《机械设计基础1》-第7章

7.1机械零件的失效形式与设计准则机械设备中各种零件或构件都具有一定的功能(如传递运动、力或能量)实现规定的动作,保持一定的几何形状等。当零件在载荷(包括机械载荷、热载荷、腐蚀及综合载荷等)作用下,导致其尺寸、形状或材料的组织与性能变化而丧失最初规定的功能时,即为零件的失效。一、机械零件的失效形式机械零件常见的失效形式主要有以下几种。(一)断裂机械零件在某些因素作用下分裂成两块或两块以上的现象称为断裂失效。断裂是零件最危险的一种失效形式,例如轴的断裂、齿轮轮齿根部的折断等。一般根据断裂的原因将断裂分为过载断裂、疲劳断裂、脆性断裂等。下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

1.过载断裂当零件外加载荷超过其危险截面所能承受的极限应力时,零件发生断裂的形式称为过载断裂。零件强度设计不合理,结构上应力过度集中,操作失误,机械设备超负荷运行,某些零件承受过大载荷,都可能导致过载断裂。2.疲劳断裂金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象称为疲劳断裂。在零件上首先产生疲劳微裂纹,随着载荷的作用,裂纹稳定扩展,当裂纹在零件断面上扩展达到一定值时,零件残余断面不能承受其载荷,即发生疲劳断裂。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

3.脆性断裂实际工程材料在制备、加工(冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等)及使用中(疲劳、冲击、环境温度等)都会产生各种缺陷(白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等)。由于内部缺陷和裂纹的存在,当零件在外载荷作用下,其某一危险截面上的应力超过零件的抗拉强度时会发生突然断裂,这种断裂一般称为脆性断裂。脆性断裂是一种构件未经明显的变形而发生的断裂,如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲,更无缩颈,容器破裂时没有直径增大及壁厚减薄。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

(二)过大残余变形零件受载荷作用后发生弹性变形,过度的弹性变形会使零件的机械精度降低,造成较大的振动,引起零件的失效;当作用在零件上的应力超过了材料的屈服极限,零件会产生塑性变形,甚至发生断裂。在高温、载荷的长期作用下,零件会发生蠕变变形,造成零件的变形失效。(三)表面损伤失效零件在长期工作中,由于腐蚀、磨损、接触疲劳等原因,造成零件尺寸变化超过了允许值而失效,或者由于腐蚀、冲刷、气蚀等而使零件表面损伤失效。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

1.磨损零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损。材料磨损包括两个方面:一是材料组织结构的损坏;二是尺寸、形状及表面质量(粗糙度)的变化。若零件的磨损超过了某一限度,就会丧失其规定的功能,引起设备性能下降或不能工作,称为磨损失效。2.腐蚀金属零件在某些特定的环境中会发生化学反应或电化学反应,造成表面材料损耗,表面质量被破坏,内部晶体结构损伤,最终导致零件失效,这种失效称为零件的腐蚀失效。处于潮湿空气中或与水、汽及其他腐蚀介质相接触的金属零件,均有可能发生腐蚀现象。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

3.表面疲劳磨损腐蚀、磨损和接触疲劳是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。两个接触面作滚动或滚动滑动复合摩擦时,在交变接触压应力作用下,材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与外座圈、轮箍与钢轨等都可能产生表面疲劳磨损,形成麻点剥落失效。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

(四)材质变化失效由冶金元素、化学作用、辐射效应、高温长时间作用等引起零件的材质变化,使材料性能降低而发生失效。(五)破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定条件下才能正常工作,如带传动,只有当传递的有效圆周力小于临界摩擦力时,才能正常工作;液体摩擦的滑动轴承,只有存在完整的润滑油膜时,才能正常工作;高速转动的零件,只有在其转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的频率间隔时才能正常地工作。如果这些条件被破坏,将会发生不同类型的失效。如:连接的松动、压力容器和管道的泄漏、运动精度达不到要求、皮带传动出现打滑现象、滑动轴承的油膜压力太小、转动速度与固有频率重合而发生共振等。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

同一种零件发生失效的形式可能有很多种。最常发生的失效形式主要是由强度、刚度、耐磨性、耐温度性、振动稳定性、可靠性等方面的问题引起的。因此,为避免零件失效、保证机械零件能够安全可靠地工作,应确定相应的零件设计准则。二、机械零件的设计准则机械零件的设计准则是针对零件的某种失效形式,为满足某种工作能力而建立的设计准则。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

（一)强度准则强度是衡量零件抵抗破坏的能力的指标,是保证零件工作能力的最基本要求。零件的强度不足时,就会发生不允许的塑性变形,甚至造成断裂破坏,轻则使机器停止工作,重则发生严重事故。为保证零件有足够的强度,零件的工作应力不得超过许用应力,这就是零件的强度准则。例如:对于断裂来说,应力不超过材料的强度极限;对于疲劳破坏来说,应力不超过零件的疲劳极限;对于残余变形来说,应力不超过材料的屈服极限。强度准则有两种计算方法:一种是根据许用应力建立的计算准则;另一种是根据安全系数建立的计算准则。在实际使用中应根据所掌握的数据情况确定选择使用哪种强度准则。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

(1)通过判断危险截面的最大应力(正应力σ,切应力τ)是否小于或等于许用应力[σ]、[τ]。(2)通过判断危险截面上实际的安全系数(Sσ,Sτ)是否大于或等于许用安全系数([Sσ]、[Sτ])。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

零件的安全系数,是零件所能承受的极限应力与实际应力的比值,它反映的是零件的安全工作程度。安全系数如果选择过大,则造成材料浪费、机器笨重、加工运输困难、成本提高等一系列问题。安全系数过小,则可能不安全。一般在保证安全、可靠的前提下,尽可能选用较小的安全系数。(二)刚度准则零件在载荷作用下产生的弹性变形分为挠度y、转角θ和扭角φ,刚度计算准则是要求零件在实际工作中所产生的弹性变形量小于或等于许用弹性变形量,即上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

