第九章 机械零件设计概论(两学时)

1、机械设计基础机械设计部分赵学进工科D414第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论2学时学时第第10章章 连接连接4学时学时第第11章章 齿轮传动齿轮传动4学时学时第第12章章 蜗杆传动蜗杆传动2学时学时第第13章章 带带/链传动链传动第第14章章 轴轴第第15章章 滚动轴承滚动轴承第第16、17章，章，1学时学时4学时学时2学时学时3学时学时1学时学时第九章第九章 机械零件设计概论机械零件设计概论本章将扼要阐明机械零件设计计算的本章将扼要阐明机械零件设计计算的共性问题共性问题: 机械零件设计概述机械零件设计概述; 机械零件的强度、接触强度和耐磨性机械零件的强度、

2、接触强度和耐磨性; 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择; 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化; 机械零件由于某种原因不能正常工作时，机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为称为失效。失效。 在不发生失效的条件下，零件所能安全工在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为作的限度，称为工作能力。工作能力。通常此限度是对载通常此限度是对载荷而言，习惯上又称为荷而言，习惯上又称为承载能力。承载能力。几个概念：几个概念：9-1 机械零件设计概机械零件设计概 述述零件的失效原因零件的失效原因 断裂或塑性变形；断裂或塑性变形； 过大的弹性变形；过大的弹性变形； 工作表面的

3、过度磨损或损伤；工作表面的过度磨损或损伤； 发生强烈的振动；发生强烈的振动； 联接的松弛；联接的松弛； 摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。 强度强度 刚度刚度 耐磨性耐磨性 振动稳定性振动稳定性 耐热性等耐热性等如：轴的失效如：轴的失效 疲劳断裂；疲劳断裂； 弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。弹性变形过大，轴承中轴颈倾斜，轴上轮齿受载不匀。承载能力承载能力 取决于轴的疲劳强度；取决于轴的疲劳强度； 取决于轴的刚度；取决于轴的刚度；两者中的较小值决定了轴的承载能力两者中的较小值决定了轴的承载能力y此外，此外，还可能因轴颈过度磨损而失效；还可能因轴颈过度磨损而失效； 对高速运转的轴

4、，还应验算其振动稳定性；对高速运转的轴，还应验算其振动稳定性；机械零件设计应满足：机械零件设计应满足： 足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。足够的强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等。判定条件可概括为：判定条件可概括为： 计算量计算量 许用量许用量如：强度为主要问题，按强度判定：应力如：强度为主要问题，按强度判定：应力 许用应力许用应力 刚度为主要问题，按刚度判定：变形量刚度为主要问题，按刚度判定：变形量 许用变形量许用变形量 . . 机械零件设计步骤机械零件设计步骤 1）拟定计算简图；）拟定计算简图； 2）确定零件工作载荷大小；）确定零件工作载荷大小； 3）选材；）选材； 4

5、）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸；）按零件工作能力准则设计零件主要尺寸； 5）绘制零件图；）绘制零件图； 6）编制技术文件。）编制技术文件。设计计算设计计算校核计算校核计算9-2 机械零件的强度机械零件的强度强度准则：强度准则： 、 危险截面处的计算正应力、剪应力；危险截面处的计算正应力、剪应力； 、 材料的许用应力；材料的许用应力； lim、 lim材料的极限应力；材料的极限应力； S安全系数。安全系数。 slim slim 、 取决于应力种取决于应力种类、材料极限应力和安类、材料极限应力和安全系数等。全系数等。maxminminmaxaminmaxm22 r循环特性循环特性应力幅应力幅

6、平均应力平均应力10 maxminamminmax r1. 静应力对称循环应力种类周期性变应力 非对称性循环变应力脉动循环非周期性变应力不随时间变化的应力。不随时间变化的应力。随时间变化的应力。随时间变化的应力。具有周期性的变应力具有周期性的变应力 。一、应力的分类一、应力的分类maxminminmaxaminmaxm22 r循环特性循环特性应力幅应力幅平均应力平均应力1maxminaminmax r1. 静应力对称循环应力种类周期性变应力 非对称性循环变应力脉动循环非周期性变应力maxminminmaxaminmaxm22 r循环特性循环特性应力幅应力幅平均应力平均应力maxminminma

