机械零件设计技术概论

机械零件设计概述

机械零件的失效
- 机械零件由于某种原因不能正常工作称为失效
- 失效的形式[[失效形式]]
  - 断裂或塑性变形
  - 过大的弹性变形
  - 过大的振动
  - 打滑
  - 连接的松弛
  - 表面的摩擦和磨损
- 失效的影响因素
  - 强度
    - 按照[实际应力]>[许用应力]判定
  - 刚度
    - 按照[实际变形量]>[许用变形量]判定
  - 耐磨性
  - 稳定性
  - 温度
- 机械零件的设计步骤
  - 拟订计算简图
  - 确定工作载荷
  - 选用合适的材料
  - 根据可能出现的失效形式选用合适的计算方式确定零件的形状和大学
  - 绘制工作图并标注必要的工作条件

机械零件的强度

载荷
- 名义载荷
- 计算载荷
  - $计算载荷 = 名义载荷 \times 载荷系数$
强度判定条件
- 许用应力法
  - 计算应力小于许用应力
  - $\sigma \leq [\sigma] = \frac{\sigma_{lim}}{S}$
- 安全系数法
  - 安全系数大于许用安全系数
  - $S = \frac{\sigma_{lim}}{\sigma} \leq [S] $
- 许用应力影响因素
  - 应力的种类
  - 零件材料的极限应力
  - 安全系数
应力的种类
- 最小应力$\sigma_{min}$
  - 指绝对值最小的应力
- 最大应力$\sigma_{max}$
  - 指绝对值最大的应力
- 平均应力$\sigma_{m} = \frac{\sigma_{min} + \sigma_{max}}{2} $
- 应力幅$\sigma_{a} =\frac{\sigma_{min} - \sigma_{max}}{2}$
- 应力循环特性$r =\frac{\sigma_{min}}{\sigma_{max}}$
  - 静应力$r = 1$
  - 变应力
    - 对称循环变应力$r_{-1}=-1$
    - 非对称循环变应力$r \in (-1,0) \cup (0,1) $
    - 脉动循环变应力$r_{0} = 0$
许用应力
- 静应力
  - 脆性材料
    - 强度破坏
    - 强度极限$\sigma_B$
  - 塑性材料
    - 塑性变形
    - 屈服极限$\sigma_S$
- 变应力
  - 疲劳破坏
  - 疲劳破坏的特征
    - 断裂过程
      - 产生初始裂纹
      - 反复扩展,产生疲劳裂纹
    - 断裂面
      - 光滑区
      - 粗糙区
    - 无明显塑性变形的突然断裂
    - 破坏时的应力远小于材料的屈服极限
    - 对材料成分,零件的表面状态,形状,尺寸,使用条件,外部环境等非常敏感等
    - 影响因素
      - 材料
      - 应力循环特性
      - 应力幅
      - 循环次数
    - 疲劳曲线
      - $N<N_0$时的疲劳极限
        
        $\sigma^m_{-1N}N = \sigma^m_{-1}N_0=C$
    - 极限应力
      - 极限应力图
        
        $A = (\sigma_{-1},0) $
        
        $D = (\sigma_0/2,\sigma_0/2) $
        
        $C = (0,\sigma_S) $
      - 影响疲劳强度的主要因素
        
        应力集中
        
        零件尺寸
        
        表面状态
      - 提高疲劳强度的措施
        
        降低应力集中
        
        提高圆角半径
        
        增设减载槽
        
        选用疲劳强度高的材料
        
        使用热处理方法或强化工艺
        
        提高表面质量
        
        减小零件尺寸
    - 安全系数
      - 大小
        
        过大使零件笨重
        
        过小不够安全
      - 选择
        
        静应力
        
        塑性材料1.2~1.5
        
        脆性材料3~4
        
        变应力
        
        均匀1.3~1.7
        
        不均匀1.2~1.5

零件的接触强度

接触方式
- 点接触
- 线接触
- 面接触
提高接触强度方法
- 增大接触面曲率半径
- 增加接触线长度
- 提高表面硬度
- 适当地增加润滑油粘度

零件的耐磨性

主要形式
- 磨粒磨损
  - 开式齿轮的磨损
- 粘着磨损(胶合)
  - 高速重载软齿面齿轮
- 疲劳磨损(点蚀)
  - 闭式软齿面齿轮
- 腐蚀磨损

零件的材料

种类
- 铸铁
  - 灰铸铁
    - HT200,数字代表强度极限
  - 球墨铸铁
    - QT400,数字代表强度极限
- 钢
  - 种类
    - 碳素结构钢
      - 普通
        
        Q235,数字代表强度极限
      - 优质
        
        45,数字代表含碳量
    - 合金结构钢
      - 40CR,数字代表含碳量
    - 铸钢
      - ZG270-500,数字分别代表屈服极限,强度极限
  - 钢度相差不大,应力敏感,合金钢应力更敏感
  - 强度:合金钢>碳钢>铸钢>铸铁
- 铜合金
- 橡胶
- 塑料

配合

公差带的相对位置
- 间隙配合
- 过度配合
- 过盈配合
以谁为标准
- 基孔制
- 基轴制

表面粗糙度

$R_a$
$R_z$

优先度系

工艺性

标准化

意义
- 制造上实现大批量生产,提高产品质量,降低成本
- 减小设计工作量
- 减小库存量