常用机械零件的设计

第2章机械零件的设计2.1机械零件的失效形式和设计准则概述2.2机械零件设计的基本要求和一般程序2.3机械零件材料的选用原则及常用材料2.1机械零件的失效形式和设计准则概述

2.1.1机械零件的主要失效形式

失效:机械零件在设计预定的期间内和规定条件下，不能完成正常的功能。机械零件失效的形式:整体断裂、塑性变形、腐蚀、磨损、胶合和接触疲劳一般设计机械零件的判据:静强度、疲劳强度、摩擦磨损1．静强度失效机械零件在受拉、压、弯、扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的静应力超过零件的强度极限而发生断裂或破坏。例如，螺栓受拉后被拉断和键或销的剪断或压溃等均属于此类失效。此外，当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生塑性变形。塑性变形将导致精度下降或定位不准等，严重影响零件的正常工作，因此也属于失效。2．疲劳强度失效大部分机械零件是在变应力条件下工作的，变应力的作用可以引起零件疲劳破坏而导致失效。另外，零件表面受到接触变应力长期作用也会产生裂纹或微粒剥落的现象。疲劳破坏是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式，是引起机械零件失效的重要原因。例如，轴受载后由于疲劳裂纹扩展而导致断裂、齿根的疲劳折断和点蚀以及链条的疲劳断裂等都是典型的疲劳破坏。机械零件的静强度失效是由于静力超过了屈服极限，并在断裂发生之前，往往出现很大的变形，因此静强度失效往往是可以发现，并可以预知的。疲劳强度失效逐步形成但很难事先预知，因此它危害更大。3．摩擦学失效摩擦学失效主要是腐蚀、磨损、打滑、胶合和接触疲劳。

腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象，其结果将使零件表面产生锈蚀而使零件的抗疲劳能力降低。

磨损是两个接触表面在作相对运动的过程中，表面物质丧失或转移的现象。

胶合是由于两相对运动表面间的油膜被破坏，在高速、重载的工作条件下，发生局部粘在一起的现象，当两表面相对滑动时，相粘结的部位被撕破而在表面上沿相对运动方向形成沟痕，称为胶合。接触疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。有些零件只有在满足某些工作条件下才能正常工作。例如，液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作，否则滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效，属于摩擦学失效。又如，带传动的打滑和螺纹的微动磨损也是摩擦学失效的例子。

4．其他失效除了以上指出的主要失效形式，机械零件还有其他一些失效形式，如变形过大的刚度失效、不稳定失效等等。此外，机械零件的具体失效形式还取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及所产生的应力性质等多种因素。即使同一种零件，由于工作情况及机械的要求不同，也可能出现多种失效形式。例如齿轮传动可能出现轮齿折断、磨损、齿面疲劳点蚀、胶合或塑性变形等失效形式。1．静强度准则

静强度是保证机械零件在静载荷工况条件下能正常工作的基本要求。零件的强度不够，就会出现整体断裂或塑性变形等失效形式而丧失其工作能力，甚至导致安全事故。2.1.2机械零件的设计准则式中，、—是零件的工作正应力和剪应力；[] （2.1a）或[] （2.1b）