7、x r1. 静应力对称循环应力种类周期性变应力 非对称性循环变应力脉动循环非周期性变应力maxminminmaxaminmaxm22 r循环特性循环特性应力幅应力幅平均应力平均应力02 00maxminmaxmaminmax r、1. 静应力对称循环应力种类周期性变应力 非对称性循环变应力脉动循环非周期性变应力应力与载荷：应力与载荷： ：应力：应力(MPa=N/mm2 ) F：载荷：载荷(N) A：受力面积：受力面积(m2 ) 静载荷静载荷离心水泵、皮带运输机、恒定压离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等；力的压力容器等； 变载荷变载荷石油钻杆、抽油杆、井架、汽车石油钻杆、抽油杆、井架、汽

8、车底盘等。底盘等。AF 静载荷静载荷通常产生静应力通常产生静应力 ； 变载荷变载荷产生变应力产生变应力 。 静载荷静载荷也可能产生变应力也可能产生变应力 (如转轴中弯曲应力如转轴中弯曲应力 )F注意：正确分析应力特性注意：正确分析应力特性举例：举例：(1)静载荷拉杆静载荷拉杆 r =1FF(2)转轴转轴对称循环对称循环F1maxminr(3)(3)齿轮应力齿轮应力脉动循环脉动循环0maxminr1)、1为主动轮，齿轮2的弯曲应力循环特性是什么类型？2)、2为主动轮，齿轮2的弯曲应力循环特性是什么类型？123对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力二、静应力下的许用应力二、静应力

9、下的许用应力零件材料损坏形式：断裂或塑性变形零件材料损坏形式：断裂或塑性变形 塑性材料塑性材料: : limlim= = S S 屈服极限屈服极限 许用应力许用应力 脆性材料脆性材料: : limlim= = B B 强度极限强度极限 许用应力许用应力 ss Bs变应力下零件的失效形式：变应力下零件的失效形式： 疲劳断裂疲劳断裂 疲劳断裂疲劳断裂 特征：特征：1）疲劳断裂的最大应力材料的屈）疲劳断裂的最大应力材料的屈服极限；服极限；2）疲劳断口均表现为无明显塑性变）疲劳断口均表现为无明显塑性变形；形；3）断口上明显地有两个区域：光滑）断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区；区、粗糙区；4）疲劳

10、断裂是损伤的积累的结果。）疲劳断裂是损伤的积累的结果。 三、变应力下的许用应力三、变应力下的许用应力1 1、疲劳曲线、疲劳曲线疲劳曲线疲劳曲线-表示应力表示应力 与应力循环次数与应力循环次数N之间之间的关系曲线。的关系曲线。横坐标横坐标-循环次数循环次数N纵坐标纵坐标-断裂时的循环应力断裂时的循环应力 应力应力 越小，试件能经受的循环次数越小，试件能经受的循环次数N越多越多 N 某数值某数值N0， “无限次无限次”循环试件不断裂循环试件不断裂 N0-循环基数循环基数(106107 ) 材料经过材料经过N0 次应力循环，发生破坏的应力值次应力循环，发生破坏的应力值 -疲劳疲劳极限极限 r r 无

11、限寿命区无限寿命区(N N0) r r 有限寿命区有限寿命区(NN0) r rN N2 2、许用应力、许用应力 变应力下，变应力下， limlim= = r r 还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表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响面状态等影响,引入有效应力集中系数引入有效应力集中系数k 、尺寸系数、尺寸系数 和和表面状态系数表面状态系数 等等 对称循环对称循环 r =-1脉动循环脉动循环 r = 0Sk11Sk00四、安全系数四、安全系数 安全系数安全系数S对零件尺寸影响很大：对零件尺寸影响很大： S过大，结构笨重；过大，结构笨重；S过小，可能不够安全。

12、过小，可能不够安全。(拉伸杆件拉伸杆件)部分系数法：部分系数法： S=S1S2S3 S1考虑载荷及应力计算的准确性；考虑载荷及应力计算的准确性； S2 考虑材料的力学性能的均匀性；考虑材料的力学性能的均匀性； S3 考虑零件的重要性。考虑零件的重要性。 具体数值可参阅有关书刊。具体数值可参阅有关书刊。9-3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 整体强度整体强度-零件受载是在较大体积内产生应力。零件受载是在较大体积内产生应力。 接触应力接触应力-两零件受载前点接触或线接触，受载后接触面两零件受载前点接触或线接触，受载后接触面积很小而表层产生很大局部应力。积很小而表层产生很大局部应力。 这时零件

