机械设计基础(第六版)第9章高教出版社

1、9.1 机械零件设计概述机械零件设计概述9.2 机械零件的强度机械零件的强度9.3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度9.4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性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9.6 公差与配合、表面粗糙度和公差与配合、表面粗糙度和 优先数系优先数系9.7 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论9.1 机械零件设计概论机械零件设计概论一、研究内容和要求一、研究内容和要求 研究内容：研究内容： 工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、工作原理、失效形式、常用材料、工作能力计算、 参数选取、结构设计。

2、参数选取、结构设计。 基本要求：基本要求：掌握：掌握： 零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法；零、部件的工作原理和特点；选用或计算方法； 结构设计和使用、维护知识。结构设计和使用、维护知识。学会：学会： 分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、分析零件的失效原因，提出改进措施；运用手册、 标准、规范标准、规范( (某产品的要求、规定某产品的要求、规定) )等有关资料。等有关资料。具有：具有： 设计设计( (或改进或改进) )通用零件或简单传动装置的能力。通用零件或简单传动装置的能力。 二、机械零件设计的特点二、机械零件设计的特点 1) 设计不完全依赖于计算设计不完全依赖于计算 经验设计

3、经验设计理论设计理论设计模型实验设计模型实验设计2) 很多计算的原则、方法、公式没有统一的标准很多计算的原则、方法、公式没有统一的标准 和形式和形式 3) 参数选取允许有一定的范围，因而导致设计结参数选取允许有一定的范围，因而导致设计结 果的多种多样果的多种多样9.1 机械零件设计概论机械零件设计概论只有部分零件可通过计算确定形状和尺寸。只有部分零件可通过计算确定形状和尺寸。部分零件仅根据工艺和结构要求进行设计。部分零件仅根据工艺和结构要求进行设计。三、机械零件的工作能力三、机械零件的工作能力 失失 效：效：工作能力：工作能力：承载能力：承载能力：四、常见失效形式及原因四、常见失效形式及原因强

4、度、刚度、耐磨性、温度、稳定性强度、刚度、耐磨性、温度、稳定性 9.1 机械零件设计概论机械零件设计概论机械零件由于某种原因不能正常工作。机械零件由于某种原因不能正常工作。不失效前提下，零件能安全工作的限度。不失效前提下，零件能安全工作的限度。以载荷衡量零件工作能力时。以载荷衡量零件工作能力时。断裂或塑性变形；断裂或塑性变形；连接的松弛；连接的松弛；工作表面过度磨损；工作表面过度磨损；强烈的振动；强烈的振动；过大的弹性变形；过大的弹性变形；摩擦传动的打滑；摩擦传动的打滑；9.1 机械零件设计概论机械零件设计概论五、机械零件的计算准则五、机械零件的计算准则 拟订零件的计算简图；拟订零件的计算简图

5、；六、机械零件的设计步骤六、机械零件的设计步骤强度准则强度准则( (整体强度和表面强度整体强度和表面强度) )；刚度准则；刚度准则；耐磨性准则；散热性准则；可靠性准则耐磨性准则；散热性准则；可靠性准则 确定作用在零件上的载荷；确定作用在零件上的载荷； 选择合适材料；选择合适材料； 判断零件失效形式，选用计算准则，确定零件尺寸判断零件失效形式，选用计算准则，确定零件尺寸 绘制零件工作图，标注技术条件。绘制零件工作图，标注技术条件。防止失效的判定条件（计算准则）防止失效的判定条件（计算准则） ： 计算量计算量 N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。应力应力与应力循环次数与应力

6、循环次数N 之间的关之间的关系曲线称为：系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线u 当当NN0 时，时，试件将不会断裂。试件将不会断裂。N0 - - 循环基数循环基数N0 对应的应力称为：对应的应力称为：CNNmmN011对应于对应于N 的弯曲疲劳极限：的弯曲疲劳极限：疲劳极限疲劳极限用用-1表示材料在表示材料在对称对称循环应力下的循环应力下的弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限。mNNN011u 当当N2%- - 含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性、可铸造成形状复杂的零件、良好的液态流动性、可铸造成形状复杂的零件、 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、较好的减震性、耐磨性、切削性（