弹性变形量可按各种求变形量的理论或实验方法来确定,而许用弹性变形量则应随不同的使用场合根据理论或经验来确定其合理的数值。(三)寿命准则决定零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳,这3种因素的研究进程各不相同,关于磨损问题的研究目前还很不完善,还无法建立一个能够为广泛接受的计算准则;腐蚀问题的研究也存在同样的问题,至今还未出现能够具有通用性的计算准则,因而也无法建立明确的计算准则;疲劳问题是目前发展比较成熟的研究方向,已经可以较为定性地进行疲劳寿命计算,但是要在一定可靠度的前提下进行计算。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

(四)振动稳定性准则机器中存在着很多的周期性变化的激振源。如果某一个零件本身的固有频率(f)与上述激振源的频率(fp)重合或成整数倍关系时,这些零件就会发生共振,就会导致零件破坏或机器工作条件失常等,这种现象称为丧失振动稳定性。振动稳定性准则就是在设计时使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开,即满足上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

如果不能满足上述条件,则可用改变零件及系统的刚性、改变支撑位置、增加或减少辅助支撑等方法来改变f值。把激振源与零件隔离,使激振周期性改变的能量不能传递到零件上,或者采用阻尼减小受激振动零件的振幅,以改善零件的振动稳定性。(五)可靠性准则所谓可靠性,就是产品在规定的条件下、规定的时间内,完成规定功能的可靠程度。比如:有N个同样零件,在规定的时间t内有Nf个零件发生失效,剩下Nt个零件仍能继续工作,则可靠度为上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

失效概率为可靠性计算准则是保证零件在工作过程中能够满足规定的可靠性要求。如果试验时间不断延长,则Nf将不断增加,可靠度逐渐下降,这说明零件的可靠度是随时间发生改变的,是时间的函数。如果在时间t到t+dt的间隔中,又有dN件零件发生失效,则在此时间间隔内失效的比率上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

式中:λ(t)称为失效率;“-”号表示dN的增大将使N减小。分离变量并积分,得即上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

零件或部件的失效率λ(t)与时间t的关系如图7-1所示,该曲线又被形象地称为浴盆曲线,一般是用试验的方法求得。该曲线分为3段:第Ⅰ段为早期失效阶段,失效率由开始很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值,原因是零件或部件中存在初始缺陷;第Ⅱ段为正常使用阶段,失效的发生是随机性的,失效率则表现为一常数;第Ⅲ段为损坏阶段,由于长时间的使用,零件发生磨损、疲劳等情况,使失效率急剧增加。上一页下一页返回7.1机械零件的失效形式与设计准则

另一种表征零件可靠性的指标是零件的平均工作时间(又称平均寿命)。对于不可修复的零件,平均寿命是指其失效前的平均工作时间,用MTTF(meantimetofailures)表示;对于可修复的零件则是指其平均故障间隔时间,用MTBF(meantimebetweenfailures)表示。在工程实际中,平均寿命用统计的方法确定。上一页返回7.2机械零件的强度一、静应力和变应力机械零件的强度可分为静应力强度和变应力强度。静强度破坏是由于工作应力超过了静应力强度极限,即当工作应力超过材料的屈服极限时发生塑性变形,当超过强度极限就发生断裂。静强度计算的极限应力值是定值。在变应力作用下,零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳破坏是在远低于材料抗拉强度极限的交变应力作用下材料发生的破坏,其破坏是由变应力对材料损伤的累积所致,交变应力每作用一次,都对材料造成一定的损伤,损伤的结果是形成小裂纹。疲劳强度计算的极限应力是变化的,随着循环特性和寿命大小的改变而改变。下一页返回7.2机械零件的强度

二、材料的疲劳强度在应力作用下,零件的失效形式为疲劳断裂。为了防止零件的疲劳断裂,需对变应力作用下的零件进行疲劳强度计算。在对零件进行疲劳强度计算中,零件材料的极限应力应取为材料的疲劳极限,而机械零件材料的疲劳极限是通过对标准试件的疲劳试验来确定的。将材料的标准试件装夹在疲劳试验机上,并加上给定循环特性为r的等幅变应力,通常是加上循环特性r=σmin/σmax=-1的对称循环或r=0的脉动循环等幅变应力。通过对一组试件的疲劳试验,分别记录出在不同最大应力作用下试件发生疲劳断裂时所经历的应力循环次数N。以N为横坐标,σmax为纵坐标,将实验的结果标注在该坐标系中,并连接为一光滑曲线,称为疲劳曲线或σ-N曲线,如图7-2所示。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

(1)静应力强度(AB段):在循环次数N<103时,对应于图7-2中的曲线AB段,使材料试件发生破坏的最大应力值基本不变,或者说下降很小,因此,可以把循环次数N<103的变应力强度近似看作是静应力强度。(2)低周疲劳(BC段):随着循环次数N的增加,使材料发生疲劳破坏的最大应力不断下降。在这一阶段中,试件破坏的断口,有明显的塑性变形的特征。C点相应的循环次数大约在104左右。在这一阶段疲劳破坏中,由于疲劳断口伴随着材料的塑性变形,所以用应变循环次数N来说明材料的行为更为符合实际。因此,把这一阶段的疲劳现象(103≤N<104)称为应变疲劳。由于应力循环次数相对很小,所以也称为低周疲劳。但对绝大多数通用零件来说,当其承受变应力作用时,其应力循环次数总是大于104。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

(3)高周疲劳(CD段):CD段代表有限寿命疲劳阶段。在此范围内,试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏。在D点以后,如果作用的变应力的最大应力σmax小于D点处的应力σD时,则无论应力变化多少次,材料都不会破坏。故D点以后的水平线代表了无限寿命疲劳阶段。有限寿命疲劳阶段和无限寿命疲劳阶段曲线所代表的疲劳统称高周疲劳。大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。CD上任何一点所代表的材料的疲劳极限,均称为有限寿命疲劳极限,用符号σrN表示。脚标r代表该变应力的循环特性,N代表达到疲劳破坏时所经历的应力循环次数。σD所代表的是材料的无限寿命疲劳极限,也称为持久疲劳极限,用符号σr∞表示。D点所对应的循环次数ND,对于各种工程材料来说,大致在107~25×107之间。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

