第九章 机械零件设计概论

《机械设计基础（下）》电子教案机械与电子工程学院潘天校区9—311(O)西林26—322(H)65/wangluokecheng/2007/jxsjjc/jxzy/dzkj.asp/03/1/jxsjjc/一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。通用零件包括：

齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业

课中学习。1.本课程的内容、性质与任务第三节１

本课程的主要内容是：学习机械系统设计的基础知识；学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。具体内容包括:1、总论部分——机器及零件设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、结构要求以及摩擦、磨损、润滑等方面的基本知识；2、连接部分——螺纹、键、销、铆、焊接、胶接、过盈连接等；3、传动部分——螺旋、带、链、齿轮、蜗杆等传动；4、轴系部分——滚动、滑动轴承，联轴器、离合器以及轴等；5、其他部分——弹簧、机座和箱体，减速器和变速器等。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。工程制图：设计的图形表达。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。

本课程所涉及的先修课程有：

机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。

本课程的性质是：以通用零件的设计为核心的设计性课程。而且是论述它们的基本设计理论与方法的技术基础课程。本课程的主要任务是培养学生：1、有正确的设计思想并勇于创新探索；2、掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，进而具有综合运用所学的知识，改进和开发基础件及设计简单机械的能力。3、具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；4、掌握典型机械零件的试验方法，获得实验技能的基本训练；5、了解国家当前的有关技术政策，并了解机械设计的新发展。本课程的几个特点涉及面广关系多─因与诸多先修课关系密切。要求多─强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多─各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多─计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图表多─结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。实践性强─不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。第三节2注意处理好几个关系零件的设计与选用

─零件设计的两个主要途径。设计计算与结构设计

─设计决非只是计算，同学更应重视结构设计的学习。性能要求与经济性

──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。经验设计与现代设计

──二者均重要，前者是后者的基础。具体的设计方法与一般的设计能力

──前者是学习的形式，后者是学习的目的。

总之，通过本课程的学习，逐步提高自己的理论水平，构思能力，特别是提高分析问题和解决问题的能力，为顺利过渡到专业课程的学习及进行专业产品和设备的设计打下宽广和坚实的基础。①杨可桢等主编.机械设计基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006√√①濮良贵，纪名刚主编的《机械设计》（第8版）高等教育出版社，2006√√②邱宣怀主编机械设计（第四版），高教出版社2000

③殷玉枫主编.机械设计课程设计，机械工业出版社，2006√√

④潘天丽、胡国田编《机械设计基础》（甲）实验指导书√√2.推荐教材及参考书目3.学时数与学分：

总学时48，其中有三个实验6学时。学分3分。另外还有三周课程设计单独计3学分。4.考核方式：（1）闭卷笔试：主要检查对所学内容的掌握情况，占总评成绩的70%；（2）考查：主要考查上课出勤情况、课堂回答问题情况、实验情况、作业等，占总评成绩的30%。5.课外自学要求(包含作业要求)：要求自学教材中课堂讲授没有讲到的内容及参考书相应的内容，完成每章后的复习题，课外自学大约需要45～50学时！第9章机械零件设计概论（4）第10章连接（6）第11章齿轮传动(6)第12章蜗杆传动（3）第13章带传动和链传动(6)实验一机械传动效率的测试（2）第14章轴（4）第15章滑动轴承（3）实验二、滚动轴承的类型、结构、代号和轴的结构、分析和测绘（2）第16章滚动轴承（6）第17章联轴器、离合器和制动器（2）第18章弹簧（1）第19章机架和箱体、减速器与变速器简介（1）实验三、减速器的拆装（2）

6、各章课时分配第九章机械零件设计概论

前面8章主要讲述了常用机构和机器动力学的基本知识，即机械原理部分。从本章开始主要讲述常用连接、机械传动、轴系零部件和弹簧即通用机械零件的设计问题。具体内容包括：1)怎样合理确定零件的形状和尺寸；2)怎样适当选择零件的材料；3)怎样使零件具有良好的工艺性等。第九章机械零件设计概论《机械设计基础》第一节机械零件设计概述第二节机械零件的强度

第三节机械零件的接触强度第四节机械零件的耐磨性第五节机械制造常用材料及其选择第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数第七节机械零件的工艺性及标准化第一节机械零件设计概述一、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。

概括地说是：工作可靠、成本低廉。

二、名词术语：

1.失效：

机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称为失效。第九章机械零件设计概论第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论2.失效的形式：因强度不够发生断裂或塑性变形；因刚度不够而产生过大的弹性变形；因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；或因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳；因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论齿轮轮齿断裂齿轮键槽断裂第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论3.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（或者说在一定条件下零件抵抗失效的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力。4.工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据。强度条件：计算应力<许用应力；计算量≤许用量刚度条件：变形量<许用变形量；第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论5.设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有设计计算和校核计算两种。设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。第一节机械零件设计概论第九章机械零件设计概论三、机械零件的设计步骤

