征: r
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三、极限应力
1 静应力下的极限应力
❖ 与材料性能有关 ❖ 脆性材料取强度极限sB(tB)
s
•灰口铸铁
sB
•玻璃钢
e
❖ 塑性材料取屈服极限 sS(tS)
❖ 针对失效形式：共振产生的工作失常 ❖ 典型零部件：轴等
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七、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
❖ 针对失效形式：零件表面破坏 ❖ 典型零部件：齿轮、轴承、链等
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六、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 1.15f<fp