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第三章机械设计总论.ppt

第三章机械设计总论

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2018-05-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第三章机械设计总论ppt》,可适用于市场营销领域

第三章机械设计总论sect机器的组成sect设计过程简介sect机械设计的总体要求sect机械零件的失效sect零件设计准则(基本要求)sect设计方法sect机械零件常用材料及选用sect机械设计中的ldquo三化rdquosect机械零件的强度sect摩擦、磨损与润滑sect机器的组成机器基本组成动力部分mdashmdash(人、畜、风、电)力、燃气等传动机构mdashmdash机械、液压、气动、电动等执行机构mdashmdash如行走部分、轧辊等辅助装置mdashmdash润滑、显示、照明、调节等控制系统例:自行车sect设计过程简介规划mdashmdash调研、可行性、功能目标、创新性、预计成本、市场方案设计mdashmdash原理简图、多个方案评估、确定方案具体设计mdashmdash)、零件受载情况、工作条件mdashmdash)、零件材料选择mdashmdash)、零件主要尺寸确定(轴颈、齿厚、齿宽等)mdashmdash)、结构规划并设计(重要)mdashmdash)、零件图mdashmdash)、部件图mdashmdash)、总装图mdashmdash)、细节文件(明细表、外协计划、清单helliphellip)sect机械设计的总体要求一、达到功能要求二、结构合理、简捷、操纵方便、安全可靠三、制造成本低四、环保要求mdashmdash泄漏、噪声、振动、能耗、排气、helliphellip五、可靠性固有可靠性mdashmdash设计、制造阶段就已确定使用可靠性mdashmdash用户具体操作时正常概率六、其它mdashmdash精度保持、便于安装运输helliphellip综合来看:在保证预期功能的前提下性能好、效率高、成本低、安全可靠、寿命长、操作方便、维修简单、造型美观。sect机械零件的失效mdashmdash机械零件因某种原因而不能正常工作称为失效。失效形式、断裂、塑性变形、过大弹性变形、表面烧伤和磨损mdashmdash磨蚀、磨损、接触疲劳、强烈振动、松弛(皮带)、打滑、丧失自锁helliphellip整体断裂零件危险截面的应力超过其强度极限而导致的断裂或在变应力作用下危险截面发生的疲劳断裂。过大的残余变形零件所受的应力超过了材料的屈服极限则零件将产生残余变形。零件的表面破坏腐蚀、磨损、接触疲劳sect零件设计准则(基本要求)设计计算准则mdashmdash保证机械的工作能力不失效而设定的一些判断条件。强度mdashmdash在载荷作用下抵抗破坏(断裂、塑性变形、表面失效)的能力。一、强度准则分为整体强度表面强度(接触与挤压强度)两种对整体强度:maxmax对表面接触强度:接触应力HH挤压应力PP对表面挤压强度:许用应力的计算:(S为安全系数)继续二、刚度准则刚度mdashmdash在载荷作用下抵抗变形的能力。要求--弹性变形量允许值。三、耐磨性准则要求--在预定期限内磨损量允许值。四、散热性准则要求--工作温度允许值t。五、振动稳定性准则机器的发展趋势是,于是造成容易振动的后果要求--工作不发生超过允许值的振动现象。继续六、可靠性准则用可靠度R表示mdashmdash在正常使用条件下、规定时间内能正常工作的概率。另还可用平均工作时间(平均寿命)MTTF表示。MTTF--meantimetofailures或用平均故障间隔时间MTBF表示。