机械零件设计和计算概论

1、机械零件设计和计算概论 第六章第六章 机械零件设计和计算概论机械零件设计和计算概论 6.1 机械零件的工作能力准则 设计机器时，必须满足技术条件所规定的各项要求。 对机器的要求首先是： l 机器的全部功能； l 预定的使用寿命； l 制造和运转成本； l 重量与尺寸指标等； l 此外还应考虑机器运输的可能性、操作方便、外形美 观等要求。 机械零件设计和计算概论 6.1 机械零件的工作能力准则 对机械零件的主要要求是：要有足够的强度和刚 度、有一定的耐磨性、无强烈振动及具有耐热性。 若上述某些要求不满足，机器就不能正常工作。 l 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时， 称为失效。 l 零件

2、不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。 机械零件设计和计算概论 为了保证零件能正常工作，在设计零件时应 首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性， 采取相应措施，其中包括理论计算，计算所依据 的条件称为计算准则，常用的计算准则有强度、 刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响以及振动 稳定性、可靠性等方面的问题。所以将以上要求 视为衡量机械零件工作能力的准则。 6.1 机械零件的工作能力准则 机械零件设计和计算概论 6.1 机械零件的工作能力准则 机械零件的设计步骤 l拟定计算模型简图； l确定作用在零件上载荷的大小； l选择合适的材料； l确定零件尺寸，并标准化； l绘制零件工作图。 机械零件设

3、计和计算概论 各种计算准则的介绍 1 强度强度 指零件在载荷作用下抵抗断裂或塑性变形的 能力 。 是机械零件工作能力的最基本准则，常用判 断危险截面处的最大应力（ 、 ）是否小于 或等于许用应力（ 、 ）。强度条件表 达式为 或 机械零件设计和计算概论 各种计算准则的介绍 刚度刚度 是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度的大 小常用产生单位弹性变形所需的外力或外力矩来表示。 刚度的反义词是柔度，柔度的大小常用单位外力或外力 矩所产生的弹性变形来表示。有些零件需有一定的刚度， 即其变形不能超过容许的限度，如轴弯曲刚度不足时， 轴颈将在轴承中倾斜而使两者接触不良；有些零件需有 一定的柔度，如

4、弹簧一类的弹性零件。 机械零件设计和计算概论 各种计算准则的介绍 刚度刚度会影响零件的自振频率。 刚度大自振频率高，刚度小自振频率低。 按刚度计算所得的零件截面尺寸一般要比按强度 计算的大，满足刚度要求的零件往往也满足强度 要求。 机械零件设计和计算概论 各种计算准则的介绍 耐磨性耐磨性 指在载荷作用下两零件做相对运动其接触界面 的抗磨损能力。零件磨损后会改变结构形状和 尺寸，使机器的精度降低、效率下降、强度减 弱。影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性 质、滑动速度、润滑剂的性质等，但又不能准 确估计出来，因此按磨损计算零件的方法只能 是条件性的，不能十分精确。 机械零件设计和计算概论 4 振

5、动稳定性振动稳定性 振动稳定性是指机器在工作时不能发生振幅超过 容许值的振动现象。 零件发生周期弹性变形的现象称为振动振动。机器工 作速度的提高和结构重量的减轻，易使机器出现 振动问题，影响工作质量。 当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同 或接近时，就要发生共振共振，这时振幅急剧增大， 此现象称为失稳，即丧失振动稳定性失稳，即丧失振动稳定性。 各种计算准则的介绍 机械零件设计和计算概论 5 耐热性耐热性 在高温下工作的零件需要进行蠕变计算。 蠕变是在一定工作温度和应力下，零件塑性 变形缓慢而连续增长的现象。 在设计摩擦副时，需进行热平衡计算， 以判断单位时间内的摩擦发热量和散热量达 到平

6、衡时，零件的工作温度t是否超过许用 值t。 各种计算准则的介绍 机械零件设计和计算概论 6.2 机械制造中常用材料及其选择 一、机械常用材料：铁碳合金（钢和铸铁）、 有色合金、非金属材料和各种复合材料。钢 是机械制造中最常用的材料。 二、钢的热处理：将钢在固态下加热到一定温 度，经过一定时间的保温，然后用一定的速 度冷却，来改变金属及合金的内部结构，以 期改变金属及合金的物理、化学和力学性能 的方法。 用热处理的方法：退火、正火、淬火、回火、 表面热处理等。 机械零件设计和计算概论 退火：将钢加热到一定温度（45钢830 860），保温一段时间，随炉缓冷。退火可 消除内应力，降低硬度。 正火：

