机械零件设计概论

第9章机械零件设计概论§9－1机械零件设计概论§9－2*机械零件的强度§9－3*机械零件的接触强度§9－4*机械零件的耐磨性§9－5机械制造常用材料及其选择§9－6公差与配合、表面粗糙度和优先数系§9－7机械零件的工艺性及标准化1§9－1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2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;

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<许用变形量；3载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。§9－2*机械零件的强度计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。计算应力-----按名义载荷计算所得之应力：名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。强度判定条件：σ、τ[σ]=、[τ]-----许用应力S-----安全系数σlim、τ

lim-----极限应力，由实验方法测定。然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入4一、应力的种类otσσ=常数σmax脉动循环变应力r=0σm静应力:σ=常数变应力:σ随时间变化平均应力:应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力otσ变应力的循环特性:σmaxσminσaσa对称循环变应力r=-1otσ----脉动循环变应力----对称循环变应力-1=0+1----静应力otσσaσaσminr=+1静应力是变应力的特例5二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形塑性材料，取屈服极限σS作为极限应力,许用应力为：脆性材料：取强度极限σB作为极限应力,许用应力为：三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：

1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低;2)

疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;3)

疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所以疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂。

不管脆性材料或塑性材料，61、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当N>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σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为：疲劳曲线当N>N0时,试件将不会断裂。N0----循环基数N0对应的应力称为：当N<N0时,有近似公式：对应于N的弯曲疲劳极限：疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。72、许用应力

在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：σ0

为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。以上所述为“无限寿命”，有限寿命时，用σ-1N代入得：8四、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）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

铸钢件：S=1.５～２.5S↑典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：→零件尺寸大，结构笨重。S↓→可能不安全。２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：

S=3～43）变应力下，S=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.7～2.59初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹§9－3*机械零件的接触强度

