机械零件设计概论.docx
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机械零件设计概论
第9章机械零件设计概论
9.1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,称为失效。
在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度,称为工作能力。
通常此限度对载荷而言,所以习惯上又称为承载能力。
零件的失效可能由于:
断裂或塑性变形;过大的弹性变形;工作表面的过度磨损或损伤;发生强烈的振动;联接的松弛;摩擦传动的打滑等。
机械零件虽然有多种可能的失效形式,但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。
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。
设计机械零件时,常根据一个或几个可能发生的主要失效形式,运用相应的判定条件,确定零件的形状和主要尺寸。
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。
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,也常采用相反的方式─—校核计算,这时先参照实物(或图纸)和经验数据,初步拟定零件的结构和尺寸,然后再用有关的判定条件进行验算。
还应注意,在一般机器中,只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的,而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。
9.2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为名义载荷。
然而在机器运转时,零件还会受到各种附加载荷,通常用引入载荷系数K(有时只考虑工作情况的影响,则用工作情况系数KA)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。
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(σ、τ)是否小于零件材料的许用应力([σ]、[τ])。
即
(9-1)
材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的。
对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;对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和安全系数等。
9.2.1应力的种类
按照随时间变化的情况,应力可分为静应力和变应力。
不随时间变化的应力,称为静应力图(9-1a),纯粹的静应力是没有的,但如变化缓慢,就可看作是静应力。
例如,锅炉的内压力所引起的应力,拧紧螺母所引起的应力等。
随时间变化的应力,称为变应力。
具有周期性的变应力称为循环变应力,图9-1b所示为一般的非对称循环变应力,图中T为应力循环周期。
从图b可知
平均应力
(9-2)
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,通常称为变应力的循环特性,用r表示,即。
当σmax=—σmin时,循环特性r=-l,称为对称循环变应力(图c),其σa=σmax=-σmin,σm=0。
当σmax≠0、σmin=0时,循环特性r=0,称为脉动循环变应力(图d),其σa=σmax=1/2σmax。
静应力可看作变应力的特例,其σmax=σmin,循环特性r=+1。
9.2.2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。
这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力,故许用应力为
(9-3)
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
(9-4)
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.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。
9.2.3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:
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累,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。
在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。
1.疲劳曲线
由材料力学可知,表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。
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—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(图9-3)。
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〈N0),可近似地用下列方程式表示:
(9-5)
式中:
为对应于循环次数N的疲劳极限;C为常数;m为随应力状态而不同的幂指数,例如弯曲时m=9。
从式(9-5)可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限
(9-6)
2.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、尺寸系数和表面状态系数β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;σ0为材料的脉动循环疲劳极限;、及β的数值可在材料力学或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N0时,可根据式(9-6)求得对应于N的疲劳极限。
代入式(9-7)后,可得“有限寿命”下零件的许用应力。
由于大于,故采用可得到较大的许用应力,从而减小零件的体积和重量。
9.2.4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。
由于塑性材料可以缓和过大的局部应力,故可取安全系数S=1.2~1.5;对于塑性较差的材料(如>0.6)或铸钢件可取S=1.5~2.5。
(2)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取S=3~4。
(3)变应力下,以疲劳极限作为极限应力,可取S=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
9.3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,这种应力称为接触应力。
这时零件强度称为接触强度。
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20μm处产生初始疲劳裂纹,然后裂纹逐渐扩展(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)。
这种现象称为疲劳电蚀。
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,并引起振动和噪声。
疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效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
(9-9)
令及,
对于钢或铸铁取泊松比μ1=μ2=μ=0.3,则上式可化简为
(9-10)
接触疲劳强度的判定条件为
,而(9-11)
式中为实验测得的材料的接触疲劳极限,对于钢,其经验公式为
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。
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免的。
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。
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、化学和机械等方面原因。
下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。
1.磨粒磨损硬质颗粒或磨檫表面上硬的凸峰,在磨檫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。
2.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动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。
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。
3.疲劳磨损(点蚀)在滚动或兼有滑动和滚动的高副中,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,这种现象称为疲劳磨损或点蚀。
4.腐蚀磨损在摩擦过程中,与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损,称为腐蚀磨损。
实用耐磨计算是限制运动副的压强P,即:
(9-12)
式中[P]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接触面积的发热量fpv。
在摩檫系数一定的情况下,可将pv值与许用pv值进行比较,即
(9-13)
9.5机械制造常用材料及其选择
9.5.1金属材料
1.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。
2.钢
与铸铁相比,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(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钢。
(1)碳素结构钢
这类钢的含碳量一般不超过0.7%。
含碳量低于0.25%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,常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。
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。
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,又有一定的塑性和韧性,常用作受力较大的螺栓,螺母、键,齿轮和轴等零件。
含碳量在0.55%~0.7%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。
(2)合金结构钢
钢中添加合金元素
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