强度准则就是指零件中的最大应力小于或等于许用应力，即[]、[]—材料的许用正应力和许用剪应力，它们可以通过将材料的屈服极限（塑性材料）或是强度极限（脆性材料）除以适当的安全系数得到。

2．疲疲劳强强度准准则疲劳强强度是保证证机械械零件件在变变载荷荷工况况条件件下，，能正正常工工作一一定时时间的的基本本要求求。零零件疲疲劳强强度不不够，，就会会在其其工作作寿命命期间间内出出现疲疲劳断断裂、、疲劳劳点蚀蚀等失失效形形式而而丧失失工作作能力力，甚甚至导导致安安全事事故。。 （2.2a）或 （2.2b）疲劳强强度准准则与式（（2.1））类似似，但但是疲疲劳强强度的的许用用应力力要按按下式式计算算：式中，，S、、S—疲劳劳强度度的正正应力力和剪剪应力力的安安全系系数；；lim、lim—材料料的疲疲劳极极限正正应力力和剪剪应力力。特别需需要指指出：：按疲疲劳强强度设设计时时，因因为载载荷是是变化化的，，零件件的工工作应应力不不再是是简单单的正正应力力或剪剪应力力，除除了必必须考考虑应应力的的均值值和变变化幅幅值的的大小小外，，还必必须考考虑载荷变变化规规律的的影响响。另外外，疲疲劳强强度与与许多多因素素（如如载荷荷性质质、零零件尺尺寸、、表面面加工工精度度、应应力集集中情情况等等）有有关，，因此此在这这类机机械零零件的的设计计过程程中必必须根根据具具体工工况加加以修修正。。3．摩摩擦学学设计计准则则耐磨性性是指作作相对对运动动零件件的工工作表表面抵抵抗磨磨损的的能力力。机机械零零件磨磨损后后，将将改变变其尺尺寸与与形状状，降降低机机械的的工作作精度度，削削弱其其强度度。据据统计计，由由于磨磨损而而导致致失效效的零零件约约占全全部报报废零零件的的80%。。由于目目前对对磨损损的计计算尚尚无可可靠、、定量量的计计算方方法，，因此此常采采用条条件性性计算算。验算压强p不超过过许用用值，，以保保证工工作面面不致致产生生过度度磨损损；验算压强和和速度度乘积积pV值不超过过许用用值，，以限限制单单位接接触表表面上上单位位时间间内产产生的的摩擦擦功不不致过过大，，可防防止发发生胶胶合破破坏；；验算工作速速度V。p[p]（（2.3a））pv[pv]（2.3b）v[v]（（2.3c）以上准准则可可写成成:式中，，p—工作作表面面的压压强，，MPa；；[p]—材材料的的许用用压强强，MPa；V—工作作速度度，m/s；[pv]——pv的许用用值，，MPam/s；[v]——v的许用用值，，m/s。。4．其其他准准则刚度：：零件在在载荷荷作用用下抵抵抗弹弹性变变形的的能力力。若零件件刚度度不够够，其其弯曲曲挠度度或扭扭转角角超过过允许许的限限度后后，将将影响响机械械系统统正常常工作作。例例如车车床主主轴的的弹性性变形形过大大，将将影响响加工工精度度；齿齿轮轴轴的挠挠度过过大，，将影影响一一对齿齿轮的的正确确啮合合，并并会增增加载载荷沿沿齿宽宽分布布的不不均匀匀性。。（1））刚度度准则则y[y]（（2.4a）[]（（2.4b）[]（（2.4c））机械零零件在在载荷荷作用用下所所产生生的弹弹性变变形量量应小小于或或等于于机器器工作作时所所允许许的弹弹性变变形量量的极极限值值，即即式中，，y、、－零件件工作作时的的挠度度、偏偏转角角和扭扭转角角；[y]、[]、[]－零零件的的许用用挠度度、许许用偏偏转角角和扭扭转角角。（2））可靠靠性准准则满足强强度要要求的的一批批完全全相同同的零零件，，在规规定的的工作作条件件下和和规定定的使使用期期限内内，并并非所所有零零件都都能完完成规规定的的功能能，必必有一一定数数量的的零件件会丧丧失工工作能能力而而失效效。