对于不同变应力的最大应力σmax,当试件出现疲劳破坏时,对应的循环次数也不同。最大应力σmax越大,试件出现疲劳破坏之前所经历过的应力循环次数也就越少。试件的疲劳极限(变应力的最大应力)σrN与应力循环次数N之间关系可以用疲劳曲线来表达。如图7-2所示,有限寿命疲劳曲线的CD段内,σrN与N之间关系为疲劳曲线在D点后,试件的疲劳极限不再随循环次数N的增加而降低,即呈水平直线(无限寿命),疲劳曲线的方程为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

由于ND有时很大(25×107或更大),所以在进行疲劳试验时,常规定一个循环次数N0,称为循环基数,将与N0相对应的疲劳极限称为该材料的疲劳极限σrN0,简写为σr。循环基数N0常取为:5×106(或107),循环次数ND数值与材料的强度极限有关,强度极限越高,ND数值也就越大,一般在107~25×107之间。通常可以根据材料的硬度(HBW)来近似取值:对于硬度小于或等于350HBW的材料,可近似地取为ND=107;对于硬度大于350HBW的材料,可近似地取为ND=25×107。当ND不大时,N0=ND;当ND很大时,N0<ND。式(7-15)CD段疲劳曲线方程可写为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

材料的疲劳极限σr和循环基数N0可由手册查出。如果已知有限寿命区间内的循环次数N,则对应的疲劳极限σrN的表达式为式中:KN称为寿命系数;可根据循环基数N0和有限寿命期间内的循环次数N求得;m为材料常数,称为应力指数,其值由试验决定。对于钢材,在弯曲疲劳和拉压疲劳时,m=6~20,N0=(1~10)×106。在初步计算中,钢制零件受弯曲疲劳时,中等尺寸零件取m=9,N0=5×106;大尺寸零件取m=9,N0=1×107。在利用式(7-18)进行疲劳极限计算时,当N大于疲劳曲线转折点D所对应的循环次数ND(常取ND=N0)时,式(7-18)中的N取为ND,不再增加(亦即)。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

疲劳曲线是用来表达疲劳极限σrN与循环次数N之间的关系曲线,材料的疲劳极限σrN不仅与循环次数N有关,而且还与循环特性r有关。极限应力图是用来确定当循环特性r不同值时,对应的疲劳极限,如图7-3所示。横坐标表示变应力的平均应力σm,纵坐标表示变应力的应力幅σa。对于对称循环,r=-1,σ′m=0,σ′a=σ′max=σ1(上标“′”表示极限应力),所代表的对称循环的极限应力点A′必定在图中的纵坐标轴上,对应的坐标为(0,σ-1);对于静应力,r=1,σ′a=0,σ′m=σ′max=σs,所代表的屈服强度的极限应力点C必定在图中的横坐标轴上,对应的坐标为(σs,0);对于脉动循环,r=0,σ′m=σ′a=σ′max/2=σ0/2,所代表的脉动循环的极限应力点D′必定在图中通过坐标原点且与横坐标成45°的倾斜线上,对应的坐标为(σ0/2,σ0/2)。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

连接A′、D′得直线A′D′。由于这一条直线与不同循环特性值时进行试验所得到的疲劳极限应力曲线非常接近,故可以用直线A′D′来近似代替实际的疲劳极限应力曲线,即直线A′D′上任何一点都近似与一定循环特性值时的疲劳极限对应。过屈服极限应力点C(σs,0),做一与横坐标σm成135°的斜线,并与直线A′D′相交于G′点,则直线CG′上任何一点均代表σ′max=σ′m+σ′a=σs的变应力状况。在试件简化的极限应力线中,直线A′G′为疲劳极限应力线;直线CG′为塑性极限应力线。作用于试件的工作应力点如处于OA′G′C区域以内,则表示不发生疲劳断裂或塑性变形;如在此区域以外,则表示一定发生疲劳断裂或塑性变形;如处于折线上,则表示工作应力状况正好达到极限状态。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

三、机械零件的疲劳强度与材料试件相比,由于几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化等因素的影响,使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。把材料试件的对称循环疲劳极限σ-1与零件对称循环疲劳极限σ-1e的比值,称为疲劳极限的综合影响系数Kσ,即当已知Kσ及σ-1时,就可以不经试验而估算出零件的对称循环疲劳极限上一页下一页返回7.2机械零件的强度

对于非对称循环变应力,综合影响系数Kσ是试件的极限应力幅σ′a与零件的极限应力幅σ′ae的比值即疲劳极限的综合影响系数Kσ只对非对称循环变应力中的应力幅σa部分有影响,而对平均应力σm部分没有影响。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

由材料的极限应力线图,考虑疲劳极限的综合影响系数Kσ后,可绘制出零件的极限应力线图。将图7-3中的直线A′D′G′的纵坐标,即极限应力的应力幅同除以综合影响系数Kσ,可得到图7-4零件极限应力线图中的直线ADG。在零件的极限应力线图中,A的坐标为(0,σ-1/Kσ),D的坐标为(σ0/2,σ0/2Kσ),该直线为零件疲劳极限应力线。零件的极限应力线,由折线AGC表示,其中:直线AG为零件疲劳极限应力线;直线CG为零件塑性极限应力线。(一)单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算在进行零件强度计算时,计算安全系数上一页下一页返回7.2机械零件的强度

式中:极限应力σ′max=σ′me+σ′ae是零件的极限应力线(AGC)上的某一个点所代表的应力。根据零件载荷的变化规律以及零件与零件之间相互约束的情况不同,可能发生的典型的应力变化规律通常有下述3种。(1)加载时变应力变化过程按r=σmin/σmax=C的情况当按r=C加载时,变应力的增大规律为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

即σa/σm保持不变,σa、σm按同一比例增大。(2)σm=C的情况即变应力的平均应力保持不变,例如振动的受载弹簧中的应力状态。按σm=C加载时,变应力增加,其平均应力σm始终保持不变。在此规律下对应的零件的极限应力的平均应力σ′me应等于工作应力的平均应力σm,即σ′me=σm。零件的极限应力(疲劳极限)为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