13、强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度 如齿轮、滚动轴承等，都是通过很小接触面积传递载如齿轮、滚动轴承等，都是通过很小接触面积传递载荷的，承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接荷的，承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。触强度。 机械零件的接触应力通常是周期性变化的，载荷重复作机械零件的接触应力通常是周期性变化的，载荷重复作用用表层初始疲劳裂纹表层初始疲劳裂纹 裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则裂纹逐渐扩展（如有润滑油，则被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展）被挤进裂纹中产生高压，使裂纹加快扩展）表层金属呈表层金属呈小片状剥落小片状剥落零件表面形成一些小坑零件表面形成一些小坑-

14、疲劳点蚀疲劳点蚀 疲劳点蚀疲劳点蚀-减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。载能力，并引起振动和噪声。 疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式 接触疲劳强度的判定条件接触疲劳强度的判定条件 接触疲劳极限接触疲劳极限 HlimHlim 由实验测得，由实验测得，两零件硬度不同时以较两零件硬度不同时以较软零件接触疲劳极限为准。软零件接触疲劳极限为准。HHHSlimHH而 由弹性力学计算由弹性力学计算 H 两轴线平行的圆柱体相互接触并受压，接触面积为狭两轴线平行的圆柱体相互接触并受压，接触面

15、积为狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上。长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上。最大接触应力为：最大接触应力为：对于钢或铸铁取泊松比对于钢或铸铁取泊松比 1 1= = 2 2= = =0.3=0.3令令上式可化简为：上式可化简为：222121211111EEbFnH11121EEE121121bEFbEFnnH418. 01212赫兹 (H.Hertz) 公式赫兹赫兹 (H.Hertz) 公式公式 H H最大接触应力最大接触应力( (赫兹应力赫兹应力) )b b 接触长度接触长度FnFn作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷 综合曲率半径综合曲率半径外接触外接触(+) ，内接触，内接触

16、(-)E 综合弹性模量综合弹性模量bEFbEFnnH418. 01212222121211111EEbFnH122121212EEEEE9-4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性磨损磨损-运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。 磨损逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态；磨损逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态； 剧烈磨损时，运动副间隙增大，机械的精度丧失，剧烈磨损时，运动副间隙增大，机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。应立即停车效率下降，振动、冲击和噪声增大。应立即停车检修、更换零件；检修、更换零件； 约约80的损坏零件因磨损而报废。的损坏零件因磨损而报废。

17、耐磨性耐磨性-零件抗磨损的能力。零件抗磨损的能力。 1、磨粒磨损、磨粒磨损 硬质颗粒（零件本身磨损造成的金属微硬质颗粒（零件本身磨损造成的金属微粒或外来的尘土杂质等）进入摩擦表面或摩擦粒或外来的尘土杂质等）进入摩擦表面或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落的现象。落的现象。2、粘着磨损（胶合）、粘着磨损（胶合） 零件表面有一定粗糙度，摩擦受载时，部零件表面有一定粗糙度，摩擦受载时，部分峰顶接触处压强很高，导致接触处发生粘着，分峰顶接触处压强很高，导致接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料转移（接触表面擦伤滑动时会使接触表面材料转移（接触表面擦伤

18、和撕脱，严重时摩擦表面相互咬死）。和撕脱，严重时摩擦表面相互咬死）。 3 3、疲劳磨损、疲劳磨损( (点蚀点蚀) ) 滚动或兼有滑动和滚动的高副（凸轮、齿轮等）滚动或兼有滑动和滚动的高副（凸轮、齿轮等）受载时材料表层接触应力很大，载荷重复作用，表受载时材料表层接触应力很大，载荷重复作用，表层金属呈小片状剥落，在零件表面形成小坑。层金属呈小片状剥落，在零件表面形成小坑。 4 4、腐蚀磨损、腐蚀磨损 摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。电化学反应的磨损。 实用耐磨计算实用耐磨计算1 1）限制运动副的压强）限制运动副的压强p防止过度磨损防止过度磨

19、损 即：即： p p 许用压强许用压强p由实验或同类机器使用经验确定。由实验或同类机器使用经验确定。2 2）限制运动副的）限制运动副的pv防止胶合防止胶合 即：即： pv v pv v 摩擦系数摩擦系数f f一定时，一定时，f fpv v代表运动副单位时间单位代表运动副单位时间单位接触面积的发热量。接触面积的发热量。9-5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择一、金属材料一、金属材料黑色金属黑色金属铁碳合金铁碳合金铁碳含金铁碳含金 铸铁铸铁(含碳量大于含碳量大于2) 钢钢(含碳量小于含碳量小于2)机械性能机械性能总体上，含碳量越高，材料强度硬度总体上，含碳量越高，材料强度硬度提高、