若两个零件在受载前是点接触或线接触。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层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。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20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(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，而在零件表面形成一些小坑，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，因而也降低了承载能力。裂纹的扩展与断裂油失效形式常表现为：疲劳点蚀金属剥落出现小坑后果：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。10σH-------最大接触应应力或赫兹应力;b-------接触长度;Fn-------作用在圆柱柱体上的载载荷;-----综合曲率半半径;-----综合弹性模模量;E1、E2分别为两圆柱体的弹弹性模量。。接触疲劳强强度的判定定条件为：：bFn11§9－4*机械零件的的耐磨性运动副中，，摩擦表面面物质不断断损失的现现象称为磨损。磨损会逐逐渐改变零零件尺寸和和摩擦表面面形状。零零件抗磨损损的能力称称为耐磨性。磨损↑→间隙↑、精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、噪音↑据统计，约约有80%的损坏零件件是因磨损损而报废的的。磨损的主要要类型：1）磨粒磨损2）粘着磨损(胶合磨损)在滚动或兼兼有滑动和和滚动的高高副申，如如凸轮、齿齿轮等，受受载时材料料表层有很很大的接触触应力。当当载荷重复复作用时，，常会出现现表层金属属呈小片状状剥落，而而在零件表表面形成小小坑，这种种现象称为为疲劳磨损损或疲劳点点蚀。在摩擦过程程申，与周周围介质发发生化学反反应或电化化学反应的的磨损，称称为腐蚀磨磨硬质颗粒或或摩擦表面面上硬的凸凸蜂，在摩摩擦过程中中引起的材材料脱落现现象称为磨磨粒磨损。。硬质颗颗粒可能是是零件本身身磨损造成成的金属微微粒，也可可能是外来来的尘土杂杂质等。摩摩擦面间的的硬粒，能能使表面材材料脱落而而留下沟纹纹。加工后的零零件表面总总有一定的的粗糙度。。摩擦表面面受载时，，实际上只只有部分峰峰顶接触，，接触处压压强很高，，能使材料料产生塑性性流动。若若接触处发发生粘着，，滑动时会会使接触表表面材料由由一个表面面转移到另另一个表面面，这种现现象称为粘粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料料转移是指指接触表面面擦伤和撕撕脱，严重重时摩擦表表面能相互互咬死。3）疲劳磨损(疲劳点蚀)4）腐蚀磨损12实用耐磨计计算是限制制运动副的的压强p，即:p≤[p][p]由实验或同同类机器使使用经验确确定相对运动速速度较高时时，还应考考虑运动副副单位时间间单位接触触面积的发发热量fpv。在摩擦系数数一定的情情况下，可可将pv值与许用的的[pv]值进行比较较。即:pv≤[pv]13§9－5机械制造常常用材料及及其选择机械制造中中最常用的的材料是钢钢和铸铁，，其次是有有色金属合合金。非金金属材料如如塑料、橡橡胶等。。一、金属材材料1.铸铁：灰铸铁、球球墨铸铁、、可锻铸铁铁、合金铸铸铁等。2.钢：结构钢、工工具钢、特特殊钢(不锈钢、耐耐热钢、耐耐酸钢等)、碳素结构构钢、合金金结构钢、、铸钢等。。铸铁常用金属材材料钢铜合金----含碳量>2%----含碳量≤2%铁碳合金特点：良好的液态态流动性，，可铸造成成形状复杂杂的零件。。较好的减震震性、耐磨磨性、切削削性（指灰灰铸铁）、、成本低廉廉。应用：应用范围广广。其中灰灰铸铁最广广、球墨铸铸铁次之。。14选用原则：：优选碳素钢钢，其次是是硅、锰、硼硼、钒类合合金钢。特点：与铸铁相比比，钢具有有高的强度度、韧性和和塑性。可可用热处理理方法改善善其力学性性能和加工工性能。零件毛坯获获取方法：：锻造、冲压压、焊接、、铸造等。。应用：应用范围极极其广泛。。表9-2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（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且且供应充分分我国资源丰丰富153.铜合金-铜锌合金，，并含有少少量的锰、铝、镍特点：具有良好的的塑性和液液态流动性性。青铜合合金还具有有良好的减减摩性和抗抗腐蚀性。。零件毛坯获获取方法：：辗压、铸铸造。应用：应用范围广广泛。种类青铜黄铜轴承合金（（巴氏合金金）-含锡青铜、、不含锡青青铜二、非金属属材料1.橡胶橡胶富于弹弹性，能吸吸收较多的的冲击能量量。常用作作联轴器或或减震器的的弹性元件件、带传动动的胶带等。硬橡胶胶可用于制制造用水润润滑的轴承承衬。162.塑料塑料的比重重小，易于于制成形状状复杂的零零件，而且且各种不同同塑料具有有不同的特特点，如耐耐蚀性、绝绝热性、绝缘缘性、减摩摩性、摩擦擦系数大等等，所以近近年来在机机械制造中中其应用日日益广泛。。3.其它非金属属材料：皮革、木材材、纸板、、棉、丝等等。选材因素：：设计机械零零件时，选选择合适的的材料是一一项复杂的的技术经济济问题设计计者应根据据零件的用用途、工作条件和和材料的物物理、化学学、机械和和工艺性能能以及经济济因素等进进行全面考考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性性能、经济性。零件材料各种材料的的化学成分分和力学性性能可在相相关国标、、行标和机机械设计手手册中查得得。为了材料供供应和生产产管理上的的方便，应应尽量缩减减材料的品品种。17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σB