可靠度度：机械零零件在在规定定的工工作条条件下下和规规定的的使用时时间内内完成成规定定功能能的概概率。。可靠度度是衡衡量机械零零件可可靠性性的一个个特征征量，，零件件的可可靠度度本身身是一一个时间的的函数数。为了了保证证所设设计的的零件件具有有所需需的可可靠度度，就就要对对零件件进行行可靠靠性设设计。。2.2机机械械零件件设计计的基基本要要求和和一般般程序序2.2.1机机械零零件设设计的的基本本要求求1．强强度机械零零件的的强度度不够够，就就会在在工作作中发发生断断裂或或不允允许的的残余余变形形等。。因此此具有有适当当的强度是设计计机械械零件件时必必须满满足的的最基本本要求求。提高机机械零零件的的强度度措施：(5)提提高高运动动零件件的制制造精精度，，以降降低工工作时时的动动载荷荷。合理地地配置置机器器中各各零件件的相相互位位置，，以降降低作作用于零零件上上的载载荷。。(1)采采用用强度度高的的材料料。(2)使使零零件有有足够够的截截面尺尺寸。。(3)合合理理设计零零件的截截面形状状，以增增大截面面的惯性性矩。采用热处处理和化化学处理理的方法法来提高高材料的的机械强度特性性。2．刚度度机械零件件在工作作时所产产生的弹弹性变形形量不超超过允许许的限度度，就满满足了刚刚度要求求。通常常只有当当弹性变变形过大大就要影影响机器器工作性性能的零零件（如如机床主主轴、导导轨等）），才需需要满足足这项要要求。对对于这类类零件，，设计时时除了要要作强度度计算外外，还必必需作刚刚度计算算。实践践证明，，能满足足刚度要要求的零零件，通通常其强强度总是是足够的的。提高高机机械械零零件件的的刚刚度度措施施：(1)增大大零零件件截截面面尺尺寸寸或或增增大大截截面面的的惯惯性性矩矩。。(2)缩缩短短支支承承跨跨距距或或采采用用多多支支点点结结构构，，以以减减小小挠挠曲曲变变形形。。(3)增增大大贴贴合合面面以以降降低低压压力力，，可可提提高高接接触触刚刚度度。。(4)采采用用精精加加工工以以降降低低表表面面不不平平度度。。3．．寿寿命命寿命命：：机械械零零件件不不发发生生失失效效而而正正常常工工作作所所延延续续的时间。影响零件寿寿命的主要要因素有：：材料的疲疲劳、腐蚀蚀以及相对对运动零件件接触表面面的磨损等等。4．．可可靠靠性性对于于绝绝大大多多数数的的机机械械来来说说，，失失效效的的发发生生都都是是随随机机性性的的。。造成成失失效效具具有有随随机机性性的的原原因因，，主主要要是是由由于于零零件件所所受受的的载载荷荷、、环环境境、、温温度度等等工工况况条条件件是是随随机机变变化化的的，，零零件件本本身身的的物物理理及及机机械械性性能能也也是是随随机机变变化化的的，，因因此此为为了了提提高高零零件件的的可可靠靠性性，，就就应应当当在在工工作作条条件件和和零零件件性性能能两两个个方方面面使使其其随随机机变变化化尽尽可可能能地地小小。。此此外外，，在在使使用用中中加加强强维维护护和和对对工工作作条条件件进进行行监监测测，，也也可可以以提提高高零零件件的的可可靠靠性性。。5．．结结构构工工艺艺性性机械械零零件件应应具具有有良良好好的的结结构构工工艺艺性性，，以以便便于于加加工工和和装装配配。。为为此此，，应应对对机机械械零零件件进进行行合合理理而而正正确确的的结结构构设设计计；；此此外外零零件件的的结结构构工工艺艺性性还还应应从从毛毛坯坯制制造造、、机机械械加加工工和和装装配配几几个个生生产产环环节节来来综综合合考考虑虑。。6．．经经济济性性机械械零零件件的的经经济济性性主主要要表表现现在在零零件件本本身身的的生生产产成成本本上上。。