MTBF--meantimebetweenfailuressect设计方法理论设计设计计算校核计算经验设计模型实验设计sect机械零件常用材料及选用一、常用材料、金属材料()黑色金属(占以上)钢碳素钢结构钢工具钢特殊钢普通碳素结构钢mdashmdashQA优质碳素结构钢低碳钢mdashmdashF、、中碳钢mdashmdash、高碳钢mdashmdash合金钢结构钢工具钢特殊钢低合金高强钢mdashmdashMn渗碳钢mdashmdashCr、CrMnTi调质钢mdashmdashCr、CrMo弹簧钢mdashmdashMn、SiMn轴承钢mdashmdashGCr易切钢mdashmdashYMn铸铁灰口铸铁mdashmdashHT、HT可锻铸铁mdashmdashKTH球墨铸铁mdashmdashQT()有色金属铝及铝合金纯铝变形铝合金铸造铝合金mdashmdashL、LhelliphellipL防锈铝LF、硬铝LY、超硬铝LC、锻铝LDmdashmdashZL、helliphellipZL纯铜(紫铜)铜合金mdashmdash常用巴氏合金mdashmdashT、T、helliphellipT黄铜mdashmdashCuZnmdashmdashH、ZCuZn青铜mdashmdashCu其它mdashmdashBZn白铜mdashmdashCuNimdashmdashQSn轴承合金mdashmdashZChSnSbmdashmdashZChPbSnAlmdashSi基AlmdashCu基AlmdashMg基AlmdashZn基mdashmdashZL、helliphellipZLmdashmdashZL、ZLmdashmdashZL、ZLmdashmdash铜及铜合金锡基铅基、非金属材料()高分子材料mdashmdash分子量的有机化合物一般~几百万。分天然与合成两类。、塑料、橡胶、合成纤维()工程陶瓷()复合材料、普通陶瓷、特种陶瓷、金属陶瓷、玻璃纤维增强塑料、玻璃钢、碳纤维增强塑料--由石墨晶体组成--窑业又称硅酸盐工业(含陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料)--如硬质合金氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷碳化硅陶瓷--刚玉瓷(硬度排第五)作火花塞、轴承、模具等--f小(可无润滑)可作刀具、复杂零件等--又称金刚砂作火箭尾喷管喷嘴、高温轴承、核燃料包封等A、热塑性塑料聚乙烯(PE)聚氯乙烯(PVC)聚苯乙烯(PS)聚丙烯(PP)ABS塑料聚铣胺(PA)聚甲醛(POM)聚四氟乙烯(PTEE或F)聚碳酸酯(PC)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)mdashmdash产量最大可做管、瓶、杯、绝缘等mdashmdash有毒、产量第二可做窗架、唱片、管、人造革、衣、袜等mdashmdash可做玩具、包装等mdashmdash最轻、可煮可做法兰、接头、把手、齿轮、化工管道、收音机壳、电扇罩、食物无毒包装等mdashmdash可做齿轮、轴承、电机外壳、档泥板、扶手、汽车车身等mdashmdash即尼龙、锦纶可代替有色金属机械行业多用mdashmdash性能比尼龙好可制各类受摩擦件如轴承、齿轮、凸轮、阀门、仪表外壳等mdashmdash特耐蚀、称塑料王、又称泰氟隆可作轴承、密封垫、不粘锅等mdashmdash透明度高可作挡风玻璃、帽盔等波音上有个零件用它制造重吨。mdashmdash即有机玻璃、最透明B、热固性塑料酚醛树脂(PE)mdashmdash又称电木用于电绝缘、齿轮、凸轮、轴承、皮带轮等氨基塑料mdashmdash逐渐被取代脲醛塑料(UF)mdashmdash主要做家电产品密胺塑料(MF)环氧树脂(EP)mdashmdash万能胶主要用作粘接剂和层压树脂塑料二、材料选用原则、性能满足要求(受力、环境等的影响)、材料易购、便宜、常用、加工工艺性(成型、切削、热处理等)sect机械设计中的ldquo三化rdquo、产品系列化、部件通用化、零件标准化推广三化可以大大降低设计、制造周期降低成本有利开展行业协作促进质量提高helliphellipsect机械零件的强度静应力强度--若整个工作寿命期限内应力变化次数则此时按静应力强度设计如材料力学中公式实际上很多零件是在变应力条件下工作的此时疲劳破坏是其主要破坏形式。本章讨论疲劳破坏--交变应力作用下脆断--低应力作用下接触强度sect疲劳曲线一、基本概念、交变应力的定义:mdashmdash工作时应力随时间而变化、交变应力的类型:、交变应力的描述:对称循环交变应力脉动循环交变应力最大应力sigmamax最小应力sigmamin应力循环次数N平均应力sigmam应力幅值sigmaa循环特性(应力比)gamma(对钢材常定为~)mdashmdashgamma=如车轮受力mdashmdashgamma=如齿轮受力续上页续上页、疲劳破坏的特点:、疲劳破坏的原因:试验表明:sigma与强度极限的关系为:sigma拉sigmabsigma弯sigmabtau扭sigmabmdashmdash破坏时所受应力远小于强度极限。