(3)σmin=C的情况应力在增大的过程中最小应力保持不变。例如气缸盖上的连接螺栓,其最小应力由装配时预紧力产生,在螺栓受到工作载荷时,其最小应力保持不变。按此规律加载时,极限应力的最小应力与工作应力的最小应力相等,零件的极限应力(疲劳极限)为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

(二)单向不稳定变应力时的疲劳强度计算交变应力如果在各次循环变化过程中,其应力的周期T、应力幅σa和平均应力σm都相等,则该交变应力称为稳定的变应力;如果其中只要有一个发生变化,则成为不稳定的变应力。不稳定的变应力的产生通常是由于载荷和转速的变化。不稳定的变应力又可分为非规律性的和规律性的两大类。非规律性不稳定变应力,其应力的周期T、应力幅σa和平均应力σm等参数的变化受很多偶然因素的影响,是随机变化的。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

规律性不稳定变应力,其应力的周期T、应力幅σa和平均应力σm等参数的变化有着简单的规律,例如:专用机床的主轴,虽然在加工每个零件时,其主轴所受到的切削力随着加工的部位不同而异,但由于加工的零件是相同的,因而所受到的切削力有着一个简单的变化规律。由此可见,专用机床的主轴所受到的变应力是规律性不稳定变应力。解决这样有规律性不稳定变应力下零件的强度计算问题,需要采用疲劳损伤累积假说来进行计算。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

疲劳损伤累积假说为:(a)假设应力每循环作用一次,对材料破坏起相同的作用。由于材料在变应力σi作用下,达到疲劳破坏时,对应的循环作用次数为Ni,因而每循环作用一次对材料损伤率为1/Ni,在经过实际循环次数ni后,材料的疲劳破坏损伤率为:ni/Ni;(b)对于小于材料的持久疲劳极限σr的工作应力可以认为对疲劳损坏无影响,在计算时可以忽略不计;(c)在应力σ1,σ2,…,σi作用下,材料达到疲劳破坏时,各寿命损伤率之和应等于1,即:上一页下一页返回7.2机械零件的强度

零件在受到规律性不稳定变应力作用时,其疲劳强度计算大致有两种:一种称为等效应力法;另一种称为等效循环次数法。下面仅介绍等效应力法。上一页下一页返回7.2机械零件的强度

式(7-26)左边相当于一个稳定变化的、循环次数为循环基数N0的等效应力,记作σ-1d,即在通常计算中,常取σ1作为计算的基本应力,为了便于计算,可将式(7-27)写为令上一页下一页返回7.2机械零件的强度

式中:ks为应力情况系数(应力折算系数)。在实际计算中,基本应力一般取为最大的工作应力。引入ks后,计算安全参数Sca及强度条件则为上一页下一页返回7.2机械零件的强度

(三)双向稳定变应力时的疲劳强度计算很多零件,例如转轴,在工作过程中,将同时受到弯曲应力和扭转剪切应力的复合作用。如果弯曲应力和扭转剪切应力为同周期、同相位的对称循环变应力,可以采用第三强度理论进行静强度计算。对于对称循环的弯曲应力和扭转剪切应力应分别考虑对称循环弯曲时和扭转弯时的综合影响系数Kσ、Kτ。由第三强度理论得上一页下一页返回7.2机械零件的强度

由实际经验,可近似取为得上一页下一页返回7.2机械零件的强度

故如果零件受到的弯曲应力和扭转应力均为不对称循环时,零件的计算安全系数为上一页返回7.3机械零件的接触强度机械中各零件之间力的传递,总是通过两零件的接触来实现的。除了共形面(即两相互接触面的几何形态完全相同,处处贴合)相接触(例如平面与平面相接触)的情况外,大量存在着异形曲面相接触的情况。这些异形曲面在未受外力时的初始接触情况有线接触(图7-5(a)、(b))、点接触(图7-5(c)、(d))。图7-5(a)、(c)称为外接触,图7-5(b)、(d)又称为内接触。在通用机械零件中,渐开线直齿圆柱齿轮齿面间的接触为线接触,外啮合时为外接触,内啮合时为内接触。滚动轴承中滚珠与内外圈滚道之间的接触为球面间的点接触。一、两圆柱体接触受力后的变形与应力分布两圆柱体接触受力后的变形与应力分布如图7-6所示。下一页返回7.3机械零件的接触强度

图7-6中表示了两个轴线平行的圆柱体外接触和内接触受力后的轴向投影。未受力前,两圆柱体沿与轴线相平行的一条线(在图上投影为一个点)相接触;在受力后,由于材料的弹性变形,接触线变成宽度为2b的一个矩形面。由图7-6可看出,两圆柱体在接触面上沿接触宽度不同点处,材料发生的弹性位移在连心线方向上是不同的,因此,接触面上所承受的压应力沿接触面上接触宽度方向也是处处不相同的。接触面上的压应力沿接触线宽度方向呈半椭圆柱分布。接触线宽度中点处(初始接触点)的压应力为最大,称为接触应力,用符号σH表示。图中ω1及ω2分别为零件1和零件2初始接触线上沿连心线方向的弹性位移(即最大弹性位移)。上一页下一页返回7.3机械零件的接触强度

在两个圆球接触的情况下(例如球轴承及圆弧齿轮中),受力后接触区一般呈椭圆形,而不是线接触时的矩形。当两个球面相接触时,接触区则变成一个圆形二、接触应力接触应力也称为赫兹应力,它的计算是弹性力学问题。对于线接触(二圆柱体轴线彼此平行相接触),在受到外载荷F作用时,接触应力可由弹性力学计算式得到上一页下一页返回7.3机械零件的接触强度

式中:F为作用于接触面上的总压力;B为初始接触线长度;p=F/B为单位接触线上的载荷;ρ1、ρ2为分别为两零件初始接触线处的曲率半径,令综合曲率和综合曲率半径分别为其中:正号用于外接触,负号用于内接触;μ1、μ2分别为零件1和零件2材料的泊松比;E1和E2分别为零件1和零件2材料的弹性模量,大小与材料性质有关,可令上一页下一页返回7.3机械零件的接触强度

