机械零件设计概论课件

1、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湖北汽车工业学院专用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

2、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湖北汽车工业学院专用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：计算应力许用应力；机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是： 计算量许用量工作能力计算准则。2) 确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料; 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状和主要尺寸 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者

3、还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整。 失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。刚度条件：变形量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 应力循环基数N0 对应的应力称为：当N2%含碳量 2%铁碳合金特点：具有适当的易熔性，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。湖北汽车工业学院专用2.1 分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢建筑及工程用钢或构件用钢机器制造用钢渗碳

4、钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢磁钢1）按用途分:湖北汽车工业学院专用为了改善钢的性能，特加入了一些合金元素的钢称为合金钢2）按化学成分:碳素钢和合金钢碳素钢按含碳量分类：低碳钢、中碳钢、碳钢。含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。湖北汽车工业学院专用碳素结构钢：含碳量不超过0.7%。 含碳量低于0.25%的低碳钢， 强度极限和屈服极限较低，硬度较低，塑性很高，韧性及焊接性良好；适于冲压、焊接，常用来制造螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接件等。含碳量在0.1%0.2%的低碳钢还可用来制造渗碳零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐

5、冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳合金钢。 含碳量在0.3%0.5%的中碳钢，综合力学性能较好，有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。 含碳量在0.55%0.7%的高碳钢，具有较高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。湖北汽车工业学院专用合金结构钢 钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。如：镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；钼的作用类似于锰，其影响更大；钒能提高韧性及强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响

6、很复杂，特别是为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。 合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。湖北汽车工业学院专用铸钢 铸钢的液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造时，壁厚不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过度部分应比铸铁件大。1）铸钢件。将钢液直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻造的钢件。常用于要求较高而复杂的零件。 2）含碳量。 铸造碳钢的含碳量在0.20%0.60%之间，含碳量太高则塑性差，易冷裂，硫、磷含量在0.040%以下。 3）牌号。“ZG+两组数字”表示，数字分别表示最低屈服点和最低抗拉强度的值。如ZG200-400

7、 。湖北汽车工业学院专用选用原则： 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。常用钢铁材料的牌号和力学性能见P123表9-1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） 1.51.8 合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件

8、 1.7 铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 湖北汽车工业学院专用表9-1 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% mmQ215 335-410 215 31 碳素结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素结构钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834

9、10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚30200湖北汽车工业学院专用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，也可辗压和铸造。零件毛坯获取方法：

10、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） （滑动轴承的轴承衬）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。 湖北汽车工业学院专用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。 以木屑等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。 以布、薄木板等层状填充物为基体，用用热固性树脂压结而成的

11、塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承衬和摩擦片等。湖北汽车工业学院专用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。湖北汽车工业学院专用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

12、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25.1轴实际尺寸实际尺寸基本尺寸实际尺寸24.9孔25.1孔25孔基本尺寸轴25轴24.9湖北汽车工业学院专用最小极限尺寸：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

13、限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。ES-EIes-ei公差=Lmax- Lmax=ES-EI=es-eiLmin孔L孔Lmax孔轴LLmax轴Lmin轴湖北汽车工业学院专用轴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：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y

14、 z za zb zc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湖北汽车工业学院专用孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc基本偏差系列呈正态分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs轴+0-基本尺寸湖北汽

15、车工业学院专用配合：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 湖北汽车工业学院专用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

16、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YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmaxYmaxYmaxXminXmaxXmin= 0Ymin= 0轴公差带XmaxYmin湖北汽车工业学院专用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EI=0， 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 湖北汽车工业学院专用零线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es=0， 代号为:h ， 通过改变孔的公差带来或得各种

17、不同的配合特性。湖北汽车工业学院专用基孔制常用与优先配合的选用湖北汽车工业学院专用基轴制常用与优先配合的选用湖北汽车工业学院专用二、 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：湖北汽车工业学院专用0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3 用不同加工方法得到的Ra值 加工方法表面粗糙度 Ra m精 粗刨削钻孔

18、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。湖北汽车工业学院专用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。湖北汽车工业学院专用三、 优先数系 优先数系是国际

19、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：qr= 10 的十进等比级数，rGB321-80规定了四个优先数系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40湖北汽车工业学院专用优先数系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 1

20、0.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4

21、.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 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 。 湖北汽车工业学院专用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 湖北汽车工业学院专用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、