9--机械零件设计概论

1、第9章 机械零件设计概论,机电学院设计工程系 李苗苗 联系电话邮箱：limiaomiao,机械设计基础,上章内容回顾,1 机器速度波动的调节 2 转子的平衡 3 转子平衡的实验,内容回顾,1） 平面连杆机构 2） 凸轮机构 3） 齿轮机构 4) 轮系,常用机构和机器动力学方面的基本知识,运转速度波动调节，回转件的平衡。,平面机构： 1）自由度 2）速度分析,假如需设计一辆自行车，需考虑哪些问题？,运动功能 强度 形状 尺寸 材料 工艺性 经济性等。,问 题,第9章 机械零件设计概论,1 机械零件的失效与设计基础要求 2 机械零件的强度 3 机械系统的摩擦学设计 4 零

2、件制造常用材料及其选择 5 机械设计中的标准化和互换性 6 机械设计中的工艺性,了解机械零件设计的基本要求和设计步骤； 掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则； 了解接触强度及其设计准则； 了解干摩擦、边界摩擦、混合磨擦和流体摩擦的机理和物理特征； 了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标； 了解机械制造常用材料及其选择原则； 了解机械设计中标准化的意义及相关概念； 了解机械零件工艺性的基本要求。,基本要求,一、失效概念（Failure）,例: 齿轮轴断裂失效,1 机械零件的失效与设计基本要求,二、失效形式（Failure types）,2、表面破坏,磨损,冷胶合 热胶合,点蚀

3、,塑性变形 过大弹性变形,3、变形 过大,胶合,4、过大振动,腐蚀,1 机械零件的失效与设计基本要求,机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：,三、设计机械零件时应满足的基本要求,1 机械零件的失效与设计基本要求,1、避免在预订寿命期内失效的要求 2、结构工艺性要求 3、经济性要求 4、质量小要求 5、可靠性要求,应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。,1、避免在预定寿命期内失效的要求,1 机械零件的失效与设计基本要求,1）强度要求 零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形都属于强度不足。 提高零件强度的措施 采用高强度的材料； 使零件具有

4、足够的截面尺寸； 合理设计零件的截面形状，增大惯性矩； 采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能； 提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷； 合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。,2) 刚度要求,y可以是挠度、偏转角或扭转角,1 机械零件的失效与设计基本要求,刚度：机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力； 如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 零件的刚度要求：零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围。 例如：机床主轴的弹性变形过大将会影响所加工工件的精度 提高零件刚度的措施 增大零件的截面尺寸或增大惯性矩； 缩短支撑的跨距或采用多点支撑。,影响零件寿命的主要

5、因素：疲劳破坏、腐蚀、磨损。 大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。 影响疲劳强度的因素有： 应力集中； 零件的尺寸大小； 零件表面质量及环境状况。 零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。 抵抗腐蚀的措施有：表面发兰（发黑）；表面镀层；表面涂漆；表面阳极化。,3) 寿命要求,1 机械零件的失效与设计基本要求,2、结构工艺性要求,零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工且加工费用较低。 工艺性的基本要求： 毛坯选择合理 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； 大批量生产时，往往选用铸造、锻

6、造、冲压等方法。 结构简单合理 最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合； 尽量减少加工面数和加工面积； 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； 尽量采用标准件。,1 机械零件的失效与设计基本要求,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。,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，力求使少或无切削加工，节约材料，降低成本；

7、 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。,1 机械零件的失效与设计基本要求,零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。,1 机械零件的失效与设计基本要求,3、经济性要求,简化零件的结构，降低材料消耗； 采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时； 采用廉价而充足的材料代替昂贵材料； 大型零件采用组合结构而非整体结构； 尽量采用标准件。,4、质量小的要求,1 机械零件的失效与设计基本要求,减小质量的好处： 节约材料； 减小惯性，改善机器的动力性能。 减小质量的措施： 采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷； 采用安全装置来限制作用在零件上的最大载荷； 从零件应力较小

8、处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率； 采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件工作载荷； 采用轻型薄壁冲压件或焊接代替铸造、锻压件； 采用强重比高的材料。,5、可靠性要求,零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。 为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。,可靠性：系统、机器或零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,可靠度：表示零件在规定的条件下和规定的时间内完成规定 功能的概率 。,1 机械零件的失效与设计基本要求,四、机械零件设计准则,因为失效类型不同，机械零件

