第九章 机械零件设计概论

1、 9-1 机械零件设计概述 9-2 9-4 机械零件的工作能力准则 9-5 常用材料及其选择 9-6 极限与配合、表面粗糙度和优先系数 9-7 机械零件的工艺性和标准化基本要求基本要求: : 掌握零件常见的失效形式和设计准则掌握零件常见的失效形式和设计准则 掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法掌握许用应力、安全系数的概念及确定方法 了解零件的常用材料及性能了解零件的常用材料及性能机械设计基础机械零件设计概论前前 言言 例: 机构齿轮机构(三个构件) 齿轮1 、齿轮2、机架3 轴、轴承、套筒等 轴系零件 构件零件零件制造的单元制造的单元齿轮 传动件 键 联接件 12(构件构件1) 小齿轮3(一

2、一) 机械零件的简介机械零件的简介:最基本的通用零件机原研究机原研究 对象对象机构构件运动的单元机设研究机设研究 对象对象机械设计基础机械零件设计概论传动零件轴系零件联接零件附件机架 机械零件机械零件一般尺寸参数的通用机械零件的设计总论螺纹联接键联接 齿轮传动蜗杆传动带传动链传动轴滑动轴承 滚动轴承联轴器与离合器繁杂（门类多、关系多、要求多、 公式多 、图形多、表格多）(二二)课程特点与学习方法课程特点与学习方法研究对象研究对象: 讲课顺序讲课顺序:通用零件专用零件（机架、手柄、车轮.）分析处理问题的思路分析处理问题的思路:特点特点：机械设计基础机械零件设计概论分析处理问题的思路分析处理问题的

3、思路：（任务）设计零件*受力分析受力分析（*载荷及应力分析功用、*工作原理） *失效形式失效形式（*主要失效形式分类）*计算准则计算准则（公式建立的依据） 强度计算强度计算（*设计方法先定主参数* *许用应力 材料） 结构设计结构设计（尺寸及绘图结构特点、标准）(抓住)计算准则计算准则 学习贯穿一条线：机械设计基础机械零件设计概论一、机械零件分类二、机械零件设计基本要求三、机械零件设计过程四、机械零件传统设计方法机械设计基础机械零件设计概论一、机械零件分类一、机械零件分类机器：机器：机械、机构的总称机械、机构的总称构件构件运动的单元运动的单元零件零件制造的单元制造的单元 通用通用零件零件传动件

4、：传动件：齿轮、蜗杆、带、链齿轮、蜗杆、带、链联接件联接件：螺栓、键、花键：螺栓、键、花键支承件：支承件：轴、轴承轴、轴承机械零件机械零件专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴专用零件：水轮机叶片、活塞、曲轴,飞机螺旋桨飞机螺旋桨 其它：其它：联轴器、弹簧、机架联轴器、弹簧、机架机械设计基础机械零件设计概论二、机械零件设计基本要求二、机械零件设计基本要求1、满足功能要求，能够准确实现预定的功能、满足功能要求，能够准确实现预定的功能2、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效、工作可靠，在预定的工作期限内不能失效3、经济性要求、经济性要求机械设计基础机械零件设计概论三、机械零件设计过程三、机械零件设计过程

5、v零件设计时的共性：零件设计时的共性：v过程：过程：1、拟订零件的设计简图、拟订零件的设计简图2、确定载荷的大小及位置、确定载荷的大小及位置3、选择材料、选择材料4、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数、根据失效形式选用判定条件，设计出零件的主要参数5、绘制零件工作图、绘制零件工作图工作原理、结构、工作原理、结构、类型、应用场合类型、应用场合受力分析、受力分析、失效形式失效形式设计准则、设计准则、设计计算设计计算机械设计基础机械零件设计概论四、机械零件传统设计方法四、机械零件传统设计方法v理论设计理论设计(半经验设计半经验设计)：v类比设计：类比设计：与已有的同类产品进行比较来设计新

6、产品。这种方法在与已有的同类产品进行比较来设计新产品。这种方法在工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠工程实际中用得较多，特点是节省时间，较可靠v经验设计：经验设计：根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺根据实践中归纳出的经验公式和经验数据进行设计，缺乏创新乏创新v模型实验设计：模型实验设计：用于大型、复杂零件的设计用于大型、复杂零件的设计强度条件强度条件(或刚度或刚度) 设计计算设计计算尺寸尺寸校核计算校核计算强度条件强度条件(或刚度或刚度)机械设计基础机械零件设计概论一、机械零件常见失效形式二、工作能力准则三、强度准则四、刚度准则五、耐磨性准则六、振动稳定性准则七、耐热性准则