由此可得计算接触应力公式的另外一种表达形式为在接触点(或线)连续改变位置时,零件上任一点的接触应力只能在0~σH之间改变,因此接触应力是一个脉动循环变应力。在作接触疲劳计算时,极限应力也应是一个脉动循环的极限接触应力。上一页返回7.4机械零件的耐磨性机械中凡有相对运动或相对运动趋势的接触表面间都存在摩擦。表面物质摩擦在相对运动中不断损耗的现象称为磨损。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。因此,减少摩擦和磨损、提高零件的抗磨损能力,能够有效地节省能源、降低设备维修次数和费用、节省制造零件及其所需材料的费用。一、机械零件的摩擦(一)按摩擦副的运动形式分类下一页返回7.4机械零件的耐磨性1.滑动摩擦两个相互接触的物体,在外力作用下,沿接触表面相对滑动时,存在于接触分界面的摩擦,称为滑动摩擦。如导轨面间的滑动、滑动轴承间的转动以及活塞在汽缸中的往复运动。滑动摩擦力的大小与接触面积无关,而与接触面间的法向载荷成正比式中:F为摩擦力,单位N;μ为摩擦因数;N为正压力,单位N。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性2.滚动摩擦两接触物体沿接触表面滚动时的摩擦称为滚动摩擦。滚动摩擦时,其接触处常表现为点与点(如球形滚动轴承)或线与线(如圆柱滚子轴承)的摩擦。物体在滚动时有一个阻碍滚动的阻力偶,称为滚动摩擦力偶。由于接触处的局部区域产生弹性变形,致使在以接触点为中心的接触压力分布不对称,支承面的反力N′发生偏心(偏心距为e),此反力对接触点之力矩M=N′e(单位为N·mm)上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性(二)按摩擦副的运动状态分类1.静摩擦当物体在外力作用下对另一物体产生微观弹性位移,但尚未发生相对运动时的摩擦称为静摩擦。在相对运动即将开始瞬间的静摩擦即最大静摩擦,此时的摩擦因数,称为静摩擦因数。2.动摩擦当物体在外力作用下沿另一物体表面相对运动时的摩擦称为动摩擦。两物体之间具有相对运动时的摩擦因数称为动摩擦因数。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性(三)按摩擦表面的润滑状态分类1.干摩擦两摩擦表面间没有任何润滑剂存在时的摩擦称为干摩擦。两零件表面直接接触后,因为微观局部压力高而形成许多冷焊点,运动时被剪切。干摩擦有大量的摩擦功损耗和严重的磨损,在机械设备运动部件中是不允许出现干摩擦的。2.液体摩擦两个相互摩擦物体的接触表面被一层连续的润滑剂完全隔开的摩擦称为液体摩擦。这种摩擦的特点是在界面间润滑油膜内同分子之间摩擦;上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性摩擦力的大小,仅与润滑油的黏度、滑动速度和接触面积有关,而与摩擦面的材料和状态无关。这种摩擦状态下,摩擦因数最小,f≈0.001~0.01,消耗功率小,是一种理想的摩擦状态。3.边界摩擦边界摩擦是由液体摩擦过渡到干摩擦之前的临界状态。在这种状态下,仅由吸附在表面的一层极薄(0.1μm)的润滑膜隔开,摩擦力的大小与润滑膜的黏度无关,而只与润滑膜分子对摩擦面的吸附性有关。因此,边界摩擦的摩擦因数大小,也介于液体摩擦因数和干摩擦因数之间,一般f≈0.1~0.3。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性4.混合摩擦混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力,其摩擦因数比边界摩擦时要小很多。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分,常统称为不完全液体摩擦。(四)按摩擦是否发生在同一物体分类1.外摩擦相互接触的物体作相对运动时,发生在物体界面之间的摩擦称为外摩擦。外摩擦即一般所指的摩擦。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性2.内摩擦内摩擦是同一物体的各部分之间发生的摩擦。内摩擦一般发生在润滑剂之间,但也可能发生在固体内,如石墨、二硫化钼等固体润滑剂内。金属的塑性变形过程中也会产生内摩擦。二、机械零件的磨损(一)磨损过程运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。正常情况下,机械的磨损过程如图7-7所示。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性从图7-7中可以看出,机械的磨损过程大致分为3个阶段。(1)磨合阶段:新机器在运转初期,通过逐渐增大载荷,迅速磨去零件制造时表面遗留下来的波峰尖部,随波峰的降低,接触面的实际面积增大,磨损速度逐渐减缓。一般磨合阶段包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。它是磨损的不稳定阶段,在整个寿命周期内时间很短。(2)稳定磨损阶段:该阶段的磨损率为常数,零件的磨损是平稳而缓慢的,它标志着摩擦条件相对稳定,其相应的时间就是零件的使用寿命。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性(3)剧烈磨损阶段:当摩擦率超过机械正常运转的许可磨损率时,零件进入剧烈磨损阶段,此时零件表面遭到破坏,运动副间隙增大引起额外的动载荷和振动,机械效率大幅下降,即将进入报废阶段。因此在设计机器时,要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。(二)磨损的基本类型磨损按机理又可分为磨粒磨损、黏附磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和微动磨损几种类型:(1)磨粒磨损是硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰在摩擦过程中引起材料脱落的现象。硬质颗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。摩擦面间的硬质颗粒,能使表面材料脱落而留下沟纹。影响磨粒磨损的主要因素有摩擦副材料、磨粒材料和压力。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性(2)黏附磨损也称胶合磨损。由于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,若接触处发生黏着,滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面,形成黏附磨损。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。影响黏附磨损的因素有摩擦副接触表面成分与组织、摩擦副表面状态。(3)疲劳磨损也称点蚀。滚动或兼有滑动和滚动的高副(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,表层金属常呈小片状剥落,而在零件表面形成点蚀坑。影响疲劳磨损的因素有材质、接触表面质量及应力、间隙、润滑剂等。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性(4)冲蚀磨损是流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。例如利用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时,管道内壁所产生的机械磨损。近年来,由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管等部位的破坏,引起了人们对冲蚀磨损的关注。(5)腐蚀磨损是在摩擦过程中,材料与周围介质发生化学反应或电化学反应产生的磨损。全世界每年因腐蚀而报废的钢材与设备相当于年产量的30%。其中化学腐蚀过程中不产生腐蚀电流,如金属在高温氧化性气氛中、在干燥空气中、在石油及酒精中的腐蚀等;电化学腐蚀过程中会产生腐蚀电流,如金属在潮湿空气、海水或电解质溶液中的腐蚀都是电化学腐蚀。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性目前对于化学腐蚀,常采用抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料以及零件表面涂层等方法改善零件的耐蚀性。对于电化学腐蚀则采用耐腐蚀材料、表面涂层、电化学保护及加缓蚀剂等措施来改善。(6)微动磨损是指摩擦副在微幅运动时,由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。例如轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面上的磨损等。上一页下一页返回7.4机械零件的耐磨性三、机械的耐磨性计算零件抗磨损的能力称为耐磨性。由于磨损是一个相当复杂的过程,影响因素也很多。目前,除疲劳磨损外,其他磨损尚无可靠的计算方法。在实际应用中,通过限制运动副的压强p来控制磨损;当摩擦表面相对速度较高时,还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量,限制其pv值,即:式中:[p]为许用压强,由实验或同类机器使用经验确定;v为运动副的相对运动速度;[pv]为许用pv值,由运动副的材料确定。上一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择一、机械零件常用的材料机械零件常用的材料有钢铁、有色金属及其合金、非金属材料和复合材料。1.钢钢是指碳的质量分数为0.02%~2.11%的铁碳合金,它是机械零件应用最广的材料,具有较好的强度、韧性、塑性等,并可通过热处理来改善力学性能和工艺性能。钢制零件的毛坯可由锻造、辗轧、冲压、焊接或铸造等方法获得。按化学成分,钢分为碳素钢和合金钢两大类。按用途,钢又分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

