第9章机械零件设计概论

1、1第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论2 零件零件 构件构件机构机构机器机器机机械械机械原理：机械原理： 机器、机构的组成、机构自由度计算、常用机构。机器、机构的组成、机构自由度计算、常用机构。机械设计：机械设计： 通用机械零件通用机械零件 、机器的设计、机器的设计零部件 的 分类专用零部件专用零部件 ：只在：只在一定类型机器一定类型机器中使用的零件中使用的零件通用零部件通用零部件 ：各种机器各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件标准件：制定了：制定了国家标准国家标准，并由，并由专门工厂专门工厂生产的零部件。生产的零部件。 如：如：滚动轴承

2、、螺栓等。滚动轴承、螺栓等。曲轴曲轴 工作能力要求： 强度、刚度、寿命、稳定性、耐磨性； 结构工艺性 及 经济性 要求 质量小及可靠性要求设计机械零件时应满足的基本要求整体断裂整体断裂正常工作条件破坏正常工作条件破坏过大的残余变形过大的残余变形零件的表面破坏零件的表面破坏零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生的断裂。应力超过零件的强度极限而发生的断裂。零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的过大残余变形而导致的失效。过大残余变形而导致的失效。零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳零件表面在受到

3、各种腐蚀、磨损和接触疲劳而产生的表面破坏失效。而产生的表面破坏失效。如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。荷超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。失效失效 机械零件不能正常工作机械零件不能正常工作 9 91 1 机械零件的失效形式及设计准则机械零件的失效形式及设计准则齿轮轮齿断裂 轴承内圈断裂整整 体体 断断 裂裂 零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生的断裂。极限而

4、发生的断裂。机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2机械零件的主要失效形式 过 大 的 残 余 变 形 当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形 机械零件的主要失效形式3机械零件的主要失效形式零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损 9 零件工作能力准则主要有：零件工作能力准则主要有：强度、强度、刚度、刚度、耐磨性、耐磨性、耐热性、耐热性、振动稳定性振动稳定性等等保证零件不产生失效所依据的设计准则保证零件不产生失效所依据的设计准则零件工作能力计算准则零件工作能力计算准则机械零件设计的一般步骤设计步骤1、根

5、据机器具体工作情况确定作用在零件上的 名义载荷 及 计算载荷。名义载荷：用力学公式计算出的载荷。计算载荷：考虑实际工作条件影响的载荷。2、选择零件材料。3、由失效形式确定计算准则。 并依此确定零件主要尺寸。4、根据工艺性进行零件结构设计。5、根据结构尺寸进行详细校核计算。6、绘制零件工作图，写出计算说明书。12一、一、 强强 度度（一）整（一）整 体体 强强 度度1、载荷和应力：皮带运输机皮带运输机（1）载荷）载荷 静载荷静载荷13离心水泵离心水泵恒压容器恒压容器静载荷静载荷14 变载荷变载荷 石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等15（2）、应力）、应力 单位单

6、位 MPa = N/mm2 AFFF 静应力静应力 应力不变应力不变拉杆的静应力拉杆的静应力16 变应力变应力 应力随时间变化应力随时间变化t最小应力平均应力最大应力minmmax17变应力的类型变应力的类型应力循环特性应力循环特性 r maxminrt最小应力平均应力最大应力minmmax对称循环对称循环 r=-1, r=-1, 脉动循环脉动循环 r= 0 r= 0 任意循环任意循环18 例：转轴中弯曲应力例：转轴中弯曲应力F静载荷静载荷 产生静应力产生静应力 变载荷变载荷 产生变应力产生变应力 静载荷静载荷 变应力？变应力？19（1）静强度静强度 静应力工作条件静应力工作条件 slim s

7、lim 许用应力许用应力 S S 安全系数安全系数2、 强强 度度 零件抵抗破坏的能力零件抵抗破坏的能力极限应极限应力力limlim极限应力极限应力 lim 塑性材料塑性材料： lim = s 屈服极限屈服极限 脆性材料脆性材料： lim = B 强度极限强度极限齿轮轮齿断裂 BSPOabfcdehgl低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线1 线弹性阶段线弹性阶段2 屈服阶段屈服阶段3 强化阶段（强化阶段（冷作硬化冷作硬化）4 颈缩阶段颈缩阶段(局部变形局部变形)比例极限比例极限屈服极限屈服极限强度极限强度极限屈服屈服颈缩颈缩21（2 ）疲劳强度疲劳强度 变应力条件下变应力条件下22 疲劳曲