设设计计时时应应力力求求设设计计出出成成本本最最低低的的零零件件。。零零件件的的成成本本包包括括材材料料的的消消耗耗、、零零件件的的加加工工制制造造等等。。设设计计时时尽尽量量采采用用简简单单的的零零件件结结构构以以减减少少加加工工工工时时；；选选择择适适当当的的材材料料（（如如用用廉廉价价材材料料代代替替贵贵重重材材料料））和和合合理理的的工工艺艺；；尽尽量量采采用用标标准准件件等等，，都都将将对对降降低低零零件件成成本本有有显显著著的的作作用用。。2.2.2机机械零件件设计的的一般程程序不同种类类的机械械零件，，其设计计计算方方法不同同，设计计步骤亦亦不同，，通常可可按图2.1所所示的设设计步骤骤进行：：选择类型型受力分析析选择材料料确定计算准则理论设计计结构设计计绘制工作作图编写设计计说明书书图2.1机械械零件设设计步骤骤1．选择类类型2．受力分分析3.选择材材料根据零件工工况条件及及受载情况况，选择合合适的材料料及热处理理方法，确确定材料的的硬度和许许用应力。。通过受受力分分析求求出作作用在在零件件上的的载荷荷的性性质、、大小小、方方向，，以便便进行行设计计计算算。主要根根据工工况条条件、、载荷荷性质质及尺尺寸大大小选选择零零件的的类型型。4．确确定计计算准准则分析机机械零零件的的失效效形式式，确确定其其设计计计算算准则则。5．设设计计计算6．结结构设设计根据设设计准准则得得到设设计或或校核核计算算公式式，确确定机机械零零件的的主要要几何何尺寸寸及参参数。。如螺螺栓的的小径径，齿齿轮的的齿数数、模模数，，轴的的最小小直径径等。。结构设设计即即将机机械零零件的的功能能转化化为具具体结结构的的设计计过程程。设设计中中应考考虑零零件的的强度度、刚刚度、、加工工和装装配工工艺性性等要要求。。使设设计的的零件件满足足尺寸寸小、、重量量轻、、结构构简单单等基基本要要求。。7．绘绘制工工作图图8．编编写设设计计计算说说明书书工作图图必须须符合合制图图标准准，要要求尺尺寸齐齐全并并标上上必要要的尺尺寸公公差、、形位位公差差、表表面粗粗糙度度及技技术条条件。。将设计计计算算资料料整理理成设设计计计算说说明书书，作作为技技术文文件存存档。。2.3机机械械零件件材料料的选选用原原则及及常用用材料料2.3.1机机械零零件材材料的的选用用原则则从各种种各样样的材材料中中选择择出合合用的的材料料，是是一个个较复复杂的的技术术经济济问题题，通通常主主要考考虑以以下三三方面面的要要求。。1．使使用要要求满足使使用要要求是是选择择材料料的最最基本本原则则。使用要要求通通常包包括零零件所所受载载荷大大小、、性质质及其其应力力状况况。若零零件件尺尺寸寸取取决决于于强度度，且且尺尺寸寸和和重重量量又又受受到到限限制制时时，，应应选选用用强强度度较较高高的的材材料料或或强强度度极极限限与与密密度度的的比比值值较较高高的的材材料料；；承受拉伸伸载荷的零件宜宜选钢材材；承受压缩缩载荷的零件宜宜选铸铁铁；受冲击载荷荷的零件，，宜选用用韧性好好的材料料；承受静应应力的零件，，宜选用用屈服极极限较高高的材料料；在变应力条条件下工作的零零件，宜宜选用疲疲劳强度度较高的的材料。。若零件件尺寸寸取决决于刚度，且尺尺寸重重量受受到限限制时时，应应选用用弹性性模量量较大大的材材料或或弹性性模量量与密密度之之比值值较高高的材材料。。若零件件的尺尺寸取取决于于接触强强度时，应应选用用可进进行表表面强强化处处理的的材料料，如如齿轮轮齿面面经渗渗碳、、氮化化或碳碳氮共共渗等等热处处理后后，其其接触触强度度比正正火或或调质质处理理的钢钢大为为提高高。