结构钢用于制造一般的零件,是机电设备中用得最多的材料之一;工具钢主要用于制造工具量具和模具刃具;特殊钢用于制造具有不锈、耐热、耐酸等特殊性能的零件。碳素钢的力学性能主要取决于碳的质量分数,碳的质量分数低于0.25%的为低碳钢,其抗拉强度和屈服强度较低,但塑性和可焊性好;碳的质量分数在0.25%~0.60%的是中碳钢,它有较高的强度,又有一定的塑性和韧性,综合力学性能较好;碳的质量分数在0.60%以上的为高碳钢,其强度高、韧性低,弹性好但塑性差。常用的碳素结构钢有Q215、Q235、Q275等,牌号中的数字表示其屈服强度,因它主要保证力学性能,故一般不进行热处理,用于制造受载不大,且主要处于静应力状态下的一般零件,如螺钉、螺母、垫圈等。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

常用的优质碳素结构钢有15钢、20钢、35钢、45钢等,它以平均万分数的碳的质量分数作牌号,既保证力学性能,又保证化学成分,可进行热处理,用于制造受载较大,或承受一定冲击载荷或变载的较重要的零件,如一般用途的齿轮、蜗杆、轴等。合金结构钢是在优质碳素结构钢中掺入适当的合金元素冶炼而成的钢。如锰(Mn)能提高强度和韧性;钼(Mo)的作用类似锰,但影响更大;镍(Ni)可提高强度而不降低韧性;硅(Si)可提高弹性和耐磨性,但降低韧性;铬(Cr)能提高硬度和耐磨性;钒(V)能提高强度和韧性。合金元素质量分数低于5.00%的钢称为低合金钢,高于5.00%的则称为高合金钢。合金钢的热处理工艺性好,但价格高,对应力集中较敏感。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

合金钢也分为合金结构钢、合金工具钢、特殊合金钢等。机械零件常用的是合金结构钢,它的牌号是在表示碳质量分数的万分数的两位数字后,加注所含主要合金元素的符号和一位数表示其元素平均质量分数百分数含量的数字,当元素含量小于1.50%时,不注含量。如合金结构钢12CrNi2表示各元素平均质量分数:碳为0.12%,铬为小于1.50%,镍为1.50%~2.50%。较大的零件可用铸钢制造,其牌号前冠以字母ZG,强度稍低于同牌号的锻钢或型钢。铸钢的铸造性比灰铸铁差,故铸钢件的壁厚、连接处的圆角和过渡部分的尺寸均应比灰铸的稍大。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

2.铸铁铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金,它的铸造工艺性好,适于制造形状复杂的零件,且价格低廉。铸铁的缺点是抗拉强度、塑性和韧性较差,不能锻造或辗轧。铸铁分为灰铸铁(牌号前冠以字母HT)、球墨铸铁(QT)、可锻铸铁(KT)等。灰铸铁除铸造性能良好外,其切削性、减摩性、减振性也较好,抗压强度约为抗拉强度的4倍,常用作受压载荷、尺寸大、形状复杂的零件,如箱体、机座、带轮等。球墨铸铁因所含石墨呈球状而得名,其力学性能接近低碳钢,常用来替代钢,制造曲轴等承受冲击载荷且形状复杂的零件。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

3.有色金属及其合金机械零件常用的有色金属材料主要有铜、铝、锌及其合金和轴承合金等。(1)铜合金铜合金不仅具有良好的减摩性和耐磨性,还具有优良的导电、导热、耐蚀性和延展性。铜合金分黄铜和青铜两大类。黄铜是铜锌合金,其强度和耐蚀性较好。青铜又分锡青铜(又称普通青铜)和无锡青铜(特殊青铜)两种,前者是铜锡合金;后者是铜和铝、铁、铅等的合金。锡青铜的减摩性、耐磨性较无锡青铜好,但强度稍差。铜合金可通过铸造或辗轧来制备毛坯,铸造的强度低,但可制造形状复杂的零件。铜合金是制造轴承、蜗轮等的主要材料。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