20、塑性下降。提高、塑性下降。 钢和铸铁钢和铸铁最常用，其次是最常用，其次是有色金属合金有色金属合金，非金属材非金属材料料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。 1 1、铸铁、铸铁 脆性材料脆性材料,不能辗压和锻造不能辗压和锻造 常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。 灰口铸铁灰口铸铁 HT150(抗拉强度抗拉强度150MPa ） 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 (抗拉强度抗拉强度500MPa，拉伸率，拉伸率7%） 具有高的强度、韧性和塑性。可用锻造、冲压、焊接。具有高的强度、韧性和塑性。可用锻

21、造、冲压、焊接。 按化学成分：按化学成分： 1）碳素钢）碳素钢含碳量不超过含碳量不超过0.7% （低中高碳钢）（低中高碳钢） 普通碳素钢普通碳素钢 Q235等等 (屈服强度屈服强度235MPa) 优质碳素钢优质碳素钢 45等等(含碳量含碳量 0.45% 左右）左右） 2）合金钢）合金钢钢中添加合金元素，如：钢中添加合金元素，如：40Cr 35CrMo 40CrNiMo 等等, 采用采用40CrNiMo制造钻具。制造钻具。 2 2、钢、钢3）铸钢）铸钢 液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造，液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造，壁厚常不小于壁厚常不小于10mm10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件。铸钢件

22、的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。应比铸铁件大些。 如：如：ZG230-450（屈服强度（屈服强度抗拉强度）抗拉强度） 表表9-2常用钢铁材料的力学性能常用钢铁材料的力学性能 表表9-2 3 3、有色金属合金（减摩、耐腐蚀）有色金属合金（减摩、耐腐蚀）1）铜合金）铜合金青铜青铜减摩性、耐磨、抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。减摩性、耐磨、抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。 2）轴承合金（称巴氏合金）轴承合金（称巴氏合金） 为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗胶合性好，主

23、要用于制作滑动轴承的轴承衬。胶合性好，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。 三、热处理三、热处理热处理类型热处理类型 1）退火）退火随炉冷却随炉冷却消除锻造、焊接内应力；消除锻造、焊接内应力； 2）正火）正火空气冷却，正火后硬度强度提高，消除空气冷却，正火后硬度强度提高，消除内应力方面不如退火；内应力方面不如退火； 3）淬火）淬火水冷或油冷，淬火后硬度强度提高较大，水冷或油冷，淬火后硬度强度提高较大，脆性增加、存在较大内应力；脆性增加、存在较大内应力；热处理概念热处理概念 固态钢材加热到一定温度，经过一定时间的保温，固态钢材加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却，可改变金属内部结构，

24、达到改然后以一定速度冷却，可改变金属内部结构，达到改变金属性能的方法。变金属性能的方法。（四把火）（四把火）4）回火）回火淬火后又加热冷却（低温、中温、高淬火后又加热冷却（低温、中温、高温）温）消除淬火后内应力和脆性。仍保持较高消除淬火后内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度；硬度、强度；5）调质）调质淬火高温回火，可获得强度、硬度、淬火高温回火，可获得强度、硬度、塑性、韧性等都较好的综合力学性能；塑性、韧性等都较好的综合力学性能；表面热处理：表面热处理： 1）表面淬火（火焰加热、感应电流加热）；）表面淬火（火焰加热、感应电流加热）；2）渗碳）渗碳低碳钢表面渗入碳元素低碳钢表面渗入碳元素耐磨；耐磨；3）渗氮）渗氮钢材表面渗入氮碳元素钢材表面渗入氮碳元素耐磨；耐磨；4）氰化）氰化碳氮共渗碳氮共渗耐磨。耐磨。2、工艺要求、工艺要求应考虑零件结构的复杂程度、尺应考虑零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯种类；寸大小和毛坯种类； 如：铸件适合外形复杂、批量生产，塑性差的材如：铸件适合外形复杂、批量生产，塑性差的材料不能冲压、锻造。料不能冲压、锻造。3、经济性要求、经济性要求不仅指材料本身的成本，还包括不仅指材料本身的成本，还包括加工制造费用、使用维护费用等。加工制造费用、使用维护费用等。四、如何选材四、如何选材1、使用要求、使用要求 根据使用要求合理选材与设计零件尺寸。根据使用要求