第6章 机械设计基础零件设计和计算概论

1、 6-1 机械零件设计概述 6-2 机械零件的工作能力准则 6-3 许用应力和安全系数 6-4 常用材料及其选择 6-5 机械零件的工艺性和标准化 基本要求基本要求: : 掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能了解零件的常用材料及性能 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、机械零件分类 二、机械零件设计基本要求 三、机械零件设计过程 四、机械零件传统设计方法 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、机械零件分类一、机械零件分类 机器：机器：机械、机构的总称机械、机

2、构的总称 构件构件运动的单元运动的单元 零件零件制造的单元制造的单元 机械设计基础机械零件设计和计算概论 通用通用 零件零件 传动件：传动件：齿轮、蜗杆、带、链齿轮、蜗杆、带、链 联接件联接件：螺栓、键、花键：螺栓、键、花键 支承件：支承件：轴、轴承轴、轴承 机械零件机械零件 专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨飞机螺旋桨 其它：其它：联轴器、弹簧、机架联轴器、弹簧、机架 二、机械零件设计基本要求二、机械零件设计基本要求 1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能、满足功能要求，能够准确实现预定的功能 2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效、工作可靠，在

3、预定的工作期限内不能失效 3、经济性要求、经济性要求 机械设计基础机械零件设计和计算概论 三、机械零件设计过程三、机械零件设计过程 v零件设计时的共性：零件设计时的共性： 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v过程：过程： 1、拟订零件的设计简图、拟订零件的设计简图 2、确定载荷的大小及位置、确定载荷的大小及位置 3、选择材料、选择材料 4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数 5、绘制零件工作图、绘制零件工作图 工作原理、结构、工作原理、结构、 类型、应用场合类型、应用场合 受力分析、受力分析、 失效形式失效形式 设计准则、设计准则、

4、 设计计算设计计算 四、机械零件传统设计方法四、机械零件传统设计方法 v理论设计理论设计(半经验设计半经验设计)： 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v类比设计：类比设计： 与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在 工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠 v经验设计：经验设计： 根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺 乏创新乏创新 v模型实验设计：模型实验设计： 用于大型、复杂零件的设计用于大型、复杂零件的设计 强度条件强度条件(或刚

5、度或刚度) 设计计算设计计算 尺寸尺寸 校核计算校核计算 强度条件强度条件(或刚度或刚度) 一、机械零件常见失效形式 二、工作能力准则 三、强度准则 四、刚度准则 五、耐磨性准则 六、振动稳定性准则 七、耐热性准则 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、机械零件常见失效形式一、机械零件常见失效形式 v失效：失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指 破坏破坏 常见主要失效形式有：常见主要失效形式有： v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂 v表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落 v塑性变形：零件发生永久性

6、变形塑性变形：零件发生永久性变形 v过大弹性变形过大弹性变形 v表面破坏表面破坏 v过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式： 断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振 强度问题强度问题 刚度问题刚度问题 耐磨性问题耐磨性问题 F n 二、工作能力准则二、工作能力准则 v工作能力：工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度不失效条件下零件的安全工作限度 v这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又 常称为常称为“承载能力承载能力”

7、 v如：如： v吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kN v工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kN 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v工作能力准则：工作能力准则：衡量零件工作能力的指标衡量零件工作能力的指标 v对零件设计，针对其主要失效形式选择适对零件设计，针对其主要失效形式选择适 合的工作能力准则进行设计合的工作能力准则进行设计 v具体有：具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准强度准则、刚度准则、耐磨性准 则、振动稳定性准则、耐热性准则则、振动稳定性准则、耐热性准则 50 kN 三、强度准则三、强度准则 v机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则 v强度：强度：材料抵

8、抗断裂或残余变形的能力材料抵抗断裂或残余变形的能力 v强度准则：强度准则：工作应力工作应力许用应力许用应力 v 或或 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形断裂、疲劳破坏、残余变形 v典型零部件：典型零部件：轴、齿轮、轴、齿轮、 带轮等带轮等 S lim 正应力：正应力： S lim 剪应力：剪应力： 极限应力极限应力 四、刚度准则四、刚度准则 v刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力 v刚度准则：刚度准则：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量 弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件：倾角条件： 扭曲

9、刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j j j 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：针对失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形 v典型零部件：典型零部件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等 五、耐磨性准则五、耐磨性准则 v耐磨性：耐磨性：零件抗磨损的能力零件抗磨损的能力 v磨损是相当复杂的物理化学过程磨损是相当复杂的物理化学过程 v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑 剂的化学性质和物理性质等剂的化学性质和物理性质等 v具体有：具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲 蚀磨

10、损、微动磨损蚀磨损、微动磨损 v耐磨性准则：耐磨性准则： vP 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：针对失效形式：零件表面破坏零件表面破坏 v典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等 六、振动稳定性准则六、振动稳定性准则 v共振：共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频当机器的自振频率与周期性干扰力变化频 率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急 剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等 v振动稳定性：振动稳定性：机器工作时振幅不能超过许可值机器工作时振幅不能超过许可值 v振动