mdashmdash微裂纹产生和不断扩展。二、sigmaN疲劳曲线mdashmdash记录试件受交变应力作用时在不同的最大应力sigmamax作用下引起破坏所经历的应力循环次数N得到sigmaN曲线。CD段上任一点处的疲劳极限mdashmdash称为有限寿命疲劳极限sigmagammaND点以后mdashmdash称为无限寿命疲劳阶段D点处mdashmdash称为持久疲劳极限在CD段:D点后:sigmagammaN=sigmar常可设一循环基数N此时的应力记为sigmarN(或记为sigmar)应有:故:对钢材料:在弯曲和拉压时m=~常可取为三、等寿命疲劳曲线(又称极限应力曲线、疲劳极限图)sigmasigmas此图的作法:不同的gamma值下作出sigmamaxN图取一循环基数N(如)由此作垂线与各sigmamaxN图相交将各交点的值经过处理后描于sigmamsigmaa图上即得等寿命疲劳曲线。gammamdashmdash称为循环特性sigmamdashmdash称为对称循环疲劳极限sigmasmdashmdash称为屈服极限上图常用折线图代替。直线AacuteGacute的方程为:sigma=sigmaaacutepsisigmasigmamacute直线CacuteGacute的方程为:sigmaaacutesigmamacute=sigmas几个关键值sect疲劳强度计算故:以弯曲为例零件的疲劳极限应为:从图形上考虑此问题可将极限应力线图中的AacuteGacute线下移(CacuteGacute线不变)至AG线。续上页通过求AG线的方程(与上节类似)可得:零件的材料常数为(弯曲时):Ksigma的计算公式:其中四个系数的值均可查表得到。切应力的推算与上类似!略一、单向稳定变应力时疲劳强度的计算、gamma=C时(例如转轴,C代表常数)MMacute(由危险截面的sigmamax与sigmamin求得该点的sigmam和sigmaa)极限应力为:强度条件为:计算安全系数许用安全系数、sigmam=C时(例如振动着的受载弹簧,C代表常数)MMacute(由危险截面的sigmamax与sigmamin求得该点的sigmam和sigmaa)极限应力为:强度条件为:计算安全系数许用安全系数、sigmamin=C时(例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷C代表常数)MMacute(由危险截面的sigmamax与sigmamin求得该点的sigmam和sigmaa)强度条件为:计算安全系数许用安全系数同上理可以求出Macute点处的极限应力sigmamaxacuteI区:sigmamin恒为负值很少见III区:按静强度计算。二、单向不稳定变应力时疲劳强度的计算非规律性mdashmdash按大量试验找统计分布规律统计疲劳强度。规律性mdashmdash按疲劳损伤累积假说(Miner法则)。试验表明:helliphellip经过一系列推导可得强度条件公式:三、双向稳定变应力时疲劳强度的计算mdashmdash指同时受法向和切向对称循环稳定变应力。介绍略。四、提高疲劳强度的措施、减少应力集中mdashmdash如设置圆角、减少截面形状的突变加减载槽。、提高表面质量减少裂纹。、改选疲劳强度高的材料并选择恰当的热处理方法。sect零件的抗断裂强度工作应力许用应力时却突然断裂称为低应力脆断。分析表明:大部分发生在高强度钢材结构和大型焊件上。内在原因:内部有裂纹和缺陷。强度高使得抗裂纹扩展能力由断裂力学讨论此问题工程中认为mm是宏观裂纹。应力强度因子KI(KII、KIII)平面应变断裂韧度KIC启用了两个新指标KIKICKIgeKIC裂纹不会失稳扩展裂纹会失稳扩展sect零件的接触强度接触有外接触内接触两种状况接触有共形面mdashmdash如平面与平面异形面线接触mdashmdash如齿面间点接触mdashmdash如钢球与套圈接触应力的计算是弹性力学研究的问题公式为:以线接触为例:接触应力又称ldquo赫兹应力rdquosect摩擦、磨损与润滑世界上约有~的能源消耗在摩擦上。一半以上的零件是因磨损而失效。摩擦的结果是磨损。润滑是减少摩擦与磨损的有力措施。摩擦也有有利的一方面--如摩擦轮、皮带、制动器。