7、与退火相似，只是保温后在空气中冷 却。正火后钢的硬度和强度有所提高。低碳 钢一般采用正火代替退火。 淬火：将钢加热到一定温度（45钢840 850），保温一段时间，而后急速冷却（水 冷或油冷）。淬火后钢的硬度急剧增加，但 脆性也增加。 机械零件设计和计算概论 回火 将淬火钢重新加热到一定温度，保温一 段时间，然后空冷。回火可减小淬火引起的 内应力和脆性，但仍保持高的硬度和强度。 根据加热温度不同分低温回火、中温回火、 高温回火。淬火后高温回火称调质。 表面热处理 表面淬火：将机械零件需要强化的表面迅速 加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的 热处理方法。 化学热处理：将机械零件放在含有某种化学

8、 元素（如碳、氮、铬等）介质中加热保温， 使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处 理方法。据渗入元素不同有渗碳、氮化、氰 化。 机械零件设计和计算概论 几种普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢的力 学性能见表6163。 几种常用的铸钢和铸铁的性能见表64。 几种青铜（有色金属）的力学性能见表65。 三、选择材料应满足的要求： 使用方面的要求； 工艺方面的要求； 1.经济方面的要求。 机械零件设计和计算概论 1、满足零件的使用要求、满足零件的使用要求 机械零件的使用要求主要有以下几点： （1）零件承受工作载荷的能力，主要从载荷的特 点、强度、及刚度等方面考虑； （2）零件的工作条件（运动速度等）及工作

9、环境 （温度、潮湿、腐蚀等）； （3）耐磨性、寿命、可靠性等要求； （4）零件尺寸和质量的要求。 机械零件设计和计算概论 1、满足零件的使用要求、满足零件的使用要求 设计零件应以零件承受工作载荷的能力为主，综 合考虑其他因素，合理地选择材料。 如零件受力较大且有较大的冲击载荷，工作速度 较高、可靠性要高，而且要求零件的尺寸较小、 重量较轻，应采用高强度合金钢制造，并要进行 热处理及精加工。 机械零件设计和计算概论 2、满足零件的工艺性要求、满足零件的工艺性要求 u在熟悉材料工艺性的前提下，根据零件的结构复杂程度、 尺寸大小、生产批量的大小、毛坯制造及机械加工的特点， 分析比较，合理选择机械零件

10、的材料。 u对于结构复杂、尺寸大的零件，因难以锻造，宜采用铸造 或焊接，所选的材料必须具有良好的铸造工艺性（液态流 动性、收缩率、偏析及缩孔等），或焊接工艺性（可焊性、 焊缝裂纹的倾向性等），同时零件的结构要适应铸造或焊 接的要求。 u需要锻造的零件必须考虑材料的延展性、热脆性等。 机械零件设计和计算概论 2、满足零件的工艺性要求、满足零件的工艺性要求 u铸造、模锻、冲压等适用于零件的大批量生产，焊接、自 由锻使用于单件或小批量生产。 u对于需切削加工的零件要考虑材料的宜切削性能及已切削 表面的粗糙度等。 u热处理对改善材料的机械性能有很大的作用，必须根据零 件的使用要求、尺寸大小、结构复杂程

11、度及工艺要求，合 理选择材料及热处理工艺。 机械零件设计和计算概论 3、满足经济性要求、满足经济性要求 材料的经济性主要从以下几个方面考虑： （1）材料的相对价格：同样能满足使用要求的前 提下，应采用价格相对低的材料； （2）考虑不同材料的加工（毛坯制造、机械加工 及热处理等）成本； （3）采用局部品质的原则，如蜗轮的齿圈用铜合 金，轮芯采用铸铁或碳钢； （4）材料的利用率，如采用无切削或少切削的材 料及工艺； （5）考虑材料的供应状况及储运成本。 机械零件设计和计算概论 6.3 许用应力和安全系数 应力按随时间变化的特性分静应力和变 应力。(载荷？) 变应力为应力随时间变化的，分脉动循环变

12、应力、对称循环变应力、任意非对称循环变 应力。 应力恒定，不随时间变化或变化很小的应力 称为静应力； 应力随时间变化图见P15 机械零件设计和计算概论 选择许用应力的方法： 查许用应力表法： 部分系数法： S1：考虑计算载荷及应力准确性的系数，一般S1 11.5 S2： 考虑力学性能均匀性系数， S21.22.5 S3：考虑零件重要程度的系数，一般S311.5 321ssss 机械零件设计和计算概论 静应力下： 塑性材料的屈服极限s 作为极限应力，即： 脆性材料的抗拉强度 b 作为极限应力，即： 变应力下： 零件疲劳断裂是主要的破坏形式，疲劳断裂与应力大 小和应力循环次数有关。 1.材料经过N

