汽车工程师中级职称职称考试培训课程-机械设计基础- 第9章机械零件设计概论

北京联合大学专用潘存云教授研制第9章机械零件设计概论91机械零件设计概论92机械零件的强度93机械零件的接触强度94机械零件的耐磨性95机械制造常用材料及其选择96公差与配合、表面粗糙度和优先数系97机械零件的工艺性及标准化北京联合大学专用潘存云教授研制91机械零件设计概论机械设计应满足的要求在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。机械零件的失效机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。零件的失效形式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。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为北京联合大学专用潘存云教授研制对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件计算应力N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线当NN0时,试件将不会断裂。N0循环基数N0对应的应力称为CNNMMN011当N2含碳量2铁碳合金特点良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。北京联合大学专用潘存云教授研制选用原则优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。特点与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法锻造、冲压、焊接、铸造等。应用应用范围极其广泛。表92常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（3342）1铸件优质碳素钢（2950）1518合金结构钢（2950）1725滚动轴承钢（2950）3合金工具钢（2950）3204CR9SI2耐热钢（2950）5灰铸铁铸件085碳素钢铸件17铜合金、铝合金铸件810价格便宜且供应充分我国资源丰富北京联合大学专用潘存云教授研制3铜合金铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法辗压、铸造。应用应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料1橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。北京联合大学专用潘存云教授研制2塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。3其它非金属材料皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。北京联合大学专用潘存云教授研制表91常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限B屈服极限S延伸率MMQ21533541021531碳素结构钢Q23537546023526D16Q275490610275202041024525优质碳素结构钢3553031520D25456003551635SIMN88373515D25合金结构钢40CR9817859D2520CRMNTI107983410D1560MN9817858D80ZG27050050027018铸钢ZG31057057031015D100ZG42SIMN60038012HT150145灰铸铁HT200195HT250240壁厚1020QT4001540025015球墨铸铁QT50075003207QT60036003703壁厚30200北京联合大学专用潘存云教授研制96公差与配合、表面粗糙度和优先系数一、公差与配合互换性零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言，总是有误差。或大或小实际尺寸251轴实际尺寸实际尺寸基本尺寸实际尺寸249孔251孔25孔基本尺寸轴25轴249北京联合大学专用潘存云教授研制最小极限尺寸零件满足互换性要求的最小允许尺寸；最大极限尺寸零件满足互换性要求的最大允许尺寸；尺寸误差实际尺寸与理论设计尺寸之差；上偏差最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号ES,ES下偏差最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号EI,EIESESEIEI尺寸公差最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即允许的尺寸变动量。ESEIESEI公差LMAXLMAXESEIESEILMIN孔L孔LMAX孔轴LLMAX轴LMIN轴北京联合大学专用潘存云教授研制轴LLMAX轴LMIN轴零线代表基本尺寸所在位置的一条直线；公差带由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；零线ESEI孔公差带ESEI轴公差带国标规定孔与轴各有28个，分别用如下符号表示孔ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC轴ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC基本偏差标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。0零线L北京联合大学专用潘存云教授研制孔ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC轴ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC基本偏差系列呈正态分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔0基本尺寸BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS轴0基本尺寸北京联合大学专用潘存云教授研制配合基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系；间隙或过盈孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；间隙代数差为“”，孔轴过盈代数差为“”，孔轴，用于可动联接，如活动铰链；孔轴，用于静联接，如火车轮与轴。可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；最大间隙XMAX孔MAX轴MIN最小间隙XMIN孔MIN轴MAX最大过盈YMAX孔MIN轴MAX最小过盈YMIN孔MAX轴MIN北京联合大学专用潘存云教授研制间隙配合孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带过盈配合过渡配合孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带YMAXXMAXYMAXXMAXYMAXXMAXYMAXYMAXXMINXMAXXMIN0YMIN0轴公差带XMAXYMIN北京联合大学专用潘存云教授研制H零线D孔公差KJSHGEFRPMS间隙配合过渡配合过盈配合配合基准制基孔制配合孔是基准孔，下偏差EI0，代号为H，通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。基孔制配合基轴制配合应用广泛，可减少孔加工刀具北京联合大学专用潘存云教授研制零线HD轴公差KJSHGEFRPMS间隙配合过渡配合过盈配合基轴制配合轴是基准轴，上偏差ES0，代号为H，通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。北京联合大学专用潘存云教授研制基孔制常用与优先配合的选用北京联合大学专用潘存云教授研制基轴制常用与优先配合的选用北京联合大学专用潘存云教授研制二、表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰高YP轮廓谷深YV中线LYX定义零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度特征加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数轮廓算术平均偏差取样长度L内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值DXYLRLA01NIIAYNR11近似为北京联合大学专用潘存云教授研制00120025005010204081632631252550100表93用不同加工方法得到的RA加工方法表面粗糙度RAM精粗刨削钻孔铰孔精粗镗孔精粗车精粗磨精粗研磨滚、铣精粗RA愈小，零件的加工成本愈高。北京联合大学专用潘存云教授研制表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如1对摩擦磨损的影响摩擦系数RA零件表面愈粗糙，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。2对疲劳强度的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。3对耐腐蚀的影响4对结合处密封性能的影响5对振动和噪声的影响等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。北京联合大学专用潘存云教授研制三、优先数系优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。产品的主要参数如型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。优先数系是一个以公比为QR10的十进等比级数，RGB32180规定了四个优先数系的基本系列R5Q510165R10Q101012510R20Q201011220R40Q401010640北京联合大学专用潘存云教授研制优先数系的基本系列R51001602504006301000R10100125160200250315400500630800100010011212514016018020022425028031535540045050056063071080090010001001061121181251321401501601701801902002122242362502652803003153353553754004254504755005305606006306707107508008509009501000R40R20优先数表中任意一个数值。大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000。北京联合大学专用潘存云教授研制97机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使用要求具备所要求的工作能力；制造要求制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。工艺性的基本要求1毛坯选择合理制备方法毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。应用于大批量生产。用型材焊接锻造铸造冲压北京联合大学专用潘存云教授研制97机械零件的工艺性及标准化一、工艺性零件设计要求使用要求具备所要求的工作能力；制造要求制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。工艺性的基本要求1毛坯选择合理制备方法选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。北京联合大学专用潘存云教授研制2结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积；3合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。北京联合大学专用潘存云教授研制二、标准化内容1产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。定义标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。2零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；3产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。北京联合大