第6章机械零件设计概论1

1、第第11章章 机械零件设计概论（机械零件设计概论（1）11111 机械零件设计概论机械零件设计概论11112 机械零件的强度机械零件的强度11113 机械零件的接触强度机械零件的接触强度11114 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性11115 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择11116 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化11111 机械零件设计概论机械零件设计概论一：机械设计应满足的要求：一：机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在预定使用期限内，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修安

2、全可靠，操作方便、维修简单简单和和造型美观造型美观等。（日，美，德）等。（日，美，德）二：机械零件的失效：二：机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全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，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。零件的失效形式零件的失效形式: 断裂或塑性变形断裂或塑性变形; 过大的弹性变形过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤工作表面的过度磨损或损伤; 发生强烈的振动；联

3、接发生强烈的振动；联接的松弛的松弛; 摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。一、一、机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式（一）整体断裂（一）整体断裂整体断裂是指零整体断裂是指零件在载荷作用下，其件在载荷作用下，其危险截面的应力超过危险截面的应力超过零件的强度极限而导零件的强度极限而导致的断裂，或在变应致的断裂，或在变应力作用下，危险截面力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂（二）过大的残余变形（二）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。产生残

4、余变形。齿轮齿面塑形变形齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形（三）零件的表面破坏（三）零件的表面破坏 零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。轴瓦磨损轴瓦磨损齿面接触疲劳齿面接触疲劳 刚度准则刚度准则 设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则： 强度准则强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则

5、。本的设计准则。计算应力计算应力许用应力；许用应力；：确保零件不发生过大的弹性变形。确保零件不发生过大的弹性变形。变形量变形量NNN0 0以后，曲线趋于水以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。无限寿命区无限寿命区 N0 -有限寿命区有限寿命区 与无限寿命区与无限寿命区 的分界点的分界点应力应力与应力循环次数与应力循环次数N N 之间之间的关系曲线称为：的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线：当应力循环当应力循环N次后，材料不次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力发生疲劳破坏的最大应力有限寿命区有限寿命区 无限寿命区无限寿命区 NOr rN0-1N

6、-1NNN N0 0 -应力循环基数，它随材料不同而有不同的数应力循环基数，它随材料不同而有不同的数值。通常，对值。通常，对 HBS350 的钢，的钢， N0107对对HBS350的钢，的钢， N0 25107 -1-1表示材料在对称循环应力下的表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。弯曲疲劳极限。 0:表示材料在表示材料在脉动脉动循环应力下的循环应力下的弯曲疲劳极限。弯曲疲劳极限。 有限寿命区有限寿命区 无限寿命区无限寿命区 r 相应于应力循环基数相应于应力循环基数N0的疲劳极限，称为材料的的疲劳极限，称为材料的疲劳极限，如疲劳极限，如mNNNk0CNNmrmrN0mrrNNN0kN 寿命系

7、数；寿命系数；当当NN0时，取时，取kN=1。 当当NN0 ” ，mNNSk011有限寿命时，用有限寿命时，用-1N-1N代入得：代入得：mNNNk0四、安全系数四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响1 1）静应力下，塑性材料静应力下，塑性材料的零件：的零件：S =1.2S =1.2.5.5 铸钢件：铸钢件：S =1.S =1.5.5S S典型机械的典型机械的 S S 可通过查表求得。可通过查表求得。 无表可查时，按无表可查时，按以下原则取：以下原则取： 零件尺寸大，结构笨重。零件尺寸大，结构笨重。S S 可能不安全。可能不安全。）静应力下，静应力下，脆脆性材料，性材料，如高强

8、度钢或铸铁：如高强度钢或铸铁： S =3S =34 43 3）变变应力下，应力下， S =1.3S =1.31.71.7材料不均匀，或计算不准时取：材料不均匀，或计算不准时取： S =1.7S =1.72.52.5113 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 1:接触强度接触强度:若两个零件在受载前是若两个零件在受载前是点接触或线接触点接触或线接触，受载，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力(contact stress)。 这时零件强度称

