第09章 机械零件设计概论

1、第第9 9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论 本章内容：本章内容： 机械零件设计概述机械零件设计概述 机械零件的强度机械零件的强度 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择 ( (公差与配合、表面粗糙度和优先数系公差与配合、表面粗糙度和优先数系) ) （机械零件的工艺性及标准化）（机械零件的工艺性及标准化） 9 91 1 机械零件设计概述机械零件设计概述零件设计的基本要求：零件设计的基本要求：工作可靠，成本低廉。工作可靠，成本低廉。几个概念：几个概念：1.失效：失效：零件由于某种原因不能正常工作的现象。2.失效

2、形式：失效形式： 强度（不足）强度（不足） 体积强度：体积强度：塑性变形、脆断、疲劳断裂塑性变形、脆断、疲劳断裂 表面强度：表面强度：面接触压溃、磨损压溃、磨损 点、线接触疲劳点蚀疲劳点蚀 、磨损、磨损 刚度不足刚度不足 弹性变形过大 失去稳定性失去稳定性 静态稳定 压杆；动态稳定 转轴 其他问题其他问题 局部胶合；摩擦传动打滑；联接松动等 零件力学模型计算准则选材并确定主参数细化结构完成零件工作图、制订技术文件。零件设计程序：零件设计程序：零件设计中的计算方法：零件设计中的计算方法：由工作能力条件确定主要的尺寸后，再进行结构设计。（适合力学模型简单的零件）先类比确定主要结构尺寸，然后再进行验

3、算。（ 适合力学模型或结构复杂的零件）设计计算设计计算:校核计算校核计算:3.工作能力：工作能力：4.计算准则：计算准则：在不失效的前提下，零件能安全工作的限度。 为防止失效而制定的判定条件。常用的判定条件： 计算应力许用应力 计算变形量许用变形量 等。 9 92 2 机械零件的强度机械零件的强度SSlimlim名义载荷理想平衡工作条件下，作用于零件上的载荷。名义载荷理想平衡工作条件下，作用于零件上的载荷。（载荷系数（载荷系数考虑各种附加载荷影响的系数）考虑各种附加载荷影响的系数）（工作情况系数（工作情况系数KA只考虑工作情况影响的系数）只考虑工作情况影响的系数）计算载荷载荷系数计算载荷载荷系

4、数名义载荷名义载荷名义应力按名义载荷用力学公式求得的应力。名义应力按名义载荷用力学公式求得的应力。计算应力按计算载荷求得的应力。计算应力按计算载荷求得的应力。强度条件：强度条件：（危险截面处计算应力（危险截面处计算应力零件材料许用应力）零件材料许用应力）第一强度理论第一强度理论最大拉应力理论；最大拉应力理论；第三强度理论第三强度理论最大切应力理论；最大切应力理论；第四强度理论第四强度理论最大形变能理论。最大形变能理论。一、应力的种类：一、应力的种类：)(minmax21m平均应力)(minmax21a应力幅maxminr应力循环特性系数非循环（随机）非对称脉动对称循环变应力静应力)11()0(

5、)1()1(rrrr二、静应力下的许用应力：二、静应力下的许用应力：对塑性材料对塑性材料：对脆性材料：对脆性材料：SSSB三、变应力下的许用应力：三、变应力下的许用应力：机理：机理：微裂纹 扩展、硬化 脆断特征：特征：脆性断裂、无明显塑性变形、 低应力。断口：断口：边缘部分黑、光、亮，可见 裂纹前沿扩展线，中心部分 灰、粗糙。疲劳断裂的识别：疲劳断裂的识别：变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。1.1.疲劳曲线：疲劳曲线：N0循环基数；-1材料在对称循环变应 力下的弯曲疲劳极限；-1N对应于循环次数N的 疲劳极限。越小，N越大。当NN0，零件理论上为无限寿命。mNNNmmNCNNNN

6、0110110，当2.许用应力：许用应力：应力集中：应力集中：零件几何尺寸发生突变的地方，由于几何不连续会导致应力分布不均匀，尺寸突变处产生很大的局部应力，这种情况称为应力集中。衡量应力集中严重的程度常用应力集中系数 k 。绝对尺寸：绝对尺寸：其他条件相同时，零件绝对尺寸愈大，极限应力愈小。因为尺寸愈大，材料晶粒愈粗，缺陷愈多，加工后的强化效果愈小。考虑这种尺寸对疲劳强度的影响，计算中引进尺寸系数。表面状态：表面状态：表面加工质量愈低，裂纹源愈多愈大，因而材料的极限应力愈小；但如果采用一些强化措施使零件表面产生残余压应力又能提高零件的疲劳强度。因此设计中引进表面状态系数。许用应力许用应力Sk1

7、1对称循环Sk00脉动循环 9 93 3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度HHHHSlim接触疲劳强度计算准则：接触疲劳强度计算准则：疲劳点蚀现象Hlim材料的接触疲劳极限。应以 两零件材料Hlim小者为准；SH齿面接触疲劳安全系数，等于 或稍大于1。降低降低H的措施的措施: Fn、b、及改换材料、热处理。注意：始终有始终有H1 H2。 9 94 4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性磨损磨损摩擦表面物质不断丧失的现象。耐磨性耐磨性零件抗磨损的能力。计算准则：计算准则：磨损量磨损量允许量。允许量。实际中常用：限制压强 p p限制发热量 p v p v磨损的主要类型：1、磨粒磨损2、粘着磨损（

