机械零件设计和计算概论课件.ppt

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1、6机械零件设计和计算概论6.1机械零件的工作能力准则机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。机械零件虽然有很多种可能的失效形式，最主要的是由强度、刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响以及振动稳定性、可靠性等方面的问题。所以将以上要求视为衡量机械零件工作能力的准则。机械零件的设计步骤拟定计算简图；确定作用在零件上载荷的大小；选择合适的材料；确定零件尺寸，并标准化；绘制零件工作图。各种计算准则的介绍强度：是机械零件工作能力的最基本准则，常用判断危险截面处的最大应力（、）是否小于或等于许用应力（、）。强度条件表达式为或耐磨性：零件抗

2、磨损的能力。零件磨损后会改变结构形状和尺寸，使机器的精度降低、效率下降、强度减弱。影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的性质等，但又不能准确估计出来，因此按磨损计算零件的方法只能是条件性的，不能十分精确。刚度:是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的大小常用产生单位弹性变形所需的外力或外力矩来表示。刚度的反义词是柔度，柔度的大小常用单位外力或外力矩所产生的弹性变形来表示。有些零件需有一定的刚度，即其变形不能超过容许的限度，如轴弯曲刚度不足时，轴颈将在轴承中倾斜而使两者接触不良；有些零件需有一定的柔度，如弹簧一类的弹性零件。刚度会影响零件的自振频率。刚度大自

3、振频率高，刚度小自振频率低。按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度计算的大，满足刚度要求的零件往往也满足强度要求。振动稳定性：零件发生周期弹性变形的现象称为振动。机器工作速度的提高和结构重量的减轻，易使机器出现振动问题，影响工作质量。当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或接近时，就要发生共振，这时振幅急剧增大，此现象称为失稳，即丧失振动稳定性。振动稳定性是指机器在工作时不能发生振幅超过容许值的振动现象。耐热性:在高温下工作的零件需要进行蠕变计算。蠕变是在一定工作温度和应力下，零件塑性变形缓慢而连续增长的现象。在设计摩擦副时，需进行热平衡计算，以判断单位时间内的摩擦发热量和

4、散热量达到平衡时，零件的工作温度t是否超过许用值[t]。6、2机械制造中常用材料及其选择一、机械常用材料：铁碳合金（钢和铸铁）、有色合金、非金属材料和各种复合材料。钢是机械制造中最常用的材料。二、钢的热处理：将钢在固态下加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后用一定的速度冷却，来改变金属及合金的内部结构，以期改变金属及合金的物理、化学和力学性能的方法。常用热处理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。退火：将钢加热到一定温度（45钢830～8600C），保温一段时间，随炉缓冷。退火可消除内应力，降低硬度。正火：与退火相似，只是保温后在空气中冷却。正火后钢的硬度和强度有所提高。

5、低碳钢一般采用正火代替退火。淬火：将钢加热到一定温度（45钢840～8500C），保温一段时间，而后急速冷却（水冷或油冷）。淬火后钢的硬度急剧增加，但脆性也增加。回火：将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然后空冷。回火可减小淬火引起的内应力和脆性，但仍保持高的硬度和强度。根据加热温度不同分低温回火、中温回火、高温回火。淬火后高温回火称调质。表面热处理：表面淬火：将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。化学热处理：将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮、铬等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。据渗入元素不同有渗

6、碳、氮化、氰化。几种普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢的力学性能见表6－1～6－3。几种常用的铸钢和铸铁的性能见表6－4。几种青铜（有色金属）的力学性能见表6－5。三、选择材料应满足的要求：使用方面的要求；工艺方面的要求；经济方面的要求。6.3许用应力和安全系数应力按随时间变化的特性分静应力和变应力。静应力为应力恒定，不随时间变化；变应力为应力随时间变化的，分脉动循环应力、对称循环应力、任意不对称循环应力。应力随时间变化图见表6－6选择许用应力的方法：查许用应力表法：部分系数法：S1:考虑计算载荷及应力准确性的系数，一般S1＝1～1.5S2:考虑力学性能均匀性系数，S2＝1.2～2.5

7、S3:考虑零件重要程度的系数，一般S3＝1～1.5静应力下，塑性材料的屈服极限σs作为极限应力，即：脆性材料的抗拉强度σb作为极限应力，即：变应力下，零件疲劳断裂是主要的破坏形式，疲劳断裂与应力大小和应力循环次数有关。材料经过N次应力循环后，不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σr。表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线称为疲劳曲线（σ－N曲线）。如图6－2，当循环次数N超过某一数值N0以后，曲线趋向水平，即σ不再随N的增加而降低，N>N0的区域称无限寿命区，N