13、次应力循环后，不发生破坏的应力最大值 称为疲劳极限r 。 s s s B 机械零件设计和计算概论 表示循环次数N与疲劳极限间的关系曲线称为疲劳曲 线（ N曲线）。如P17图1-20，当循环次数N超过 某一数值N0以后，曲线趋向水平，即 不再随N的增 加而降低，N N0的区域称无限寿命区，N N0的区域 称有限寿命区， N0称为循环基数。对应与N0的疲劳 极限为r，在对称循环变应力下r = -1，在脉动循环 变应力下s= 0。（r为应力循环特性系数 ） max min r 机械零件设计和计算概论 考虑到零件的截面突变、绝对尺寸及表面状 态对疲劳极限的影响，在变应力下加入影响 系数 应力对称循环变

14、化时 应力脉动循环变化时 为尺寸系数；为表面状态系数；k为应力集中系数 sk 0 0 sk 1 1 机械零件设计和计算概论 6.4 机械零件的工艺性和标准化 从零件的工艺性出发，对零件结构提出三个 基本要求： 选择合理的毛坯种类； 零件的结构简单合理，便于切削加工、便于 装拆和维修； 规定合理的制造精度和表面粗糙度。 机械零件设计和计算概论 6.4.1 机械零件的结构工艺性机械零件的结构工艺性 机械零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下，机械零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下， 能用生产率高、劳动量小、材料消耗少和成本低的方能用生产率高、劳动量小、材料消耗少和成本低的方 法制造出来

15、。凡符合上述要求的零件结构被认为具有法制造出来。凡符合上述要求的零件结构被认为具有 良好的工艺性。良好的工艺性。 机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。机械制造包括毛坯生产、切削加工和装配等生产过程。 设计时，必须使结构在各个生产环节都具有良好的工设计时，必须使结构在各个生产环节都具有良好的工 艺性。艺性。 机械零件设计和计算概论 1. 零件的结构应与生产条件和批量相适应零件的结构应与生产条件和批量相适应 零件的结构工艺性与生产条件和批量有着密切的联系。零件的结构工艺性与生产条件和批量有着密切的联系。 单件和小批生产的零件，应利用现有生产条件制造，单件和小批生产的零件，应利用现有生产

16、条件制造， 例如大尺例如大尺 寸的齿轮毛坯，在一般设备条件下锻造较困难，就应采用铸件寸的齿轮毛坯，在一般设备条件下锻造较困难，就应采用铸件 或焊接件；当缺少磨齿设备时，就不能用变形大的热处理工艺或焊接件；当缺少磨齿设备时，就不能用变形大的热处理工艺 等。等。 成批和大量生产的零件，可采用专门设备、数控加工中心和自成批和大量生产的零件，可采用专门设备、数控加工中心和自 动线生产，这种条件应考虑用无切削或少切削成形工艺；采用动线生产，这种条件应考虑用无切削或少切削成形工艺；采用 组装结构等。组装结构等。 机械零件设计和计算概论 2. 零件的结构应与毛坯种类相适应零件的结构应与毛坯种类相适应 u设计

17、铸件时，应考虑到铸件的最小壁厚需满足液态金 属的流动性要求(对砂型铸造，通常灰铸铁件壁厚6 mm， 铸钢件壁厚8mm)； u铸件各部分的壁厚应均匀，要避免局部材料集聚，产 生缩孔； u铸件不同壁厚的联接处，应采用过渡结构（如图1-4(a) 所示），各个面的交接处不应有锐角； u垂直分型面的表面应有铸造斜度，以便于造型和起模 （如图1-4(b)所示）； u尽量减少加工面等。 机械零件设计和计算概论 2. 零件的结构应与毛坯种类相适应零件的结构应与毛坯种类相适应 对于品种繁多的单件、小批量生产，在设计锻件时， 要 考虑在自由锻造时使用简单通用锻模进行操作。 因此，自由锻件结构的复杂程度受到很大限制

18、，例如锥 面、斜面和其他复杂剖面、非直线的交接结构、加强肋 和凸台等应尽量避免，而采用简单、平直的形状。 模锻对零件结构形状的限制有所减少，但零件的结构形 状也应力求简单，避免剖面尺寸变化过大、薄壁、深槽 和高肋等形状，应有一定的模锻斜度和圆角， 以便造型 和起模。 机械零件设计和计算概论 图1-4 铸件过渡结构和铸造斜度 机械零件设计和计算概论 3. 零件的结构应便于切削加工零件的结构应便于切削加工 零件的切削加工工艺对零件结构设计影零件的切削加工工艺对零件结构设计影 响很大，响很大， 因此应考虑零件的结构要能够加工。因此应考虑零件的结构要能够加工。 机械零件设计和计算概论 图1-5 退刀槽