对对在滑动摩摩擦条条件下工作作的零零件，，应选选用减减摩性性能好好的材材料。。在腐蚀介介质中中工作的的零件件应选选用耐耐腐蚀蚀的材材料。。对于于重要零零件，应选选用综综合性性能较较好的的材料料。2．工工艺要要求所选材材料应应与机机件结结构的的复杂杂程度度、尺尺寸大大小以以及毛毛坯的的制造造方法法相适适应。。如外外形复复杂、、尺寸寸较大大的机机件，，若考考虑用用铸造造毛坯坯，则则应选选用适适合铸铸造的的材料料，若若考虑虑用焊焊接毛毛坯，，则应应选用用焊接接性能能较好好的材材料；；尺寸寸小、、外形形简单单、批批量大大的机机件，，适于于冲压压或模模锻，，应选选用塑塑性较较好的的材料料。3．．经经济济性性要要求求在机机械械的的成成本本中中，，材材料料费费用用约约占占30%以以上上，，有有的的甚甚至至达达到到50%，，可可见见选选用用廉廉价价材材料料有有重重大大的的意意义义。。选选用用廉廉价价材材料料，，节节约约原原材材料料，，特特别别是是贵贵重重材材料料，，是是机机械械设设计计的的一一个个基基本本原原则则。。为为了了使使零零件件的的综综合合成成本本最最低低，，除除了了要要考考虑虑原原材材料料的的价价格格外外，，还还要要考考虑虑零零件件的的制制造造费费用用。。例例如如铸铸铁铁虽虽比比钢钢材材价价廉廉，，但但对对一一些些单单件件生生产产的的机机座座，，采采用用钢钢板板型型材材焊焊接接往往往往比比用用铸铸铁铁铸铸造造快快而而且且成成本本低低。。(1)尽尽量量采用用高强强度铸铸铁（（如球球墨铸铸铁））来代代替钢钢材；；(2)采采用用热处处理、、化学学处理理或表表面强强化处处理（（如喷喷丸、、滚压压）等等工艺艺，以以充分分发挥挥材料料的潜潜在机机械性性能。。(3)合合理理采用用表面面处理理方式式（如如镀铬铬、镀镀铜、、发黑黑等））以延延缓和和减轻轻腐蚀蚀或磨磨损，，延长长零件件的使使用寿寿命。。(4)在在很很多情况况下，机机件在其其不同部部位对材材料有不不同要求求，可采采用组合合式结构构，使零零件的工工作部分分采用贵贵重材料料，其它它非直接接工作部部分则可可采用廉廉价的材材料。(5)改改善善工艺方方法，实实现少或或无切削削加工，，省料又又省工，，提高材材料利用用率以降降低成本本。降低零件件成本的的措施：：2.3.2机机械零件件的常用用材料机械零件件常用的的材料有有钢、铸铁、有色金属属、非金属材材料和复合材料料。1．钢钢是机械械制造中中应用最最广和极极为重要要的材料料。按照照化学成成份，钢钢可分为为碳素钢和合金钢；按照零零件加工工工艺，，可分为为铸钢和锻钢；按照用用途，可可分为结构钢、工具钢和特殊钢。碳素结构构钢在机机械设计计中最为为常用。碳素结构构钢分普通碳素素钢和优优质碳素素钢两类。对于受力力不大，，而且基基本上承承受静应应力的不不太重要要的零件件，可以以选用普普通碳素素钢。普普通碳素素钢（如如Q215、Q235等）只只保证机机械性能能，不保保证其化化学成份份，并且且不适宜宜作热处处理，故故一般用用于不太太重要的的或不需需热处理理的机件件和工程程结构件件。碳素钢的的性能主主要决定定于其含含碳量。。低碳钢（含碳量量低于0.25%）可可淬性较较差，一一般用于于退火状状态下强强度不高高的零件件（如螺螺钉、螺螺母、小小轴），，也用于于锻件和和焊接件件。低碳碳钢经渗渗碳处理理可用于于制造表表面硬、、耐磨并并承受冲冲击负荷荷的零件件。中碳钢（含碳量量0.25%~0.6%）可淬淬性以及及综合机机械性能能均较好好，可进进行淬火火、调质质或正火火处理，，用于制制造受力力较大的的螺栓、、键、轴轴、齿轮轮等零件件。高碳钢（含碳量量大于0.6%）可淬淬性更好好，经热热处理后后有较高高的硬度度和强度度，主要要用于制制造弹簧簧、钢丝丝绳等高高强度零零件。