8、线疲劳曲线r r 材料经过材料经过 N N0 0 次应力循环，发生破坏的应力值。次应力循环，发生破坏的应力值。N N0 0 循环基数循环基数 N N0 0=10=106 610107 7 图图 疲劳曲线疲劳曲线（2 ）疲劳强度）疲劳强度循环次数循环次数有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区疲劳疲劳极限极限疲劳曲线疲劳曲线23 疲疲 劳劳 强强 度条件度条件rSk11Skrr例如例如 对称循环：对称循环：尺寸系数尺寸系数有效应力集有效应力集中系数中系数 表面状态系数表面状态系数许用应力许用应力24机械零件的表面强度机械零件的表面强度机械零件的接触强度机械零件的接触强度 1）静应力静应力: 表面

9、压碎 脆性材料, 表面塑性变形 塑性材料 2）变应力变应力：疲劳点蚀疲劳点蚀 齿轮、滚动轴承的常见失效形式。疲劳点蚀疲劳点蚀25接触应力 计算依据：弹性力学的赫兹公式 两圆柱体接触说明：1）Hmax 与 F 不呈线性关系2）越大， Hmax 越小3）内接触时较小， Hmax 较小22212121max1111EEbFHmax21210.418HFEbFEb钢或铸铁26HH)1()1()1(222121EEbFHHHHSlimHlim 由实验测得的材料的接触疲劳极限接触疲劳极限 27 2 表面磨损强度表面磨损强度耐磨性计算准则：耐磨性计算准则： 滑动速度低，载荷大时：滑动速度低，载荷大时： 压强

10、压强 p p 中速时：中速时： pv pv 高速时：高速时： pv pv； v v磨损磨损：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象（零件表面破坏）零件表面破坏）零件磨损的三个阶段零件磨损的三个阶段材料力学bsFbsF 假设假设应力在挤压面上是均匀分布应力在挤压面上是均匀分布的的得实用挤压应力公式得实用挤压应力公式dAbs* * 注意挤压面面积的计算注意挤压面面积的计算F FF F3 表面挤压强度表面挤压强度失效形式：失效形式： 压溃、表面塑性变形压溃、表面塑性变形pFApp表面挤压强度条件表面挤压强度条件q轴向拉伸杆件轴向拉伸杆件：lEAlFlN式中：l为轴

11、向拉伸的许可伸长量或缩短量q平面弯曲梁：式中：y为许用挠度；为许用转角。q扭转变形圆轴：)(180)(maxmaxmaxmaxmPmradPGITGIT。；或式中：max为许用扭转角。l 二、二、 刚刚 度度 刚度是反映零件在载荷作用下抵抗刚度是反映零件在载荷作用下抵抗 弹性变形弹性变形 的能力。的能力。30影响刚度的因素及其改进措施影响刚度的因素及其改进措施 材料材料对刚度的影响对刚度的影响 弹性模量弹性模量大大 则刚度大则刚度大 结构结构对刚度的影响对刚度的影响 截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的截面形截面等

12、惯性矩大的截面 支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩；采支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩；采用加强筋用加强筋 在装配中适当增加预紧力在装配中适当增加预紧力l31三 振振 动动 稳稳 定定 性性振动振动：机械零件周期性产生弹性变形的现象。共振共振：当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零 件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。 这种现象称之为 “失去振动稳定性”。 振动稳定性准则： f p0.85 f f p1.15 f 式中： f 零件的自激振动频率 fp外力变化的频率.KmFn 典型零部件：典型零部件：轴等轴等机械零件材料的选用原则1：铝(LY12)、铜(

13、ZCuSn10P1).黑色金属有色金属铸铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维 ：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢(如：08F 45 60 1Cr18） ：灰铸铁、球墨铸铁(如：HT300 QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻 9-2 常常 用用 材材 料料 及及 其其 选选 择择常见材料常见材料 (一一)、黑色金属、黑色金属 钢钢 的的 分分 类类 ：1 1）含）含碳碳量量 （按碳的质量分数）（按碳的质量分数）低碳钢 ( c0.25%)中碳钢(0.25% c 0.6%)高碳钢(0.6% c 2.11%)2 2）化学成份）化学成份

14、（按合金成份（按合金成份）合金钢合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）低 碳 钢（ 0.25% C）中 碳 钢（ 0.250.60% C）高 碳 钢（ 0.60% C）碳 素 钢低 合 金 钢（ 5% me）中 合 金 钢（ 510% me）高 合 金 钢（ 10% me）合 金 钢钢碳素钢碳素钢3 3）钢的品质）钢的品质 （按有害杂质（按有害杂质S S、P P含量含量）普通钢（s0.05% ;p0.045%）优质钢 （s0.04% ;p0.04%）高级优质钢（s0.03%；p0.035%）4 4）钢的用途）钢的用途 （按行业使用）（按行业使用）结构钢结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、