(2)轴承合金轴承合金又称巴氏合金,是锡、铅、锑、铜等的合金,具有优良的减摩性、耐磨性和导热性,是制造滑动轴承衬和轴瓦的专用材料。4.粉末冶金材料粉末冶金材料是用铁、铜等金属粉末(或某些非金属粉末)压制而成形状,再经高温烧结而成的。其特点是呈多孔状,孔中能储油而成为自润滑材料;耐磨性、透气性好;工艺性能好、材料利用率高;成本较低。在机械设计中,粉末冶金可作为减摩材料、摩擦材料和过滤材料。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

5.非金属材料工程塑料、橡胶、皮革、陶瓷、木材、石材等都是非金属材料。工程塑料具有重量轻、绝缘、耐热、耐蚀、耐磨、注塑成型方便等优点,近年来得到广泛的应用。橡胶除具有弹性,能缓冲吸振外,还具有耐磨、绝缘等性能,多用于制造胶带、密封垫圈、轮胎、减振零件等。6.复合材料复合材料是由两种或两种以上的金属或非金属材料复合而成的新材料,能够获得比单一材料更加优越的性能。按材料的增强结构形式不同,复合材料分为纤维增强复合材料、层叠复合材料和颗粒复合材料三类。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

如用金属、陶瓷、塑料等材料作基材,用纤维强度很高的玻璃、石墨、硼等作为纤维,复合成各种纤维增强复合材料,可用于制造压力容器、车辆外壳等。此外碳纤维树脂复合材料,其强度、韧性可与高强度钢媲美,重量轻,且具有优良的耐磨、减摩及自润滑性、耐蚀性、耐热性等,在工业、军工和生活用品中得到了广泛应用。复合材料性能优越,发展前景广阔,是现代材料科学的重点研究领域。二、机械零件材料的选择材料的性能指标很多,在机械设计中,应根据不同零件、不同使用条件和环境对材料进行选择,一般应考虑以下3个方面的要求。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

1.使用性能要求(1)受载及应力情况:受拉伸载荷、冲击载荷、变载或受载后产生交变应力的零件应选用钢材,受压零件可选用铸铁。(2)零件的工作条件:做相对运动的零件应选用减摩、耐磨材料,如锡青铜、轴承合金等;高温环境中的零件应选用耐高温的材料;在腐蚀介质中工作的零件应选用耐蚀材料。(3)零件尺寸和重量限制:要求体积小时宜选高强度材料,要求重量轻时应选用轻合金或塑料。(4)零件的重要程度:可能危及人身和设备安全的零件,应选用性能指标高的材料。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

2.加工工艺要求常用加工工艺有注塑、冲压、铸造、锻造、切割与切削加工、焊接、热处理、表面处理、涂饰等。不同材料适合不同的加工工艺,差别很大。加工工艺对零件能否制成某种形状以及加工成本有很大的影响。零件的材料应与制造工艺相适应,一般结构复杂的箱、壳、架、盖等零件多选用铸铁;尺寸大且生产批量小时可选用焊接;形状简单、强度要求较高的零件可采用锻造;需要热处理的零件,应选用热处理性能好的材料,如合金钢;对精度要求高、需切削加工的零件,宜选用切削加工性能好的材料。上一页下一页返回7.5机械零件常用的材料及其选择