优质碳素素钢（如15、45、50号钢））可同时时保证其其机械性性能和化化学成份份，可用用于制造造需经热热处理的的较重要要的零件件。合金钢是是由碳钢钢在其中中加入某某些合金金元素冶冶炼而成成。每一种合合金元素素含量低低于2%或合金金元素总总含量低低于5%的称低合金钢钢，每一种种合金元元素含量量为2%~5%或合合金元素素总含量量为5%~10%的的称中合金钢钢，每一种种合金元元素含量量高于5%或合合金元素素总含量量高于10%的的称高合金钢钢。合金元素素不同时时，钢的的机械性性能有较较大的变变动并具具有各种种特殊性性质。例如，铬能提高钢钢的硬度度，并能能在高温温时防锈锈耐酸；；镍使钢具有有很高的的强度、、塑性与与韧性；；钼能提高钢钢的硬度度和强度度，特别别能使钢钢具有较较高的耐耐热性；；锰能使钢钢具有有良好好的淬淬透性性、耐耐磨性性。同同时含含有几几种合合金元元素的的合金金钢（（如铬铬锰钢钢、铬铬钒钢钢、铬铬镍钢钢），，其性性能的的改变变更为为显著著。但但合金金钢较较碳素素钢价价贵，，对应应力集集中亦亦较敏敏感，，通常常在碳碳素钢钢难于于胜任任工作作时才才考虑虑采用用。此外，，合金金钢如如不经经热处处理，，其机机械性性能并并不明明显优优于碳碳素钢钢，因因此，，合金金钢零零件一一般都都需进进行热热处理理，以以充分分发挥挥材料料的潜潜在机机械性性能。。无论是是碳素素钢还还是合合金钢钢，用用浇铸铸法所所得的的铸件件毛坯坯均称称为铸钢。铸钢钢主要要用于于制造造承受受重载载的大大型铸铸件。。铸钢钢强度度明显显高于于铸铁铁，与与碳素素钢接接近。。铸钢钢的弹弹性模模量约约为铸铸铁的的2倍倍，因因此减减振性性不如如铸铁铁。铸钢存在易易于产生缩缩孔等缺陷陷，铸造工工艺性不如如铸铁。铸铸钢品种很很多，有碳碳素铸钢、、低合金铸铸钢、耐蚀蚀铸钢、耐耐热铸钢等等。附表1.1为常常用钢的机机械性能及及应用举例例。2．铸铁含碳量大于于2%的铁铁碳合金称称为铸铁。。铸铁是用用量最多的的机械结构构材料。铸铁成本本低廉，耐耐磨和减振振性能好。。铸铁一般分分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铸铁等。其中最最常用的是是灰铸铁。灰铸铁（HT）主要要用于中等等载荷以下下的结构件件、复杂的的薄壁件和和润滑条件件下的摩擦擦副零件等等。灰铸铁的强强度极限随随壁厚增加加而减小，，设计时应应考虑工艺艺需要使壁壁厚尽可能能一致。灰灰铸铁的抗抗压强度与与抗拉强度度比约为4：1，因因此在结构构上应当尽尽量使铸件件受压缩，，不受或少少受拉伸或或弯曲。灰灰铸铁的弹弹性模量比比钢低，刚刚度比钢差差。灰铸铁铁减振性能能好，常用用于机器的的机座及机机体等。灰灰铸铁属脆脆性材料，，不适宜承承受冲击载载荷，也不不能辗压和和锻造，不不易焊接。。球墨铸铁（（QT）基基体中的石石墨呈球状状，提高了了基体强度度和承受应应力集中的的能力，其其强度比灰灰铸铁高一一倍和普通通碳素钢接接近。球墨墨铸铁价格格比钢便宜宜，广泛用用于受冲击击载荷的高高强度铸件件，如曲轴轴、齿轮等等。可锻铸铁（（KT）主主要用于尺尺寸太小、、形状复杂杂、不能用用铸钢和锻锻钢制造，，而灰铸铁铁又不能满满足强度和和高延伸率率要求时的的情况，它它是铸件而而不是锻件件。可锻铸铸铁强度和和塑性近似似于普通碳碳素钢和球球墨铸铁。。3．有色金金属合金有色金属合合金具有某某些特殊性性能，如良良好的减摩性、跑合性、抗腐蚀性、抗磁性、导电性等。铝合金强度度与密度比比值比钢高高，具有比比较高的机机械强度；；但硬度低低、抗压强强度低、不不