15、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）了解了解 钢的使用特点及应用、牌号：钢的使用特点及应用、牌号：牌号牌号：1 1、碳钢与合金钢、碳钢与合金钢1 1）碳钢）碳钢 普通碳素结构钢普通碳素结构钢字母字母Q Q + + 屈服强度屈服强度( (Mpa) + Mpa) + 质量等级。质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：如：Q235A Q235A ； Q215B Q215B；普通碳素结构钢的应用 钢板、钢筋螺钉、铆钉螺钉、铆钉 建筑构件钢桥梁 锉刀碳 素 工 具 钢 量规钻头 优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号

16、牌号：由两位数字组成由两位数字组成表示碳碳的平均万分含万分含量量（常用：08 85）如 4545（表示C 0.45%的优质碳素结构钢）当Mn=0.7 1.2%时，在数字后加Mn齿轮 螺栓 优质碳素结构钢的应用 30305555钢：钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。曲轴弹簧 优质碳素结构钢 65658585钢：钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。2 2） 合合 金金 钢钢牌号牌号：数字数字 + + 元素符号元素符号 + + 数字数字表示碳的平均万分含量合金元素平均百分含量：1.5%不标记， 表示所含合金元素的名称如：202

17、0CrCr（表示c=0.2% ,Cr1.5%的合金结构钢)如：3838CrMnAlCrMnAl（表示c=0.38% ,Cr、 Mn Al的含量均 1.5%的合金结构钢)如：6060Si2MnSi2Mn（表示c=0.6% ,Si=1.5 2.49%，的Mn1.5%的合金结构钢) 拨叉变速齿轮合金渗碳钢 2020CrCr、2020MnTiMnTi、 2020Cr2Ni4Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷冲击载荷的重要零件。4040CrCr、4040CrMnCrMn、 3838CrMnAlCrMnAl ：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。滚滚 动动 轴轴

18、承承 钢钢 牌号牌号：字母字母G+G+合金元素合金元素+ +数字数字 表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9GCr9（表示Cr=0.9% 的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记， 如：GCr15SGCr15Si iMnMn（表示Cr=1.5% 的滚动轴承钢)成份：成份：C=1 1.15%, 加入了MnMn、S Si i等合金元素，热处理后使用。滚珠轴承滚动轴承钢 破碎机颚板履带 铁轨分道叉 挖掘机斗齿耐磨钢化学元素有硅、锰、铬、钼、钒、钨、镍、钛、硼、铜、稀土如 ZG230ZG230450450（表示含碳量屈服点为s=230MPa,抗拉强度为的b=450Mpa的碳素

19、铸钢）；2、 铸 钢牌号牌号：字母字母ZGZG + + 数字数字 数字数字表示铸钢表示抗拉强度b （Mpa）表示屈服点s（Mpa）重型机械齿轮 铸钢铸钢 特点与应用特点与应用： 由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。3 3、灰、灰 口口 铸铸 铁铁牌号牌号：字母字母HT + HT + 数字数字表示灰口铸铁表示最低抗拉强度b （Mpa） HT150 HT150特点与应用：特点与应用： 强度、塑性、韧性不如钢，软而脆脆。抗压强度高，抗拉强度低。有良好的耐磨性、减震性和切削性；常用于床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体

20、、活塞环、带轮等零件。如：QT400QT4001818特点与应用：特点与应用： 球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性 受力复杂、强度韧性和耐磨性较高受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。4 4、球、球 墨墨 铸铸 铁铁牌号牌号：字母字母QT+ QT+ 数字数字 数字数字表示球墨铸铁表示最低抗拉强度b （Mpa）表示最低伸长率 （%）1 1 铜铜 及及 铜铜 合合 金金（1 1）纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）牌号牌号： T1、T2、T3、T4、-序号越大，纯度越低序号越大，纯度越低特点及应用：特点及应用：良好的导电

21、性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。（二）、有色金属（二）、有色金属（a a）黄黄 铜（铜锌合金）铜（铜锌合金）普通黄铜普通黄铜：H平均含铜量的百分数 特点特点良好的耐蚀性应用：应用：弹壳、散热器、垫片、油管（2 2）铜）铜 合合 金金（b b）青青 铜铜锡锡 青青 铜铜 铸锡青铜 ZCuSn10P1 较高的抗蚀性、耐磨性 蜗轮、轴瓦蜗轮、轴瓦、轴套等耐磨零件。铝铝 青青 铜铜： QAL10-4-4较高的强度、抗蚀性、耐磨性耐磨性、耐热性和焊接性 齿轮、蜗轮蜗轮、轴套、船舶等零件。 2 轴 承 合 金 - 巴比特（ Babbitt ）合金 （或巴氏合金）