屈服极限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~20018§9－6公差与配合合、表面粗粗糙度和优优先系数一、公差与配合合互换性：零件在装配配时，不需需要选择和和附加加工工的就能满足预期期技术与使使用要求的的特性。基本尺寸：：由设计图纸纸给定的零零件理论尺尺寸；为确确定值。实际尺寸：：制造加工后后测量所得得零件尺寸寸；由于测测量有误差，所所以实际尺尺寸并非真真值。相对对于基本本尺尺寸寸而而言言，，总总是是有有误误差差。。或大大或或小小基本尺寸轴φ25实际尺寸Φ25.1轴Φ24.9轴实际际尺尺寸寸实际际尺尺寸寸基本本尺尺寸寸实际际尺尺寸寸Φ24.9孔Φ25.1孔φ25孔19轴LLmax轴Lmin轴Lmin孔φL孔最小小极极限限尺尺寸寸：：零件件满满足足互互换换性性要要求求的的最最小小允允许许尺尺寸寸；；最大大极极限限尺尺寸寸：：零件件满满足足互互换换性性要要求求的的最最大大允允许许尺尺寸寸；；尺寸寸误误差差：：实际际尺尺寸寸与与理理论论设设计计尺尺寸寸之之差差；；上偏偏差差：：最大大极极限限尺尺寸寸与与基基本本尺尺寸寸之之差差；；符符号号：：ES,es下偏偏差差：：最小小极极限限尺尺寸寸与与基基本本尺尺寸寸之之差差；；符符号号：：EI,eiesESeiEI尺寸寸公公差差：：最大大极极限限尺尺寸寸与与最最小小极极限限尺尺寸寸之之差差；；即即允许许的的尺尺寸寸变变动动量量。。ES-EIes-ei公差差=Lmax-LminLmax孔=ES-EI=es-ei20零线线：：代表表基基本本尺尺寸寸所所在在位位置置的的一一条条直直线线；；公差差带带：：由代代表表上上、、下下偏偏差差的的两两条条直直线线所所限限定定的的区区域域；；轴LLmax轴Lmin轴零线+0-零线LESEI孔公差带esei轴公差带国标标规规定定：：孔孔与与轴轴各各有有28个，，分分别别用用如如下下符符号号表表示示：：孔：：ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC轴：：abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc基本本偏偏差差：：标准准表表列列的的，，用用于于确确定定公公差差带带相相对对于于零零线线位位置置的的上上偏偏差差或或下下偏偏差差，，一一般般为为靠靠近近零零线线的的那那个个偏偏差差。。21BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs轴+0-基本尺寸孔：：ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC轴：：abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc基本本偏偏差差系系列列呈正正态态分分布布22配合合：：基本本尺尺寸寸相相同同，，相相互互结结合合的的孔孔与与轴轴公公差差带带之之间间的关关系系；；间隙隙或或过过盈盈：：孔的的尺尺寸寸减减去去相相配配合合轴轴的的尺尺寸寸所所得得代代数数差差；；间隙隙：：代数数差差为为“+”，孔孔>轴;过盈盈：：代数数差差为为“-”，孔孔<轴;公差差等等级级：：国标标规规定定了了20个等等级级，，用用阿阿拉拉伯伯数数字字：：001123456789101112131415161718表示示。。标记记方方法法：：公差差带带符符号号后后跟跟阿阿拉拉伯伯数数字字表表示示。。如如：：H7。常用用公公差差等等级级的的应应用用4、5级用用于于特特别别精精密密的的零零件件；；6、7、8级用于重重要的零零件；8、9级用于中中速及中中等精度度要求的的零件；；10、11级用于低低速、低低精度的的零件。。可直接接采棒材材、管材材、精密密锻件而而不用切切削加工工。23配合类型型间隙配合合过渡配合合过盈配合合孔>轴，用于于可动联联接，如如活动铰铰链；孔<轴，用于于静联接接，如火火车轮与与轴。可能有间间隙，也也可能具具有过盈盈。用于于要求具有有良好的的同轴性性而又便便于拆装装的静联接接，如齿齿轮与轴轴；最大间隙隙:Xmax=孔max-轴min最小间隙隙:Xmin=孔min-轴max最大过盈盈:Ymax=孔min-轴max最小过盈盈：Ymin=孔max-轴min24间隙配合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差带过盈配合合过渡配合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XmaxYmin25零线DH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配合：孔是基准准孔，下下偏差EI=0，代号号为:H，通通过改改变轴的的公差带带来或得得各种不不同的配配合特性性。基孔制配配合基轴制配配合应用广泛泛，可可减少孔孔加工刀刀具26零线hD轴公差KJSHGEFRPMS间隙配合过渡配合过盈配合基轴制配配合：轴是基准准轴，上上偏差es=0，代号号为:h，通通过改改变孔的的公差带带来或得得各种不不同的配配合特性性。27二、表面粗糙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：零件表面面的微观观几何形形状误差差称为表面粗糙糙度特征：加工后零零件表面面留下的的微细而而凹凸不不平的刀刀痕。评定参数数：轮廓算术术平均偏偏差----取样长度度l内，被测测轮廓上上各点至至轮廓中中线偏距距绝对值值的算术术平均值值：280.0120.0250.050.10.20.40.81.63.26.312.52550100表9-3用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精粗刨削钻孔铰孔精粗镗孔精粗车精粗磨精粗研磨滚、铣精粗Ra愈小，零零件的加加工成本本愈高。。29表面粗糙糙度对零零件功能能有重要要的影响响。例如如：1.对摩擦磨磨损的影影响摩擦系数Ra零件表面面愈粗糙糙，摩擦擦系数愈愈大。但但光滑到到一定程程度时，，润滑油油被挤出出，产生生亲和力力反而使使摩擦系系数增大大。2.对疲劳强强度的影影响零件表面面愈粗糙糙，在刀刀痕根部部愈容易易产生应应力集中中，使疲疲劳强度度降低。。3.对耐腐蚀蚀的影响响4.对结合处处密封性性能的影影响5.对振动和和噪声的的影响等等等零件表面面愈粗糙糙，在刀刀痕根部部愈容易易产生腐腐蚀渗透透。零件表面面愈光滑滑，密封封性能愈愈好。零件表面面愈粗糙糙，振动动和噪声声愈大。。如滚动动轴承。。30三、优先数系系优先数系系是国际际上统一一的数值值分级制制度，是是一种无无量纲的的分级系系数，适适用于各各种量值值的分级级。在确确定产品品的参数数或参数数系列时时，应该该最大限限度采用用。产品的主主要参数数如：型型号、直直径、转转速、承承载量和和功率等等按优先先数系形形成系列列，便于于组织生生产和降降低成本本，以实实现产品品的标准准化和系系列化。。优先数系是一个以公比为：qr=10