7、指灰铸铁）、 成本低廉。成本低廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。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选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢特特 点：点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应应 用：用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。

8、表表9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格 材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235 （ 3342） 1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 9.5 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料

9、及其选择3、铜合金铜合金 铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：特点：良好的塑性和液态流动性；良好的塑性和液态流动性； 良好的减摩性和抗腐蚀性。良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：辗压、铸造。辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类：种类：青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金） 含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1、橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。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、带传动的常用作联轴器或减震器的弹性元件、带

10、传动的 胶带。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。胶带。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 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2、塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件；塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件； 不同塑料具有不同不同塑料具有不同特点特点，如耐蚀性、绝热性、，如耐蚀性、绝热性、 绝缘性、减摩性、摩擦系数大等；绝缘性、减摩性、摩擦系数大等； 近年来在机械制造中其应用日益广泛。近年来在机械制造中其应用日益广泛。 3、其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素：选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项

11、复杂的技术经济问题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。 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性零件材料零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和 机械设计手册中查得。机械设计手册中查得。 为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的 品种。品种。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表表9-1 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性

12、能材材 料料 力力 学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极限B 屈服极限屈服极限S 延伸率延伸率% % mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳优质碳素钢素钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d

13、 80 ZG270-500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚壁厚 1020QT400-15 400 250 15 球墨球墨铸铁铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚 302009.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数一、一、 公差与配合公差与配合互互 换换 性：性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满零件在装配时，不需要选

14、择和附加加工的就能满 足预期技术与使用要求的特性。足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸：基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误 差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而 言，总是有误差。言，总是有误差。或大或小基本尺寸基本尺寸轴轴25实际尺寸实际尺寸25.1轴轴24.9轴轴实际尺寸实际尺寸实际尺寸实际尺寸基本尺寸基本尺寸实际尺寸实际尺寸24.9孔孔25.1孔孔25孔孔9.6 公差与配合、表面粗糙度和优

15、先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数轴轴L LLmax轴轴Lmin轴轴Lmin孔孔L孔孔最小极限尺寸：最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；零件满足互换性要求的最小允许尺寸；最大极限尺寸：最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；零件满足互换性要求的最大允许尺寸；尺寸误差尺寸误差 ：实际尺寸与理论设计尺寸之差；实际尺寸与理论设计尺寸之差；上偏差上偏差 ：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es下偏差下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,eiesESe eiEI尺寸公差：尺寸公差：最大极限尺寸与

16、最小极限尺寸之差；最大极限尺寸与最小极限尺寸之差； 即允许的尺寸变动量。即允许的尺寸变动量。ES-EIes-ei 公差公差 = Lmax- - LminLmax孔孔= ES - - EI = es - ei9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数零线：零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；代表基本尺寸所在位置的一条直线；公差带：公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；轴轴LLmax轴轴Lmin轴轴零线零线+ +0 0- -零线零线L LESEI孔公差带孔公差带esei轴公差带轴公差带国标规定：国标规定：孔与轴各有孔

17、与轴各有28个，分别用如下符号表示：个，分别用如下符号表示：孔：孔：A、B 、C 、CD 、D、E、EF、F、FG 、G、H、 JS、K 、M 、N、P、R、S、T、U、V、W、X 、 Y、Z 、ZA、ZB、ZC轴：轴：a、b 、c、cd、d、e、ef、f 、fg、g、h 、js、k、 m、n、p 、r、s、t 、u 、v 、w、 x 、y、 z 、 za 、zb、 zc基本偏差：基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置 的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数

18、公差与配合、表面粗糙度和优先系数配合：配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系间隙或过盈：间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；间隙：间隙：代数差为代数差为“+”+”， 孔孔 轴；轴； 过盈：过盈：代数差为代数差为“-”-”， 孔孔 轴；轴； 公差等级：公差等级：国标规定了国标规定了20个等级，用阿拉伯数字：个等级，用阿拉伯数字：0 01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18表示。表示。标记方法：标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。