3.经济性要求在机械产品的成本中,材料成本一般占1/4~1/3。应在满足使用要求的前提下,尽量选用价格低廉的材料。如用球墨铸铁代替钢材;用工程塑料代替有色金属;采用热处理或表面强化处理,充分发挥材料的潜在力学性能;设计组合式零件结构以节约贵重金属。精铸、精锻等少切削或无切削加工工艺虽需一定的设备投资,但能提高材料的利用率,对大批量生产可大幅度降低成本,尤其对贵重金属效果更为明显。经济性还应考虑生产费用,铸铁虽比钢便宜,但在单件或小批量生产时,铸模加工费用相对较大,故有时可用焊接件代替铸件。上一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系(一)间隙与过盈1.间隙孔的尺寸减去相结合轴的尺寸所得的代数差为正时,称为间隙。间隙用大写字母“X”表示。2.过盈孔的尺寸减去相结合轴的尺寸所得的代数差为负时,称为过盈。过盈用大写字母“Y”表示。下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系(二)配合基本尺寸相同,相互结合的孔和轴公差带之间的关系称为配合。其具有两个含义:指基本尺寸相同的轴和孔装到一起;指轴和孔的公差带大小、相对位置决定配合的精确程度和松紧程度。前者说的是配合的条件,后者反映了配合性质。1.配合的种类根据机器的设计要求和生产实际的需要,孔与轴之间的配合有松有紧,国家标准将配合分为3类。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系(1)间隙配合孔的实际尺寸总比轴的实际尺寸大,装配在一起后,即使轴的实际尺寸为最大极限尺寸,孔的实际尺寸为最小极限尺寸,轴与孔之间仍有间隙,轴在孔中能自由转动。孔的公差带完全在轴的公差带之上(包括最小间隙为0),如图7-8所示。(2)过盈配合孔的实际尺寸总比轴的实际尺寸小,装配时需要一定外力或使带孔零件加热膨胀后才能把轴装入孔中。孔与轴装配后不能作相对运动。孔的公差带完全在轴的公差带之下,任取其中一对轴和孔相配都成为具有过盈的配合(包括最小过盈为0),如图7-9所示。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系(3)过渡配合轴的实际尺寸比孔的实际尺寸有时小、有时大。孔轴装配后,轴比孔小时能活动,但比间隙配合稍紧;轴比孔大时不能活动,但比过盈配合稍松。这种介于间隙与过盈之间的配合,称为过渡配合。孔和轴的公差带相互交叠,如图7-10所示。2.配合公差配合公差是允许间隙或过盈的变动量,用“Tf”表示。配合公差反映配合的松紧程度,即配合精度,它取决于配合的孔与轴的尺寸公差。间隙配合:Tf=∣Xmax-Xmin∣=Th+Ts过盈配合:Tf=∣Ymin-Ymax∣=Th+Ts过渡配合:Tf=∣Xmax-Ymax∣=Th+Ts上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系由上可知,配合公差Tf都等于相配孔的公差和轴的公差之和。它是允许间隙或过盈的变动量,是一个没有符号的绝对值。配合精度与零件的加工精度有关,若要配合精度高,则应降低零件的公差,即提高工件本身的加工精度。(三)基准制基准制是公差与配合标准。对孔与轴公差带之间的相互位置关系,规定了两种基准制:基孔制和基轴制。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系1.基孔制基孔制是基本偏差固定不变的孔的公差带,与不同基本偏差的轴公差带形成各种配合的一种制度,如图7-11所示。基孔制中的孔称为基准孔,用H表示。基准孔以下偏差为基本偏差,且数值为0。ES=IT孔,其公差带位置在0线上侧。2.基轴制基轴制是基本偏差固定不变的轴的公差带,与不同基本偏差的孔公差带形成各种配合的一种制度,如图7-12表示。基轴制中的轴称为基准轴,用h表示,基准轴的上偏差为基本偏差且等于0,ei=-IT轴,公差带位置在0线下侧。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系(四)标准公差与基本偏差公差带是由“公差带大小”和“公差带位置”两个要素组成的。“公差带大小”由“标准公差”来确定,“公差带位置”由“基本偏差”来确定。1.标准公差标准公差是用以确定公差带大小的任一公差。国家标准将公差等级分为20级:IT01、IT0、IT1~IT18。“IT”表示标准公差,公差等级的代号用阿拉伯数字表示。IT01~IT18,精度等级依次降低。标准公差等级数值可查有关技术标准。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系2.基本偏差基本偏差是指在国家标准的极限与配合制中,决定公差带相对于0线位置的那个极限偏差,它可以是上偏差或下偏差,一般是指靠近0线的那个偏差。根据实际需要,国家标准分别对孔和轴各规定了28个不同的基本偏差,基本偏差系列如图7-13所示。图中基本偏差用拉丁字母表示,大写字母代表孔,小写字母代表轴。公差带位于0线之上,基本偏差为下偏差;公差带位于0线之下,基本偏差为上偏差。3.孔、轴的公差带代号公差带代号由基本偏差与公差等级代号组成,并且要用同一号字母和数字书写。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系例如ϕ50H8的含义是:上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系此公差带的全称是:基本尺寸为ϕ50,公差等级为8级,基本偏差为H的孔公差带。又如ϕ50f8的含义是:上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系此公差带的全称是:基本尺寸为ϕ50,公差等级为8级,基本偏差为f的轴公差带。二、表面粗糙度和优先数系表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要技术指标,是检验零件表面质量的主要依据。在机械零件设计中主要有计算法、试验法和类比法。应用最普遍的是类比法,现有的各种机械设计手册中都提供了较全面的资料和文献。最常用的是与公差等级相适应的表面粗糙度。在通常情况下,机械零件尺寸公差要求越小,机械零件的表面粗糙度值也越小,但是它们之间又不存在固定的函数关系。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系例如一些机器、仪器上的手柄、手轮以及卫生设备、食品机械上的某些机械件的修饰表面,它们的表面要求加工得很光滑,即表面粗糙度要求很高,但其尺寸公差要求却很低。在一般情况下,有尺寸公差要求的零件,其公差等级与表面粗糙度数值之间还是有一定的对应关系的。在实际工作中,对于不同类型的机器,其零件在相同尺寸公差的条件下,对表面粗糙度的要求是有差别的。这就是配合的稳定性问题。在机械零件的设计和制造过程中,对于不同类型的机器,其零件的配合稳定性和互换性的要求是不同的,在现有的机械零件设计手册中,主要有3种类型。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系第1类主要用于精密机械,对配合的稳定性要求很高,要求零件在使用过程中或经多次装配后,其零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的10%,见表7-1。其主要应用在精密仪器、仪表、精密量具的表面、极重要零件的摩擦面,如汽缸的内表面、精密机床的主轴颈、坐标镗床的主轴颈等。第2类主要用于普通的精密机械,对配合的稳定性要求较高,要求零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的25%,要求有很好密合的接触面,见表7-2。其主要应用在机床、工具、与滚动轴承配合的表面、锥销孔、相对运动速度较高的接触面,如滑动轴承的配合表面、齿轮的轮齿工作面等。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系第3类主要用于通用机械,见表7-3。要求机械零件的磨损极限不超过尺寸公差值的50%,没有相对运动的零件接触面,如箱盖、套筒,要求紧贴表面、键和键槽的工作面;相对运动速度不高的接触面,如支架孔、衬套、带轮轴孔的工作表面、减速器等。表面粗糙度Ra与尺寸公差之间的关系为:(1)第1类,Ra≥1.6,Ra≤0.008×尺寸公差;Ra≤0.8,Ra≤0.010×尺寸公差;(2)第2类,Ra≥1.6,Ra≤0.021×尺寸公差;Ra≤0.8,Ra≤0.018×尺寸公差;(3)第3类,Ra≤0.042×尺寸公差。上一页下一页返回7.6极限与配合、表面粗糙度和优先数系在机械零件设计工作中,按尺寸公差选择表面粗糙度数值时,应当根据不同类型的机器,选择相应的值。在设计工作中,表面粗糙度的选择还是要从实际出发,全面衡量零件的表面功能和工艺经济性,才能作出合理的选择。上一页返回7.7机械零件的工艺性及标准化一、机械零件的工艺性机械零件的工艺性是现代工业生产中提高效益、确保产品质量的关键。零件的结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下,制造的可行性和经济性。它既是评价零件结构设计优劣的技术指标之一,又是零件结构设计的结果。零件的结构设计就是要确定零件的形状、尺寸、配合精度、制造精度等。其基本要求包括以下几个方面。(1)毛坯选择合理:选用型材、铸造、锻造、冲压、焊接等;毛坯选择与生产批量、材料性能、加