8、胶合）3、疲劳磨损（点蚀）变应力下产生的磨损4、腐蚀磨损 9 95 5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择一、常用材料：一、常用材料：1. 铸铁铸铁含碳量大于2%的铁碳合金。 性脆；易熔、液态流动性好；减震性、耐磨性好；有的易切削，有的强度高，广泛用作机架等复杂零件。分为灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2. 钢钢含碳量小于2%的铁碳合金。 有较好的机械、热处理和切削性能。 按用途分为结构钢（碳素、合金结构钢）、工具钢、特殊钢。 含碳量有高、中、低；一般含碳量，强度和硬度，塑性 和韧性，可通过热处理改善性能；常用中碳钢、中碳合金钢。另有铸钢。3. 3. 合金合金 铜合金分为黄铜合

9、金、青铜合金（含锡、不含锡青铜）。 轴承合金。4. 4. 非金属非金属 橡胶宜做密封件、缓冲减震件、传动带等；塑料一般用作减摩材料或复杂轻载件。二、钢材常用热处理方法：二、钢材常用热处理方法：1.1.淬火淬火 加热至临界温度，保温，急冷。提高硬度、耐磨性。 以表面淬火常用。2.2.渗碳淬火渗碳淬火 渗碳然后淬火。使零件外硬内韧，耐磨、耐冲击。3.3.碳氮共渗碳氮共渗 亦称氰化，目的同上。现在应用不多。4.4.渗氮渗氮 热处理温度低，表面硬度大于渗碳淬火，适于硬化后不 磨削的零件，不耐冲击。5.5.调质调质 淬火后高温回火；综合机械性能较好，也便于切削。 最常用的热处理方法之一。6.6.正火（常

10、化）正火（常化） 调整硬度、细化晶粒、便于切削。不重要的零 件可作为最终热处理。7.7.退火退火 降低硬度、均匀组织、消除内应力。对铸、锻、焊零件 是常用的消除内应力的方法。1.1.使用要求使用要求2.2.工艺要求工艺要求3.3.经济性经济性 有强度和重量要求，选强密比高的；有刚度要求，选弹性模量大的（对碳钢，这种情况下宁肯用较低强度的材料）；有接触强度和耐磨要求，选表面可强化处理的。 毛坯要与生产规模相适应，大批量宜用铸造、模锻，小批量宜用焊接、自由锻。相应的：铸件要求液态流动性好、缩孔和偏析倾向小；焊件要求可焊性好、不易开裂；锻件要求延展性好、热脆性小；切削加工件要便于切削、表面要光整；热

11、处理件要求可淬性、淬透性好，变形倾向小。 相对价格要低、材料利用率要高、加工费用要少，最终要与生产规模相适应。三、材料选用原则：三、材料选用原则： 9 96 6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系公差与配合、表面粗糙度和优先数系 机器由独立制造的零件装配而成。为了降低成本，在大规模生产的情况下，我们希望制造的零件具有这样的性质：装配时不加选择及附加的加工，就能达到预期的装配技术要求。该性质称为互换性。互换性。一、公差与配合一、公差与配合公差公差 允许的极限尺寸之差。公差带公差带 代表上下偏差的两条 直线所限定的区域。配合配合 同一基本尺寸的孔与轴 的结合。配合种类配合种类 间隙、过盈、过渡 公差

12、带宽度决定加工难易，国标规定了20个级别，称为精度等级；孔轴公差带位置决定配合性质，国标将其分为28个级别，分别用大小写字母代号表示。 以一个基准孔与不同的轴得到的配合称为基孔制基孔制；以一个基准轴与不同的孔得到的配合称为基轴制基轴制。二、表面粗糙度二、表面粗糙度 表面粗糙度用来度量零件表面微观几何形状误差的大小。 表面粗糙度对零件的使用性能有很大的影响。随着粗糙度值的增大，实际接触面积减小，局部压强增大，可能导致如下结果： 加速磨损；降低联接的承载能力和密封性；降低零件的疲劳强度。 就使用而言，表面粗糙度愈小愈好；但随着粗糙度的减小，制造成本会急剧上升；因此，实用中，在满足使用要求的情况下，

13、应尽可能增大粗糙度。 评价粗糙度最常用的指标是轮廓算术平均偏差Ra。其定义为：niiaynR1|1 各级粗糙度值及应用范围请参见手册。3.3.保证良好保证良好 圆角过度，避免开裂； 壁厚均匀，避免热结。4.4.受力合理受力合理 铸铁耐压不耐拉。一一. .铸件的工艺性铸件的工艺性 9 97 7 机械零件的艺性及标准化机械零件的艺性及标准化良好的工艺性良好的工艺性 在既定的使用要求、生产条件、生产规模下，能 用尽可能低的成本制造出来。2.2.便于成型便于成型 最小壁厚，避免漫流。1.1.便于制模便于制模 分型面少而合理，拔模 斜度，少用活块、芯子。二二. .机加工零件的工艺性机加工零件的工艺性1.

14、1.要能加工要能加工 加工不出来一切免谈。2.2.便于加工便于加工 减小辅助时间（减 少装夹和换刀），减少 机动时间。3.3.保证精度保证精度 越程槽，减少变形 (车工怕长杠、刨工怕大 板)，减少装夹。4.4.提高刀具寿命提高刀具寿命 退刀槽，避免钻斜孔、 深孔和盲孔。1.1.能装能卸能装能卸 轴承定位台阶、 螺栓、定位销例。2.2.提高效率提高效率 避免过定位和辅 助加工。3.3.保证装配质量保证装配质量 合理的定位结构， 要能调整间隙。 尽可能使受热变型一致：要求避免尖角、壁厚均匀、形状对称，少用细长杆、大薄板。四四. .热处理件的工艺性热处理件的工艺性三三. .装配零件的工艺性装配零件的工艺性一. 等强度原则等强度原则 等强度原则是指设计时应使零件对各种可能的失效具有相等的抵抗力，材尽其用。二. 局部品质原则局部品质原则 局部品质原则是