1.拟定零件的计算简图。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。应当注意，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准、规格加以圆整。5.绘制工作图并标注必要的技术条件。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论一、载荷

1.载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。2.机械零件实际承受的载荷：静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。动载荷：由运动产生的惯性力和冲击等引起的载荷。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论3.机械设计计算中的载荷：

名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响）载荷系数：考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数K

。

计算载荷：载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论二、应力1.设计计算的应力：

名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力2.机械零件的实际应力：

静应力——不随时间变化的应力。

变应力——随时间变化的应力。非周期性变应力：应力的变化没有周期性。循环变应力：应力的变化具有周期性。σtσtT第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论3.循环变应力的衡量指标：

平均应力σm：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。

应力幅σa：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力之比。Tσtσmaxσminσmσa第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论4.循环变应力的类型：对称循环变应力：r＝-1。脉动循环变应力：r＝0。静应力：r＝1，可看作是变应力的特例。非对称循环变应力：r≠0、±1对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力应力时间应力时间应力时间tt第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论三、机械零件的强度条件：1.机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接触强度。2.机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材料的许用应力：四、静应力条件下的许用应力塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形，按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极限，许用应力：

第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论S为安全系数。零件发生塑性变形后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。S安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力：五、变应力下的许用应力1.失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是疲劳断裂。

第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论2.疲劳失效的机理疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：裂纹形成裂纹扩展瞬时断裂疲劳源垄沟纹疲劳纹粗糙区光滑区疲劳断口的独特性：两个区疲劳区（光滑区）脆断区（粗糙区）3.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。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论

4.疲劳曲线：表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论r-----应力循环特性（应力比）；N-----疲劳断裂时应力循环次数。疲劳极限rN——对任一给定的应力循环特征r，当应力循环N0次后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。N0称为循环基数。对于特定的材料，具有标准值。疲劳曲线的左半部（N＜N0），可近似地用下列方程式表示：第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限式中：——寿命系数；当N≥N0时，取N＝N0，KN=1。m为随应力状态而不同的幂指数。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论通常用σ-l表示材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳极限。5.影响机械疲劳强度的因素：在变应力条件下，影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。对称循环变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限为第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论应力集中的影响由于结构要求，实际零件都有截面形状的突然变化或材料不连续处（孔、圆角、键槽、缺口等），零件受载时，它们就会引起应力集中。常用有效应力集中系数kσ表示（指材料、尺寸和受载情况都相似的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值，即kσ=σ-1/(σ-1)k绝对尺寸的影响

当其他条件相同时，零件尺寸越大，则其疲劳强度越低。主要是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率大，机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，疲劳裂纹容易形成。常用绝对尺寸系数εσ表示εσ=（σ-1）d/(σ-1)d0表面状态的影响

包括表面粗糙度和表面处理的情况。用表面状态系数β来表示β=（σ-1）β/(σ-1)β06.许用应力：当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为脉动循环应力时，有限寿命下的许用应力为对称循环变应力时，有限寿命下的许用应力为当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为Kσ应力集中系数；εσ尺寸系数；β表面状态系数；σ0脉动循环疲劳极限第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论六、安全系数在保证安全的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。原则如下：静应力下，塑性材料以屈服极限应力为极限应力。S=1.2～1.5,对塑性较差的材料（σs/σB＞0.6）或铸钢件S=1.5～2.5；静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，应取较大，S=3～4；变应力下，以疲劳极限为极限应力，S=1.3～1.7，若材料不够均匀，S=1.7～2.5。S总=S1•S2•••Sn第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论例9-1一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为W=20KN。试分析（1）拉杆、横梁及支承B的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。解（1）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力W、F及支承B的约束反力、，这些力处于同一平面内。第二节机械零件的强度第九章机械零件设计概论由

=0得

kN(拉力)

拉力F可分解为

和

：

=Fcos30°=33.87×0.866=29.33kN

=Fsin30°=33.87×0.5=16.94kN

由

=0得

kN

由

=0得

kN顺便指出，后两个方程改写成

=0和

=0，同样可以求解。第二节机械零件的强度2）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重量(包括小车、电动葫芦自重)作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：横梁上铆钉组承受的载荷及可能出现的主要失效形式，读者可自己分析(即本章习题9-7及9-8)。项目载荷可能出现的主要失效形式判定条件拉杆拉力F强度不足，出现塑性变形或断裂。σ≤[σ]，σ、[σ]为拉应力、许用拉应力。