11、稳定性准则：振动稳定性准则：0.85f fp 或或 1.15ffp 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：针对失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常 v典型零部件：典型零部件：轴等轴等 七、耐热性准则七、耐热性准则 v高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、 附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间 的间隙，降低精度等的间隙，降低精度等 v耐热性准则：耐热性准则：工作温度低于许用值工作温度低于许用值 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v针对失效形式：针对失效形式：高温引起的润滑不

12、良、蠕变高温引起的润滑不良、蠕变 v典型零部件：典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等蜗杆、齿轮、滑动轴承等 一、载荷 二、应力 三、极限应力 四、许用应力和安全系数 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、载荷一、载荷 v载荷：载荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩 v工作载荷：工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷机器正常工作时所受的实际载荷 v名义载荷：名义载荷：理想工作条件下的载荷理想工作条件下的载荷 v计算载荷：计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷 v计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义载荷 机械设计基础机械零件设计和计算概论

13、载荷系数载荷系数 二、应力二、应力 v静应力：静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力不随时间改变或变化缓慢的应力 v变应力：变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力随时间作周期性或非周期性变化的应力 v变应力：变应力：稳定变应力（稳定变应力（随时间作周期性随时间作周期性）、不稳定变应）、不稳定变应 力（力（非周期性循环变应力非周期性循环变应力） 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v稳定变应力：稳定变应力：对称循环变应力、对称循环变应力、 脉动循环变应力、非对称循环变脉动循环变应力、非对称循环变 应力应力 t t min max m 应力参数应力参数 v以正应力以正应力 为例为例 v最大应力最

14、大应力: max= m+ a v最小应力最小应力: min v应力幅应力幅: a 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v平均应力平均应力: m v循环特征循环特征: r 2 minmax a 2 minmax m max min r11 r t min max m 静应力静应力 v应力表达：应力表达： +1（ +1 ） v最大应力最大应力: max v最小应力最小应力: min v应力幅应力幅: a v平均应力平均应力: m v循环特征循环特征: r 机械设计基础机械零件设计和计算概论 t m 0 a m minmax 1r 脉动循环变应力脉动循环变应力 v应力表达：应力表达： 0（ 0 ）

15、v最大应力最大应力: max v最小应力最小应力: min v应力幅应力幅: a v平均应力平均应力: m v循环特征循环特征: r 机械设计基础机械零件设计和计算概论 m t 0 min 2 max ma 0 r 对称循环变应力对称循环变应力 v应力表达：应力表达： 1（ 1 ） v最大应力最大应力: max v最小应力最小应力: min v应力幅应力幅: a v平均应力平均应力: m v循环特征循环特征: r 机械设计基础机械零件设计和计算概论 t minmax 0 m 1 r minmax a 三、极限应力三、极限应力 1 静应力下的极限应力静应力下的极限应力 v与材料性能有关与材料性能

16、有关 v脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限 B( B) 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v塑性材料取屈服极限塑性材料取屈服极限 S( S) B e e 玻璃钢玻璃钢 灰口铸铁灰口铸铁 e e p S B A A B B C D E 2 变应力下的极限应力变应力下的极限应力 v疲劳极限：疲劳极限：依据防疲劳断裂的准依据防疲劳断裂的准 则确定则确定 v材料经过材料经过N0次应力循环不发生破次应力循环不发生破 坏的应力最大值坏的应力最大值 r( r) 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v各种材料的各种材料的 r可从有关手册中查取可从有关手册中查取 0 N N N rN r 有限寿命区无限寿命

17、区 四、许用应力和安全系数四、许用应力和安全系数 v许用应力：许用应力：设计零件时设计零件时 所依据的条件应力所依据的条件应力 机械设计基础机械零件设计和计算概论 v安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重 v安全系数安全系数许用应力许用应力不够安全不够安全 S lim S lim 许用应力许用应力 极限应力极限应力 安全系数安全系数 许用应力确定许用应力确定 1 查许用应力表查许用应力表 v根据实践经验制成表格选取根据实践经验制成表格选取 机械设计基础机械零件设计和计算概论 2 部分系数法部分系数法 vS=S1S2S3 vS1：计算载荷和应力准确性系数（计算载荷和应力准确性系数（11

18、.5) vS2：材料的均匀系数（铸铁材料的均匀系数（铸铁:1.52.5,钢钢:1.21.5） vS3：零件重要性系数（零件重要性系数（11.5) 一、常用材料 二、热处理方法 三、材料力学性能指标 四、材料选择原则 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、常用材料一、常用材料 常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：铸铁：含含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差 v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 2 钢：钢：含量含量1.4常用常用 v碳素钢碳素钢：（含、量不同）（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素钢普通碳素钢、

19、优质碳素钢 v合金钢：合金钢：综合机械性能好，但较贵综合机械性能好，但较贵 v合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理 v铸钢：铸钢：含含（0.150.6）易成型易成型 3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性能，价昂有特殊性能，价昂少用少用 v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 4 非金属材料：非金属材料： v工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料 机械设计基础机械零件设计和计算概论 一、常用材料一、常用材料 常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号 1 铸铁：