7、机械设计基础机械零件设计概论一、机械零件常见失效形式一、机械零件常见失效形式v失效：失效：丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指丧失工作能力或达不到设计要求的性能，不仅仅指破坏破坏常见主要失效形式有：常见主要失效形式有：v断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂v表面点蚀：工作表面片状剥落表面点蚀：工作表面片状剥落v塑性变形：零件发生永久性变形塑性变形：零件发生永久性变形v过大弹性变形过大弹性变形v表面破坏表面破坏v过大振动和噪声、过热等过大振动和噪声、过热等v例如轴可能的失效形式：例如轴可能的失效形式：断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振

8、强度问题强度问题刚度问题刚度问题耐磨性问题耐磨性问题Fn机械设计基础机械零件设计概论二、工作能力准则二、工作能力准则v工作能力：工作能力：不失效条件下零件的安全工作限度不失效条件下零件的安全工作限度v这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又这个限度通常是以零件承受载荷的大小来表示，所以又常称为常称为“承载能力承载能力”v如：如：v吊钩最大起重量吊钩最大起重量50 kNv工作能力或承载能力工作能力或承载能力50 kNv工作能力准则：工作能力准则：衡量零件工作能力的指标衡量零件工作能力的指标v对零件设计，针对其主要失效形式选择适对零件设计，针对其主要失效形式选择适合的工作能力准则进行设计合

9、的工作能力准则进行设计v具体有：具体有：强度准则、刚度准则、耐磨性准强度准则、刚度准则、耐磨性准则、振动稳定性准则、耐热性准则则、振动稳定性准则、耐热性准则50 kN机械设计基础机械零件设计概论三、强度准则三、强度准则v机械零件工作能力的最基本准则机械零件工作能力的最基本准则v强度：强度：材料抵抗断裂或残余变形的能力材料抵抗断裂或残余变形的能力v强度准则：强度准则：工作应力工作应力许用应力许用应力v 或或 v针对失效形式：针对失效形式：断裂、疲劳破坏、残余变形断裂、疲劳破坏、残余变形v典型零部件：典型零部件：轴、齿轮、轴、齿轮、 带轮等带轮等正应力正应力剪应力剪应力机械设计基础机械零件设计概论

10、v材料极限应力一般在简单应力状态材料极限应力一般在简单应力状态 下用实验方法测定下用实验方法测定,注意适用范围注意适用范围SlimSlim许用应力许用应力极限应力极限应力安全系数安全系数(一)载荷及其分类 名义载荷名义载荷 载荷系数载荷系数 计算载荷计算载荷 名义应力名义应力 计算应力计算应力1.基本定义:(二)应力及分类:(三)机械零件的强度计算(四)机械零件的接触强度2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化)静载荷变载荷机械设计基础机械零件设计概论理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷K（或（或KA）载荷：载荷：作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩v计算载荷计算载荷=K 名义载荷名义

11、载荷 KF,KT,KM载荷系数载荷系数（二）应力及分类（二）应力及分类v静应力：静应力：不随时间改变或变化缓慢的应力不随时间改变或变化缓慢的应力v变应力：变应力：随时间作周期性或非周期性变化的应力随时间作周期性或非周期性变化的应力 稳定变应力（稳定变应力（随时间作周期性随时间作周期性） 不稳定变应力（不稳定变应力（非周期性循环变应力非周期性循环变应力）机械设计基础机械零件设计概论v稳定变应力：稳定变应力：对称循环变应力、对称循环变应力、脉动循环变应力、非对称循环变脉动循环变应力、非对称循环变应力应力t tminmaxm应力参数应力参数v以正应力以正应力 为例为例v最大应力最大应力: max=

12、m+ av最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: a机械设计基础机械零件设计概论v平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: r2minmaxa2minmaxmmaxminr11 rt minmax m1 静应力静应力v应力表达：应力表达： +1（ +1 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论t m0amminmax1r2 脉动循环变应力脉动循环变应力v应力表达：应力表达： 0（ 0 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均

13、应力: mv循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论 mt 0min 2max ma0 r3 对称循环变应力对称循环变应力v应力表达：应力表达： 1（ 1 ）v最大应力最大应力: maxv最小应力最小应力: minv应力幅应力幅: av平均应力平均应力: mv循环特征循环特征: r机械设计基础机械零件设计概论tminmax 0 m 1 rminmax atttt非对称对称=1脉动= 0 静=+14 4 极限应力极限应力（1） 静应力下的极限应力静应力下的极限应力v与材料性能有关与材料性能有关v脆性材料取强度极限脆性材料取强度极限 B( B)机械设计基础机械零件设计概论v塑性材料取屈服