sect摩擦分类内摩擦外摩擦静摩擦动摩擦滑动摩擦滚动摩擦干摩擦混合摩擦液(流)体摩擦边界摩擦相对应有:液体润滑、边界润滑、混合润滑无润滑剂或保护膜油膜厚~mum以上油膜厚mum三者的综合sect磨损不利处效率和可靠性,使机器报废。有利处表面粗糙度(磨削、研磨、抛光、跑合等)。一、磨损过程的三个阶段:跑合阶段结束后应清洗零件、更换润滑油二、磨损分类:按磨损结果分按磨损机理分点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损粘(附)着磨损mdashmdash冷焊(压力大时)材料转移。磨粒磨损mdashmdash表面硬质突出物或外来硬粒引起表层脱落常见。疲劳磨损(点蚀)mdashmdash局部因弹性变形形成小接触区受交变应力表层或内层有微裂纹扩展脱落。冲蚀磨损mdashmdash运送物(液、气等)中夹带硬物。腐蚀磨损mdashmdash与周围介质发生反应(化学或电化学)。sect润滑作用摩擦系数机械效率磨损、寿命冷却、防尘、吸振等一、润滑剂:分为润滑油润滑脂固体润滑剂mdashmdash(石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯)气体润滑剂mdashmdash(如空气、氢气、水蒸气helliphellip)、润滑油:)分类分为有机油mdashmdash如动、植物油矿物油mdashmdash应用最广如机油(现称为全损耗系统油)、柴油等化学合成油)评价指标油性(润滑性)mdashmdash油中极性分子与金属表面吸附形成油膜的性能。极压性mdashmdash油中加入含S、Cl、P的有机极性化合物后生成边界膜的能力可抗磨、抗高压。闪点mdashmdash在标准仪器中蒸发出油汽遇火能发出闪光时的最低温度。凝点mdashmdash规定条件下不能再自由流动时的最高温度。氧化稳定性mdashmdash发生氧化生成硫、氯、磷的酸性化合物、胶状、腐蚀金属。工作温度应低于闪点~degC我国常用动力粘度eta运动粘度nu条件粘度etaEmdashmdash用eta表示。m的液体其上、下表面间发生相对速度为ms的相对运动时所需的切向力为N称为动力粘度。单位:Pamiddots(=Nmiddotsm)Pamiddots是国际单位制(SI)的粘度单位。在绝对单位制(CGS制)中单位为:dynmiddotscm称为P(泊)。常用厘泊(cP)P=cP)mdashmdash用nu表示。动力粘度与相同温度下液体的密度rho之比称为运动粘度。单位:ms(rho的单位为kgm)一般润滑油的牌号就是该润滑油在degC(或degC)时运动粘度(以mms为单位)的平均值如LAN全损耗系统用油(原称号机械油)在degC时的nu=~mmsmdashmdash用nu表示。又称恩式粘度许多国家用。在给定温度下从恩式粘度计流出ml样品油所需时间与同体积蒸馏水在degC时流出所需时间之比值称为条件粘度。运动粘度与恩式粘度之间可以换算mdashmdash略、润滑脂:mdashmdash在润滑油中加入稠化剂(钙、钠、锂等的金属皂基)不宜用于高速传动的场合)类型)主要评价指标滴点mdashmdash加热后从标准测量杯的孔口滴下第一滴油时的温度。工作温度应比滴点温度低~degC锥入度mdashmdash指润滑脂的稠度。将质量为N的标准锥体在ordmC恒温下从润滑脂表面自由沉下秒后进入的深度(以mm为单位)值愈小愈稠。润滑脂的牌号就是该润滑脂的锥入度等级。、固体润滑剂:石墨mdashmdash性能稳定在degC以上才开始氧化并可在水中工作。二硫化钼mdashmdash与金属表面吸附性强f低可在~degC内工作遇水性能将。、气体润滑剂:空气mdashmdash此类中常用如做气体轴承。氢气水蒸汽二、润滑剂的选择:润滑油低速、重载、高温、大间隙mdashmdash选粘度大的。高速、轻载、低温、小间隙mdashmdash选粘度小的。润滑脂mdashmdash用于低速、大载荷、不常加油、使用要求不高、多尘处。气体、固体润滑剂mdashmdash用于高温、高压、防尘污染等其它润滑剂不适用处。三、润滑方式:、油润滑:有四种方式集中分散润滑连续间歇润滑mdashmdash油壶油枪注射压力无压力润滑循环非循环润滑具体方法滴油润滑油环润滑飞溅润滑压力循环润滑mdashmdash用油泵供油给油元器件mdashmdash油壶、油枪、油杯、油绳、油垫、油环、油轮、油泵、油雾发生器。、脂润滑:

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