20、铸铁：含含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差 v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 机械设计基础机械零件设计和计算概论 （1 1）灰铸铁）灰铸铁 如HT100、HT300,良好的铸造性、切削加工性、 耐磨性，消振性，但抗拉强度低。 （2 2）球墨铸铁）球墨铸铁 如QT400-18、QT500-7,强度和塑性比灰铸铁有 很大的提高，具有良好的耐磨性，但铸造性较差。 （3 3）可锻铸铁）可锻铸铁 如KTH300-06 ,强度、塑性、韧性、耐磨性均 较高，能承受冲击振动 , 但生产周期长，成本较高。 铸造大尺寸零件较困难。 一、常用材料一、常用材料 2

21、 钢：钢：含量含量1.4常用常用 机械设计基础机械零件设计和计算概论 碳素钢 碳素结构钢碳素结构钢 碳素工具钢碳素工具钢：T7、T8 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 如Q235、Q275等 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 低碳钢C0.25% 如20 合金钢 合金结构钢合金结构钢 合金工具钢合金工具钢 、高速工具钢、硬质合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢 特类钢特类钢 不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、 耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。 合金结构钢合金结构钢 如35CrMn2，40CrNiMoA(优质） 低金结构钢低金结构钢 如12Mn 弹簧钢弹簧钢 如60Si2MnA

22、 中碳钢0.6%C0.25% 如45 高碳钢0.6%C 如60 钢钢 一、常用材料一、常用材料 3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性能，价昂有特殊性能，价昂少用少用 v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金 机械设计基础机械零件设计和计算概论 （1）铜合金）铜合金 黄铜 铜与锌的合金，含少量锰、铝等元素，如 ZCuZn38等。 青铜 青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等，如 CuAl10Fe3、 ZCuSn5PbZn5。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、 耐磨性和耐腐蚀性。 （2）铝及铝合金）铝及铝合金 铝合金具有良好的导热、导电性能，其导电性 能

23、大约为铜的60%， 但由于重量轻，在远距离输送 的电缆中常代替铜线 。 一、常用材料一、常用材料 4 非金属材料：非金属材料： v工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料 机械设计基础机械零件设计和计算概论 1工程塑料工程塑料 （1） 尼龙 品种、数量及应用上居工程塑料之首，它强度高，耐磨 性 好，耐化学腐蚀。但易吸收水分而影响尺寸的稳定性。 （2）聚碳酸脂 在工程塑料中韧性最好，透光率达90%，连续使用温 度 达135145，它正取代玻璃和有机玻璃，作为飞机上的挡风 夹层和天窗。 （3）聚甲苯 在工程塑料中弹性模量最高，并有高硬度，低摩擦系数和 较好的耐疲劳性能，

24、适用于制造小齿轮及轴套等。 （4）聚苯醚 在工程塑料中硬度最高，热膨胀系数最小，最耐热。 （5）ABS 具有良好的综合性能。广泛应用在管材、家用电器和纺织 机械 中。用ABS制成的泡沫夹层板，可作小轿车的车身。 一、常用材料一、常用材料 4 非金属材料：非金属材料： v工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料工程塑料、橡胶、夹布胶木、复合材料 机械设计基础机械零件设计和计算概论 2橡胶橡胶 常用来制造轮胎、垫板、隔热板、传动带和减振零件等 3夹布胶木夹布胶木 常用来制造板材、电工元件，轻载无噪声齿轮和耐腐蚀元件等。 4其他其他 工业上，经常使用的非金属材料还有陶瓷、皮革、木材、纸板等 。 二、热处理

25、方法二、热处理方法 1 退火 2 正火 3 淬火 4 回火 5 表面热处理 机械设计基础机械零件设计和计算概论 热处理比较热处理比较 1 退火退火 v降低硬度、提高韧性、细化晶粒、降低硬度、提高韧性、细化晶粒、 消除内应力消除内应力 2 正火正火 v用于处理低中碳钢，代替低中碳钢用于处理低中碳钢，代替低中碳钢 的退火。提高硬度，增加韧性，的退火。提高硬度，增加韧性， 易易 于切削，减少应力于切削，减少应力 机械设计基础机械零件设计和计算概论 3 淬火（蘸火）淬火（蘸火） v提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火 4 回火回火 v消除淬火

26、后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性 v低温回火：低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性高强度、高硬度及良好的耐磨性 v中温回火：中温回火：高弹性、硬度中等高弹性、硬度中等 v高温回火：高温回火：强度、塑性、韧性都较好强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温回火高温回火) 正火正火(空冷空冷) 退火退火(炉冷炉冷) 回火回火 加热加热 保温保温 淬火淬火 时间时间 温度温度 表面热处理表面热处理 v表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表面增硬，芯部韧 v表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热） v化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.） 机械设计基础机械零件设计和计算概论 三、材料力学性能指标三、材料力学性能指标 v弹性极限：弹性极限： P v抗拉强度：抗拉强度： B v屈服强度：屈服强度： S ( 0.