19、如：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7。常用公常用公差等级差等级的应用的应用4、5级用于特别精密的零件；级用于特别精密的零件；6、7、8级用于重要的零件；级用于重要的零件；8、9级用于中速及中等精度要求的零件；级用于中速及中等精度要求的零件；10、11级用于低速、低精度的零件。可直接采级用于低速、低精度的零件。可直接采棒材、管材、精密锻件而不用切削加工。棒材、管材、精密锻件而不用切削加工。9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数间隙间隙配合配合孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公

20、差带轴公差带过盈过盈配合配合过过渡渡配配合合孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmaxYmaxYmaxXminXmaxXmin= 0Ymin= 0轴公差带轴公差带XmaxYmin9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数零线零线DH孔公差孔公差kjshgefrpms间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合配合配合基准制基准制基孔制配合：基孔制配合：孔是基准孔，下偏差孔是基准孔，下偏差EI=0， 代号为代号为: :H ， 通过改变轴公差带来获得不同配合特性。通过改变轴公差带

21、来获得不同配合特性。基孔制配合基孔制配合基轴制配合基轴制配合应用广泛应用广泛 ，可减少孔加工刀具，可减少孔加工刀具 9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数零线零线hD轴轴公差公差KJSHGEFRPMS间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合基轴制配合：基轴制配合：轴是基准轴，上偏差轴是基准轴，上偏差es=0， 代号为代号为: :h ， 通过改变孔公差带来获得不同配合特性。通过改变孔公差带来获得不同配合特性。9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数二、二、 表面粗糙度表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰顶线轮廓峰

22、高轮廓峰高yp轮廓谷深轮廓谷深yv中线中线lyx定义：定义：零件表面的微观几何形状误差称为零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度表面粗糙度特征：特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数：评定参数：轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差-取样长度取样长度l内，被测轮廓内，被测轮廓 上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：01laRy dxl 11naiiRyn 近近似似为为：9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4

23、0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表表9-3 用不同加工方法得到的用不同加工方法得到的Ra 加工方法加工方法表面粗糙度表面粗糙度 Ra m精精 粗粗刨削刨削钻孔钻孔铰孔铰孔精精 粗粗镗孔镗孔精精 粗粗车车精精 粗粗磨磨精精 粗粗研磨研磨滚、铣滚、铣精精 粗粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。愈小，零件的加工成本愈高。9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：1. 对摩擦磨损的影响对摩擦磨损的影响摩擦系数摩擦系数Ra零件表面愈粗糙，摩擦系零件表面愈粗糙，摩擦系数愈

24、大。但光滑到一定程数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数生亲和力反而使摩擦系数增大。增大。2. 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。产生应力集中，使疲劳强度降低。3. 对耐腐蚀的影响对耐腐蚀的影响4. 对结合处密封性能的影响对结合处密封性能的影响5. 对振动和噪声的影响等等对振动和噪声的影响等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗

25、糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。9.6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数三、三、 优先数系优先数系优先数系优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。系列时，应该最大限度采用。产品的产品的主要参数主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率等按如：型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品优先数系形

26、成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。的标准化和系列化。优先数系是一个以公比为：优先数系是一个以公比为：qr= 10 的十进等比级数，的十进等比级数，rGB321-80规定了四个优先数系的基本系列：规定了四个优先数系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 409.7 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化一、一、工艺性工艺性零设要零设要件计求件计求使用要求使用要求-具备所要求的工作能力；具备所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工艺可

27、行，成本低；制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：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低。在具体的生产条件下，零件要便于加工且加工费用低。工艺性的基本要求：工艺性的基本要求：1) 毛坯选择合理毛坯选择合理制备方法：制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关，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；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、锻造、冲压等方法。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、

28、冲压等方法。9.7 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化2) 结构简单合理结构简单合理 最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合； 尽量减少加工面数和加工面积；尽量减少加工面数和加工面积；3) 合理的制造精度和表面粗糙度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。零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。 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。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。 尽量采用标准件；尽量采用标准件； 增加相同形状、相同元素的数量；增加相同形状、相同元素的数量；直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等4) 尽量减小零件的加工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。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。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。 尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等尽量采用精密铸造、精密锻造