的十进等比级数，rGB321-80规定了四四个优先先数系的的基本系系列：R5:q5=10≈1.65R10:q10=10≈1.2510R20:q20=10≈1.1220R40:q40=10≈1.064031优先数系的基本系列R51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.001.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.001.001.061.121.181.251.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00R40R20优先数----表中任意意一个数数值。大于10的优先数数，可将将表数值值分别乘乘以10、100、1000。32§9－7机械零件件的工艺艺性及标标准化一、工艺性零件设计计要求使用要要求----具备所所要求求的工工作能能力；；制造要要求----制造工工艺可可行，，成本本低；；零件工工艺性性良好好的标标志：：在具体体的生生产条条件下下，零零件要要便于于加工工而加加工费费用又又很低低。工艺性性的基基本要要求：：1)毛坯选选择合合理制备方方法：：选用型型材、、铸造造、锻锻造、、冲压压和焊焊接等等。毛坯选选择与与生产产批量量、材材料性性能和和加工工可能能性有有关。。单件或或小批批量生生产时时，选选用棒棒料、、板材材、型型材或或焊件件。大批量量生产产时，，往往往选用用铸造造、锻锻造、、冲压压等方方法。。332)结构简简单合合理最好采采用平平面、、柱面面、螺螺旋面面等简简单表表面极极其组组合；；尽量减减少加加工面面数和和加工工面积积；3)合理的的制造造精度度和表表面粗粗糙度度零件的的加工工成本本随精精度和和表面面粗糙糙度的的提高高而急急剧增增加。。决不能能盲目目追求求高精精度，，应在在满足足使用用要求求的前前提下下，尽尽量采采用较较低的的精度度和表表面质质量。。尽量采采用标标准件件；增加相相同形形状、、相同同元素素（直直径、、圆角角半径径、配配合、、螺纹纹、键键、齿齿轮模模数等等）的的数量量；4)尽量减减小零零件的的加工工量毛坯形形状和和尺寸寸应尽尽量接接近零零件本本身的的形状状和尺尺寸。。力求求使少少或无无切削削