22、中国的锡基轴承合金牌号用“Ch”符号表示。牌号前冠以“Z”,表示是铸造合金。如含有Sbll%和 Cu6%的锡基轴承合金牌号为“ZChSnSb11-6”。制造滑动轴承（轴瓦）（三）、非金属材料（三）、非金属材料 （1 1）工程塑料）工程塑料 密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。 机械强度差，刚性差，耐热性低。 散热性差，易老化，易燃。 聚酰胺（尼龙） 聚乙烯（PE）塑料可制作食品包装袋、奶瓶、容器等。 聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。 聚丙烯（PP）可用于水暖结构件。 聚苯乙烯（PS）可用于制造仪表外壳。塑料齿轮塑料齿轮 （2 2）橡胶）橡胶 弹性好，缓冲、减振弹性好，缓冲、减振，绝缘性好，

23、耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。 主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。 o弹性圈柱销联轴器小小 结结含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金的铁碳合金1）以含碳量 C%0.6%（高）2）以化学成份 碳素钢，合金钢3）以钢的品质 普通钢，优质钢 ，高级优质钢4）以钢的用途 结构钢，工具钢，特殊性能钢钢钢结结构构钢钢普通碳素结构钢：普通碳素结构钢： Q235AQ235A；Q215BQ215B；优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 4545；65 65 MnMn；合金结构钢：合金结构钢：2020Cr;Cr;3838CrMnAl;CrMnAl;6060Si2Mn;(GCr9)Si2Mn;(GCr

24、9)铸铸钢钢铸造碳钢：铸造碳钢：ZG230ZG230450450； ZG270 ZG270500500；* *常用钢种的牌号及识别：常用钢种的牌号及识别：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合的铁碳合金金白口铸铁白口铸铁无牌号标记无牌号标记灰口铸铁灰口铸铁HT150HT150； HT200 HT200；可锻铸铁可锻铸铁KTH300KTH3000606； KTZ450 KTZ4500404；球墨铸铁球墨铸铁QT400QT4001818；QT600QT6003 3铸铁铸铁热处理的实质热处理的实质 马氏体贝氏体索氏体屈氏体珠光体铁素体铁素体和渗碳体渗碳体二将固态金属或合金固态金属或合金采用适当的方式

25、进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。二 热 处 理热热 处处 理理61 1）退火退火 随炉随炉冷却冷却 消除锻造、焊接内应力。消除锻造、焊接内应力。 2）正火正火 空气冷却空气冷却，硬度强度提高，消除内应力方，硬度强度提高，消除内应力方面不如退火。面不如退火。 3）淬火淬火 水冷或油冷水冷或油冷，硬度强度提高，脆性增加、，硬度强度提高，脆性增加、存在较大内应力存在较大内应力 4）回火回火 淬火后又加热冷却，消除内应力和脆性。仍淬火后又加热冷却，消除内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度。保持较高硬度、强度。 调质淬火高温回火调质淬火高温回火 强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑

26、性、韧性都较好的综合力学性能。都较好的综合力学性能。1 普 通 热 处 理 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2、表、表 面面 热热 处处 理理 （1）表）表 面淬面淬 火火 在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表强化零件表面面的热处理方法。 渗碳渗碳低碳钢低碳钢 表表 面渗入碳面渗入碳元素元素耐磨耐磨渗氮渗氮钢材表面渗入氮碳元钢材表面渗入氮碳元素素耐磨耐磨氰化氰化碳氮共渗碳氮共渗耐磨耐磨 （2）化）化 学学 热热 处处 理理 改变表层的化学成分和组织1 1、 使使 用用 要要

27、 求求 （1）零件的受载情况 （2）零件的工作情况 （3）对零件尺寸和重量的限制 （4）零件的重要程度三、三、 2 2、工艺要求、工艺要求 考虑 （1）工艺方法 （2）生产条件 （3）毛坯的制取方法 对于形状简单、薄壁、高度或深度小的零件，如生产批量较大时，可考虑压力加工成形。大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好（易断屑、刀具磨损小、表面光滑等）。考虑材料的热处理工艺性能。 3 3、 经经 济济 要要 求求 （1）材料本身的相对价格。 （2）局部品质的原则。 （3）材料的加工费用。 （4）材料的利用率。 （5）节约稀有材料 、材料的供应状况。 材材 料料 相相对对价格价格 材料材料 相相对对价价格格 碳素碳素结结构构钢钢