9、的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同 。,1 机械零件的失效与设计基本要求,强度准则 刚度准则 振动稳定性准则 耐热性准则 可靠性准则,五、机械零件设计的一般步骤,1 机械零件的失效与设计基本要求,根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构； 必须对各种零件的不同类型、优缺点、特性和使用范围等，进行综合对比与正确选用； 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷； 根据零件的工作条件及对零件的特殊要求（如高温环境等）选择适当的材料； 根据零件的失效形式，确定零件的计算准则，通过计算，确定零件的基本尺寸； 根据工艺性和标准化，进行零件的结构设计；（回执草图） 细节设计完成后，必要时进行

10、详细的校核计算，以判断结构的合理性； 绘制零件工作图，并撰写计算说明书。,按名义载荷求得的应力称为名义应力 按计算载荷求得的应力称为计算应力,在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷,机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入载荷系数K来估计这些因素的影响。 名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷,一、载荷和应力,2 机械零件的强度,1. 载荷,动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷,静载荷,变载荷,按是否随时间变化，载荷,2. 应力,静应力,变应力,max最大应力； min最小应力, m平均应力； a应力幅值,r 应力比（循环特性）,随机变应力,非随机变应力,稳定循环

11、变应力,不稳定循环变应力,2 机械零件的强度,对称循环,脉动循环,稳定循环应力,静应力（可看作是循环应力的一个特例）,静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。,2 机械零件的强度,强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。,强度条件有两种表示方法：,1） 用应力表示：,2）用安全系数表示：,注：对于切应力，只须将上述各公式中的 换成 即可。,2 机械零件的强度,二、静强度,在静应力下工作的零件，其可能的失效形式是塑性变形或断裂。材料种类不同，所取极限应力也不同。,单向应力状态下：,，,复合应力状态下：,按第三或第四强度理论计算当量应力。,复合应力状态

12、下： 按第一强度理论计算当量应力。,2 机械零件的强度,对于塑性材料和组织不均匀的材料（如灰铸铁），在计算静强度时，可不考虑应力集中的影响。 对于组织均匀的低塑性材料（如淬火钢），在计算静强度时，应考虑应力集中的影响。,三、疲劳强度,疲劳：机械零件在变应力的作用下的失效形式,疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力,疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,2 机械零件的强度,无限寿命区,对称循环：,脉动循环：,当N103(104)高周循环疲劳当时随循环次数疲劳极限,疲劳曲线方程,

13、有限寿命区 当N103(104)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算,寿命系数,疲劳极限,m指数与应力与材料的种类有关 钢 m=9拉、弯应力、剪应力 m=6接触应力 青铜 m=9弯曲应力 m=8接触应力,极限应力线图(Curve of fatigue limit),1、材料的极限应力线图,同种材料、 r不同时，r在m a 坐标系下的关系曲线,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。异形曲面的接触形式为点接触或线接触。,四、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

14、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。,接触失效形式常表现为：,疲劳点蚀,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。,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20m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。,由弹性力学可知，应力为：,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,H -最大接触应力或赫兹应力;,b -接触长度;,Fn -载荷;,

15、-综合曲率半径;,-综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,Hlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。,接触应力具有上下对等、左右对称及稍离接触区中线即迅速降低等特点。,摩擦学-研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门学科。,摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；, 润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。,世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。,机械产品的易损零件大部分是由

16、于磨损超过限度而报废和更换的。,随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。, 磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；,3 机械系统的摩擦学设计,1. 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。,2. 边界摩擦,一、摩擦状态,运动副表面有一层厚度1 m的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。,比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3,有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。,3. 液体摩擦,摩擦和磨损极轻，f 0.001

17、0.01,4. 混合摩擦,混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。,磨损由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。,磨损曲线,二、磨 损,磨损过程大致如图所示：,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。,稳定磨损阶段-零件在平稳而缓慢的速度下磨损。,剧烈磨损阶段-在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。,后果降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。,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。,三、润滑,润