14、极限塑性材料取屈服极限 S( S) Be e 玻璃钢玻璃钢灰口铸铁灰口铸铁e e p S BA AB BCDE（2）变应力下的极限应力）变应力下的极限应力v疲劳极限：疲劳极限：依据防疲劳断裂的准依据防疲劳断裂的准则确定则确定v材料经过材料经过N0次应力循环不发生破次应力循环不发生破坏的应力最大值坏的应力最大值 r( r)机械设计基础机械零件设计概论v各种材料的各种材料的 r可从有关手册中查取可从有关手册中查取0NNNrNr有限寿命区无限寿命区机械零件的强度计算机械零件的强度计算 强度计算通式 lim=（正应力） lim = （切应力） 关键: 的计算 的取值失效形式失效形式： 许用应力许用应力

15、 塑性材料过大的残余变形(正确运用材力有关公式)：复合应力复合应力：材料力学基本强度理论1静应力作用下的强度计算 脆性材料断裂/S屈服极限/S强度极限二变应力作用下的强度计算 简单应力简单应力:（单向应力） 拉 ； 弯 ; 剪 ; 扭计算应力计算应力机械设计基础机械零件设计概论（常用材料表（常用材料表9-1）2变应力作用下的强度计算（P113114） （1）失效形式）失效形式: =r /S ；=r/S 疲劳极限 = ?rr（2）许用应力）许用应力:零件本身零件本身应力集中(有效应力集中系数）绝对尺寸(尺寸系数)表面状态(表面状态系数) （）疲劳曲线）疲劳曲线 疲劳断裂与应力性 质、大小、有关）

16、-1、0、+1 (应力性 质)疲劳曲线零件本身许用应力（3）计算应力）计算应力 （4）安全系数）安全系数（图9-2 p.114)机械设计基础机械零件设计概论、 p.115 公式(9-8) (9-9)（9-10）零件本身零件本身:疲劳曲线疲劳曲线：当当NN0 : rN= -1 当当 -1无限循环不破坏当当NN0 :N1N0rNNN0循环基数CNmrNrN：对应N的疲劳极限图图9-3 p.114N rN 1:=1的疲劳极限(N=N0)许用应力许用应力:Sk e11Sk e00对称:=1脉动:= 001NNmmrN机械设计基础机械零件设计概论NrmrrNKNN0（3）计算应力计算应力: (max 、

17、min) 简单应力max ；max 复合应力材料力学基本强度理论（4）安全系数）安全系数: 机械设计基础机械零件设计概论 静应力静应力 塑性材料：屈服极限为极限应力，S=1.2 1.5 脆性材料：强度极限为极限应力，S=3 4 交变应力交变应力疲劳极限作为极限应力， S=1.3 1.7（材料 不均匀时S=1.7 2.5）部分系数法： S=S1S2S3 S1：考虑载荷、应力计算的准确性（11.5) S2：考虑材料力学性能的均匀性（铸铁（铸铁:1.52.5, 钢钢:1.21.5） S3：考虑零件的重要性（11.5)v安全系数安全系数许用应力许用应力结构笨重结构笨重v安全系数安全系数许用应力许用应力

18、不够安全不够安全1 接触应力的产生接触应力的产生点或线接触所产生的应力点或线接触所产生的应力（四）机械零件的接触强度（四）机械零件的接触强度接触应力接触应力局部应力局部应力 不同与挤压应力不同与挤压应力2 接触应力的性质接触应力的性质（1） 接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大机械设计基础机械零件设计概论LEEFcaH222121211111 赫兹公式 P119（9-14）（2） 两物体上应力大小相等3 接触应力的计算公式接触应力的计算公式影响接触应力的因素：曲率半径曲率半径材料材料接触线长度接触线长度机械设计基础机械零件设计概论四、刚度准则四、刚度

19、准则v刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力v刚度准则：刚度准则：实际变形量实际变形量许用变形量许用变形量弯曲刚度：挠度条件：弯曲刚度：挠度条件： y y 倾角条件：倾角条件： 扭曲刚度：扭角条件：扭曲刚度：扭角条件：j j j jv针对失效形式：针对失效形式：过大的弹性变形过大的弹性变形v典型零部件：典型零部件：轴、蜗杆等轴、蜗杆等机械设计基础机械零件设计概论五、耐磨性准则五、耐磨性准则v耐磨性：耐磨性：零件抗磨损的能力零件抗磨损的能力v磨损是相当复杂的物理化学过程磨损是相当复杂的物理化学过程v影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、润滑影响磨损的因素包括载荷的大小和