19、或砂轮越程槽 (a) 车； (b) 磨； (c) 刨 例如车、刨、磨加工应留有退刀槽或砂轮越程槽例如车、刨、磨加工应留有退刀槽或砂轮越程槽 (如图如图1-5)等；等； 机械零件设计和计算概论 图1-6 加工所需空间 (a) 不正确； (b) 正确 零件的结构要便于加工，零件的结构要便于加工， 例如保证采用一般刀具例如保证采用一般刀具 加工时所需的工作空间加工时所需的工作空间(如图如图1-6) 机械零件设计和计算概论 图1-7 加工定位支承面 (a) 不正确； (b) 允许； (c) 正确 零件的结构要便于加工，零件的结构要便于加工， 例如保证采用一般刀具例如保证采用一般刀具 加工时所需的定位支

20、承面（如图加工时所需的定位支承面（如图1-7） 机械零件设计和计算概论 图1-8 减少刀具调整次数 (a) 改进前； (b) 改进后 减少刀具及量具的种类，减少刀具调整次数减少刀具及量具的种类，减少刀具调整次数(如图如图 1-8)等；等； 机械零件设计和计算概论 图1-9 减少加工面积 (a) 改进前； (b) 改进后 合理地减少加工量及加工面积，例如留有凸台或合理地减少加工量及加工面积，例如留有凸台或 鱼眼坑结构（如图鱼眼坑结构（如图1-9）等。同时，要合理选择制）等。同时，要合理选择制 造精度和表面粗糙度。造精度和表面粗糙度。 机械零件设计和计算概论 4. 零件的结构应便于装拆和调整 零件

21、的结构应便于装配、拆卸，并尽可能减少装配工作量。 主要应考虑： (1) 能装能拆。例如为螺钉留出装入的空间(如图1-10)和合理 的扳手工作空间(如图1-11)；对圆柱面过盈配合零件增设拆卸螺 钉(如图1-12)；采用便于装配的结构(如图1-13)等。 机械零件设计和计算概论 图1-10 留出装入螺钉空间 (a) 不正确； (b) 正确 机械零件设计和计算概论 图1-11 留出扳手工作空间 (a) 不正确； (b) 正确 机械零件设计和计算概论 图1-12 增设拆卸螺钉 (a) 改进前； (b) 改进后 图1-13 便于装配的结构 (a) 不正确； (b) 正确 机械零件设计和计算概论 (2)

22、 保证正确地安装。例如要有正确的装配定位基准(如图 1-14)；要求零件的端面同时贴合(如图1-15)；采用不易导致安 装错误的结构等。 图1-14 有定位基准 (a) 改进前； (b) 改进后 图1-15 端面同时贴合 (a) 不正确； (b) 正确 机械零件设计和计算概论 图1-16 避免安装错误 (a) 改进前； (b) 改进后 机械零件设计和计算概论 6.5 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化 机械零件的标准化，就是对零件的尺寸、结构要素、材料机械零件的标准化，就是对零件的尺寸、结构要素、材料 性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵性能、检验方法、设计方法、制

23、图要求等，制定出大家共同遵 守的技术准则和依据。守的技术准则和依据。 现已发布的与机械零件有关的标准，从现已发布的与机械零件有关的标准，从 运用范围上来说，可分为国家标准运用范围上来说，可分为国家标准(GB)、 部颁标准部颁标准(机械工业机械工业 标准标准JB、纺织工业标准、纺织工业标准PJ等等)和企业标准三个等级。从使用的强和企业标准三个等级。从使用的强 制性来说，可分为必须执行的制性来说，可分为必须执行的(如螺纹标准、如螺纹标准、 制图标准等制图标准等)和推和推 荐使用的荐使用的(如标准直径等如标准直径等)。我国已制订有很多国标和部标，目前。我国已制订有很多国标和部标，目前 还在不断发展和改进，并且已参加国际标准化组织还在不断发展和改进，并且已参加国际标准化组织(ISO)。设计。设计 时，时， 应充分了解有关零件的标准，尽可能遵守标准，只有当标应充分了解有关零件的标准，尽可能遵守标准，只有当标 准与设计要求之间有矛盾，并有充分理由时，才允许不采用标准与设计要求之间有矛盾，并有充分理由时，才允许不采用标 准。准。 机械零件设计和计算概论 标准化的优越性表现为：标准化的优越性表现为： （1）将同名零件的型号和尺寸限定在合理的数量范围内，可）将同名零件的型号和尺寸限定在合理的数量范围内，可 以用最先进的工艺方法进行标准零件的专业化