9、为接触强度。这时零件强度称为接触强度。 如齿轮、滚动轴承等机械件，都是通过很小的接触面积传如齿轮、滚动轴承等机械件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。取决于表面的接触强度。 2:失效形式常表现为：疲劳点蚀失效形式常表现为：疲劳点蚀机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产

10、生高压，使裂润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑表面形成一些小坑 ，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点，这种现象称为渡劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力低了承载能力 。后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。3:表面接触疲劳强度的计算准则表面接触疲劳强度的计算准则: 由弹

11、性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化简得EEEEEbEFnH)1 (212bEFn418.0对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比： 1=2=0.3 , 则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式 “+”用于外接触用于外接触，“-”用于内接触用于内接触。H HH H2b b11Fnb b2H HH HFn222121211111EEbFnHbEFnH)1 (212bEFn418.0bEFnH418.0H H -最大接触应力或最大接触应力或赫兹应力赫兹应力;212121212E

12、EEEEb b -接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷; -综合曲率半径综合曲率半径; -综合弹性模量综合弹性模量; E1、 E2 分别为两分别为两 圆柱体的弹性模量。圆柱体的弹性模量。 接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为：HHHHHSlim,而b bFn11114 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为损的能力称为耐磨性。耐磨性。 磨损磨损 间隙间隙、

13、精度精度、 效率效率、 振动振动、冲击冲击、 噪音噪音据统计，约有据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。的损坏零件是因磨损而报废的。（汽车定期保养）（汽车定期保养） 磨损的主要类型磨损的主要类型 ：1）磨粒磨损磨粒磨损2）粘着磨损粘着磨损(胶合磨损胶合磨损)在滚动或兼有滑动和滚动的高副申，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。 在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损 。硬质颗

14、粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。 3）疲劳磨损疲劳磨损(疲劳点蚀疲劳点蚀)4） 腐蚀磨损腐蚀磨损实用耐磨计算是限制运动副的压强实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即，即: p p p由实验或同类机器使用经验确定相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间

15、单位相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量接触面积的发热量 f p v 。在摩擦系数一定的情况下，在摩擦系数一定的情况下，可将可将 p v 值与许用的值与许用的 p v 值进行比较。即值进行比较。即:p v p v 11115 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等 。一、金属材料一、金属材料1.1.铸铁：铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.2.钢：钢：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢( (不锈钢、耐热钢、不锈钢、耐热

16、钢、耐酸钢等耐酸钢等) )、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁铸铁常用金常用金属材料属材料钢钢铜合金铜合金-含碳量含碳量2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。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）、成本低较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。选用原则：选用原则： 优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。硅、锰、硼、钒类合金钢。特

17、点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。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。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：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。价格便宜且供应充分 我国资源丰富 3.3.铜合金铜合金- -铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具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。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造

18、。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）- -含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1. 1. 橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。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、带传动的胶带常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，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，

19、如耐蚀性、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在性、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。机械制造中其应用日益广泛。 3.3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素选材因素：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、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工艺性能机械工艺性能、经济经济性。性。常用无机非金属材料有哪些？常用无机非金

20、属材料有哪些？11116 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化一、一、工艺性工艺性零件设零件设计要求计要求使用要求使用要求-具备所要求的工作能力；具备所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工艺可行，成本低；制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。很低。(学生弱点）学生弱点）工艺性的基本要求：工艺性的基本要求：1) 毛坯选择合理毛坯选择合理制备方法：制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和

21、加工可能性有关。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。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。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2) 结构简单合理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；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；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。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

22、高精度，应在满足使用要求的前提下，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。尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；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、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；螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4) 尽量减小零件的加工量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。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。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。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。二、二、标准化标准化内容：内容： 1)1)产品品种规格的系列化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