18、滑的作用：降低摩擦副的摩擦、减少磨损，以及冷却、密封、防锈和减振等。,润滑的分类,1）流体动力润滑： 靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称为动压油膜），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。,2）流体静力润滑： 两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完 全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。,3）弹性流体动力润滑： 是指理论上为点、线接触的摩擦副，在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑。,4）边界润滑和混合润滑 （即边界摩擦和混合摩擦）。,四、润滑剂及其特性,：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。,凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。,1. 润滑剂的分类,1）液体润滑

19、剂：,2）润滑脂：,注：润滑油和润滑脂在实际中应用最广。,俗称黄油。由润滑油+稠化剂混合而成。,3) 固体润滑剂,4）气体润滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。,主要有：动植物油、矿物油、水、液态金属等。,2. 润滑油的主要性质,1）油性：是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好，吸附能力就越强。,2）粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能指标。（粘度是选择润滑油的主要依据）。,影响粘度的主要因素：,温度 t ,压力p , , ,粘-温图,粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。,p 10 Mpa时可忽略。变化很小,选择合理的零

20、件制造材料需要考虑多方面的因素，在以后的各有关章节中将会分别介绍各种零件适用的材料和牌号。,机械零件材料的选择原则,由于钢铁仍然是用量最大，用途最广的材料，所以对钢铁的一般选用原则作简介。,4 零件制造常用材料及其选择,适用于制作机械零件的材料种类非常之多，在设计机械零件时，如何从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。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。,1、载荷、应力的大小和性质,热处理：通过对钢进行加热或冷却，使钢的组织结构发生变化，以改善钢的性能。分为普通热处理、表面热处理。 普通热处理包括退火与

21、正火 ，淬火与回火。 表面热处理包括表面淬火，表面化学热处理。,金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，要充分利用热处理来发挥材料的潜力。,脆性材料：制造在静载下工作的零件； 塑性材料：制造在冲击载合下工作的零件。,2、 零件的工作情况,零件的工作情况：零件所处的环境特点、工作温度、摩 擦磨损的程度等。,湿热环境对选材的影响： 要求材料具有良好的防锈、耐腐蚀能力，例如选用不锈钢、铜合金等。,摩擦磨损对选材的影响： 可能发生磨损之处要提高表面硬度，应选用可进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。,工作温度对选材的影响： 配合件的材料线膨胀系数不可差别过大，以免在温度变化时产生的配合松动；要考

22、虑材料的力学性能随温度而改变的情况。,3、零件的尺寸及质量,零件的尺寸及质量与毛坯制取方法及材料的品种有关。,材料品种的影响： 应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸及质量。（材料的强重比是指强度与单位体积材料所受的重力之比）,毛坯制取方法的影响： 用铸造材料不受尺寸及质量的限制； 用锻造材料需注意锻压机械及设备的生产能力。,4、零件结构的复杂程度及材料的加工可能性,结构复杂的零件：铸造毛坯，或板材冲压后焊接。,对材料工艺性的了解有助于判断材料的加工可能性，材料的工艺性一般包括以下几方面：,材料的铸造工艺性：材料的液态流动性、收缩率、偏 析程度及产生缩孔的倾向性。 材料的锻造工艺性：材

23、料的延展性、热脆性及冷态和 热态下塑性变形能力。 材料的焊接工艺性：材料的焊接性及焊缝产生裂纹的 倾向性。,材料的热处理工艺性：材料的可淬性、淬火变形倾向 性及热处理介质对它的渗透能 力。 材料的冷加工工艺性：材料的硬度、易切削性、冷作 硬化程度及切削后可能达到的 表面粗糙度。,5、材料的经济性,（1）材料本身的相对价格。当用廉价材料就能满足材料时，就不应该选择价格高的材料，这大批量生产的零件尤为重要。 （2）材料的加工费用。例如制造箱体零件，虽然铸铁比钢铁廉价，但是对于小批量生产应该采用钢板焊接，因为铸模的生产费用较高。 （3）材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯（如精铸、模锻、冷拉毛坯

24、等），可提高材料的利用率，在设计时也可设法提高材料的利用率。,（4）采用组合结构。 例如，火车车轮是在一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高，耐磨损的轮箍，只需定期更换轮箍即可。 （5）节约稀有材料。 例如，用铝青铜替代锡青铜制造轴瓦。 （6）材料的供应状况。 为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批量制造的零件，应尽可能减少同一部机器上使用的材料品种和规格。,1)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、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。,标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。,2)零部件的通用化