20、性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等剂的化学性质和物理性质等v具体有：具体有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损蚀磨损、微动磨损v耐磨性准则：耐磨性准则： vP 高速时，应满足高速时，应满足 v针对失效形式：针对失效形式：零件表面破坏零件表面破坏v典型零部件：典型零部件：齿轮、轴承、链等齿轮、轴承、链等机械设计基础机械零件设计概论六、振动稳定性准则六、振动稳定性准则v共振：共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增相同或整数倍时，就会发生

21、共振，此时振幅急剧增大，导致零件破坏或机器工作条件失常等大，导致零件破坏或机器工作条件失常等v振动稳定性准则：振动稳定性准则：机器工作时振幅不能超过许可值机器工作时振幅不能超过许可值v针对失效形式：针对失效形式：共振产生的工作失常共振产生的工作失常v典型零部件：典型零部件：轴等轴等机械设计基础机械零件设计概论七、耐热性准则七、耐热性准则v高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的间隙，降低精度等的间隙，降低精度等v耐热性准则：耐热性准则：工作温度低于许用值工作温度

22、低于许用值v针对失效形式：针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变高温引起的润滑不良、蠕变v典型零部件：典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等蜗杆、齿轮、滑动轴承等机械设计基础机械零件设计概论一、常用材料二、热处理方法三、材料力学性能指标四、材料选择原则机械设计基础机械零件设计概论一、常用材料一、常用材料常用零件材料的力学性能等级和牌号常用零件材料的力学性能等级和牌号1 铸铁：铸铁：含含2.06易成型、价廉、吸振、可靠性差易成型、价廉、吸振、可靠性差v灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁2 钢：钢：含量含量1.4常用常用v碳素钢碳素钢：（含、量不同）（含、量不同）普通碳素钢、优质碳素

23、钢普通碳素钢、优质碳素钢v合金钢：合金钢：综合机械性能好，但较贵综合机械性能好，但较贵v合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理合金钢的优良性能取决于化学成份及热处理v铸钢：铸钢：含含（0.150.6）易成型易成型3 有色金属合金：有色金属合金：有特殊性能，价昂有特殊性能，价昂少用少用v铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金铝合金、铜合金（黄铜、青铜）、轴承合金4 非金属材料：非金属材料：v工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料工程塑料、橡胶、烧结材料、复合材料机械设计基础机械零件设计概论二、热处理方法二、热处理方法1 退火2 正火3 淬火4 回火5 表面热处理机械设计基础机械零件设计概论热处理比较

24、热处理比较1 退火退火v降低硬度、提高韧性、细化晶粒、降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力消除内应力2 正火正火v用于处理低中碳钢，代替低中碳钢用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，的退火。提高硬度，增加韧性， 易易于切削，减少应力于切削，减少应力3 淬火（蘸火）淬火（蘸火）v提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火回火 v消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性v低温回火：低温回火：高强度、高硬度及良好的耐磨性高强度、高硬度及良好的耐磨性v中温回

25、火：中温回火：高弹性、硬度中等高弹性、硬度中等v高温回火：高温回火：强度、塑性、韧性都较好强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温回火高温回火)正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度机械设计基础机械零件设计概论表面热处理表面热处理v表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表面增硬，芯部韧v表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热）v化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）机械设计基础机械零件设计概论三、材料力学性能指标三、材料力学性能指标v弹性极限：弹性极限： Pv抗拉强度：抗拉强度： B v屈服

26、强度：屈服强度： S ( 0.2 )v硬度：硬度：vHBS:布氏硬度布氏硬度v硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般HBS450vHRC、HRB、HRA:洛氏硬度洛氏硬度v120金刚石锥体，载荷金刚石锥体，载荷150kgf,不能册硬、脆的薄层零件不能册硬、脆的薄层零件vHV:维氏硬度维氏硬度v136 金刚石四角锥体，载荷小，金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgfv显微硬度显微硬度v三种硬度单位之比较：三种硬度单位之比较：vHV(维氏维氏) HBS(布氏布氏)；HRC(洛氏洛氏)10 HBS p S Be e A AB BCDE机械设计基础机械零件设计概论四、材料选择原则四、材料选择原则v使用要求：使用要求：使用环境、载荷性质、结构、重要程度使用环境、载荷性质、结构、重要程度.v工艺要求：工艺要求：零件及其毛坯的形状、批量、加工方法零件及其毛坯