第9章机械零件设计概论

1、第第9章章 机械零件设计概论机械零件设计概论91 机械零件设计概论机械零件设计概论92 机械零件的强度机械零件的强度93 机械零件的接触强度机械零件的接触强度94 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性95 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择96 公差与配合、表面粗糙度和优先数系公差与配合、表面粗糙度和优先数系97 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化91 机械零件设计概论机械零件设计概论机械设计应满足的要求：机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在预定使用期限内，在预定使用期限内安全可靠，操作方

2、便、维修安全可靠，操作方便、维修简单简单和和造型美观造型美观等。等。机械零件的失效：机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。失效。工作能力工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：又称为：承载能力。承载能力。零件的失效形式零件的失效形式: 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；联接发生强烈的振动；联接的松

3、弛的松弛; 摩擦传动的打滑等。摩擦传动的打滑等。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：强度条件：计算应力计算应力许用应力；许用应力；机械零件设计的步骤：机械零件设计的步骤： 1)拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图; 5) 绘制工作图并标注必要的技术条件。绘制工作图并标注必要的技术条件。 防止失效的判定条件是：防止失效的判定条件是： 计算量计算量许用量许用量 -工作能力计算准则。工作能力计算准则。2) 确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷; 3) 选择合适的材料选择合适的

4、材料; 4) 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定 条件，确定零件的形状条件，确定零件的形状 ; 注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整 失效原因失效原因: 强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等 原因。原因。刚度条件：刚度条件：变形量变形量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循环次数N N 之间之间的关系曲线称为：的关系曲线称为：疲劳曲线疲劳曲线当当NNNN0 0 时时, ,试件将不会断裂。试件

5、将不会断裂。N N0 0 -循环基数循环基数N N0 0 对应的应力称为：对应的应力称为：CNNmmN011当当NNN2%-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）、成本低较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。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。选用原则：选用原则： 优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、

6、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。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表9-2 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

7、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 3.3.铜合金铜合金- -铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰、锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：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（

8、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. 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、带传动的胶带常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 2. 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，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在

9、性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。机械制造中其应用日益广泛。 3.3.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、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工艺性能机械工艺性能、经济经济性。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。和机械设计手册

10、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。的品种。表表9-1 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 B 屈服极限屈服极限S S 延伸率延伸率% mm% 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 优质碳素优质碳素结构钢结构钢35 530 315 20 d 25 45 600

11、 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 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 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3

12、 壁厚壁厚3020096 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换性：互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就零件在装配时，不需要选择和附加加工的就 能满足预期技术与使用要求的特性。能满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。相对于有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于 基本尺寸而言，总是有误差。基本尺寸而言，总是有误差。或

13、大或小基本尺寸基本尺寸轴轴2525实际尺寸实际尺寸25.125.1轴轴24.924.9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24.924.9孔孔25.125.1孔孔2525孔孔轴轴L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴L Lminmin孔孔LL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

14、；符号：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,esES,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,eiEI,eiesesESESeieiEIEI尺寸公差：尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。允许的尺寸变动量。ES-EIES-EIes-eies-ei公差公差= =L Lmaxmax- - L LmaxmaxL Lmaxmax孔孔=ES-EI=ES-EI =es-ei=es-ei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

15、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L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴零线零线+ +0 0- -零线零线L LESESEIEI孔公差带孔公差带eseseiei轴公差带轴公差带国标规定：孔与轴各有国标规定：孔与轴各有2828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 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 ZCU V W X Y Z ZA ZB ZC轴：轴：a b c cd

16、 d e ef f fg g h js k m n p r s t 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 zcu 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。位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔孔+ +0 0- -基本尺寸基本尺寸bccddeefaffgg hkmnp rs tuvxyzzazbzcjs

17、轴轴+ +0 0- -基本尺寸基本尺寸孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H 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 JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCZA ZB ZC轴：轴：a b c cd d e ef f fg g h 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 js k m n p r s t u v w x y z za zb zcza zb zc基本偏差系列基本偏差系列呈正态分布配合：配合：基本

18、尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间 的关系；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，用于可动联接，如活动铰链；轴，用于可动联接，如活动铰链； 孔孔 轴，用于静联接，如火车轮与轴。轴，用于静联接，如火车轮与轴。 可能有间隙，也可能具有过盈。用于可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；的静联接，如齿轮与

19、轴；最大间隙最大间隙: : X Xmaxmax = = 孔孔maxmax- -轴轴minmin最小间隙最小间隙: : X Xminmin = = 孔孔minmin- -轴轴max max 最大过盈最大过盈: : Y Ymaxmax = = 孔孔minmin- -轴轴max max 最小过盈：最小过盈： Y Yminmin = = 孔孔maxmax- -轴轴min min 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差带轴公差带过盈过盈配合配合过渡配合过渡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

20、公差带轴公差带孔公差带孔公差带Y YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxY YmaxmaxX XminminX XmaxmaxX Xminmin= 0= 0Y Yminmin= 0= 0轴公差带轴公差带X XmaxmaxY Yminmin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=0EI=0， 代号为代号为:H :H ， 通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。通过改变轴的

21、公差带来或得各种不同的配合特性。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 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eses=0=0， 代号为代号为:h :h ， 通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。基孔制常用与优先配合的选用基孔制常用与优先配合的选用基轴制常用与优先配合的选用基轴制常用与优先配合的选用二、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高

22、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 l内，被测内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：dxylRla01niiaynR11近似为：0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表表9-3 用不同加工

23、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。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，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。2. 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集

24、中，使疲劳强度降低。易产生应力集中，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。三、三、 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，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参的分

25、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。数或参数系列时，应该最大限度采用。产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率产品的主要参数如：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，以实现产品的标准化和系列化。实现产品的标准化和系列化。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

26、10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40优先数系的基本系列优先数系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.

27、50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 优先数优先数-表中任意一个数值。表中任意一个数值。 大于大于10的优先数，可将表数值分别乘以的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000 。 97 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、工艺性工艺性零件设零件设计要求计要求使用要求

28、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，零件要便于加工而加工费用又在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。很低。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

29、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、冲压等方法。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。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，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（直径、圆角半径、配合、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；螺纹、键、齿轮模数等）的数量；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