横梁

(即压杆)主要有：

移动载荷W

压力F当移动载荷W位于横梁中部时：

若弯曲变形(挠度y)过大，即刚度不足，可能引起小车在横梁上行走困难。

若弯曲应力与由引起的压应力的合成应力过大，即强度不足，可能出现塑性变形或断裂。

若压杆长细比值较大时，可能出现侧弯，即抗侧弯刚度不足，属于压杆稳定性问题。本题中，在xoz平面内，工字梁抗侧弯刚度最小，在此平面内引起侧弯的载荷只有。y≤[y]，

y、[y]为变形量、许用变形量。

y≤[y]，

σ、[σ]为应力、许用应力。

为的临界载荷，为最小安全系数。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。零件毛坯获取方法：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）-含锡青铜、不含锡青铜第五节机械制造常用材料及其选择第九章机械零件设计概论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。3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。二、非金属材料橡胶橡胶富于弹性，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。第五节机械制造常用材料及其选择第九章机械零件设计概论详细说明二、机械零件材料的选用需要考虑的因素载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的尺寸及重量零件的结构及加工性材料的经济性材料的供应状况在做设计的时候，根据实际情况，在保证经济最优的情况下，查阅《机械工程材料》等手册，选取合适的材料。第五节机械制造常用材料及其选择第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论一、极限与配合

1.互换性：机器是由独立制造的零件装配而成的。为了降低生产成本，在大规模生产的情况下，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。互换性的好处：具有互换性的机器，当它们的零、部件损坏时，就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证机器工作的连续性和持久性，提高机器的使用率。

互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化。加工精度——指零件经加工后的尺寸、形状及各加工面的相互位置等技术参数的实际值同设计给定的数值相符合的程度。加工质量加工精度表面质量尺寸精度20个形状精度8个位置精度6个用各自的公差来表示。用表面粗糙度来衡量。公差与配合的基本知识

1）术语与定义

Ⅰ基本尺寸：设计给定的尺寸。如D，dⅡ实际尺寸：测量所得的尺寸。Ⅲ极限尺寸：允许变化的界限值。如：Dmax、dmin第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论Th=Dmax-Dmin=ES–EI（绝对值）Ts=dmax-dmin=es-ei（绝对值）公差与偏差是有区别的：偏差是代数值，有负有正；而公差则是绝对值。Ⅳ上偏差：最大极限值。如：ES=Dmax-D、es=dmax-d

Ⅴ下偏差：最小极限值。如：EI=Dmin-D、ei=dmin-d

Ⅵ尺寸公差：允许尺寸的变动量第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论2）标准公差——公差带大小的标准化。国标规定，尺寸精度是用标准公差等级来确定的。用IT表示，分20个等级：IT01、IT0、IT1、…IT18。数字越大，等级越低。选用公差，既要满足设计又要满足工艺性和经济性。尽量选用低等级，以降低成本，提高生产率。不同的基本尺寸，同一公差等级，其公差值不同。如：基本尺寸公差等级公差值10IT56µm100IT515µm500IT527µm

公差带——由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。其大小由标准公差确定，其位置由基本偏差确定。

3）基本偏差——公差带位置的标准化。指公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差（国标规定靠近零线的那个偏差）。基本偏差系列——孔和轴各有28个基本偏差。分别为A、B、C、CD、D、E、EF、F、FG、G、H（孔的下偏差）、J、Js、K、M、N、P、R、S、T、U、V、X、Y、Z、ZA、ZB、ZC（孔的上偏差）。第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论4）公差带的确定与标注第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论5）配合

指基本尺寸相同、互相结合的孔和轴公差带之间的关系。按轴与孔公差带的相对位置不同，可形成三种类型配合：

（1）间隙配合

Xmax=Dmax–dmin=ES–ei、Xmin=Dmin–dmax=EI–es（2）过盈配合Ymax=Dmin–dmax=EI–es、Ymin=Dmax–dmin=ES–ei（3）过渡配合（处于两者之间）第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系3极限与配合标准的选用1)基孔制与基轴制基孔制的孔是基准孔，其下偏差为零。代号为H；如基轴制的轴是基准轴，起上偏差为零。代号为h；如第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论形状与位置公差1）形状公差——零件实际要素的形状所允许的变动全量。有：直线度—、平面度、圆度○、圆柱度、线轮廓度⌒、面轮廓度。2）优先选用的配合原则上可任意组合，但不够经济。国标推荐了优先选用的公差带（《机械设计课程设计手册》第3版P106表9-3）2）位置公差——是指零件实际要素的方向或位置对基准所允许的变动全量。有：平行度∥

、垂直度⊥

、倾斜度∠、同轴度◎、对称度、位置度、圆跳动↗

、全跳动.

二、表面粗糙度表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。表面粗糙度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差Ra，它是指在取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值（图9-12），即近似为第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论选用原则是：满足功能要求，其次考虑经济性及工艺的可能性，表9—3列出了优先选用的表面粗糙度Ra值及与其相对应的加工方法。√用任何方法获得的表面；√用去除材料的方法获得的表面；√用不去除材料的方法获得的表面；第六节极限与配合、表面粗糙度和优先数系第九章机械零件设计概论三、优先数系优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。这样可便于组织生产和降低成本。GB321—80规定的优先数系有四种基本系列，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分别为1.6、1.25、1.12、1.06。优先数系中任何一个数值称为优先数。优先数和优先数系是一种科