第9章机械零件设计概论1-9

第9章机械零件设计概论一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案

一、基本内容及学习要求1．基本内容（1）机械零件的工作能力和计算准则；（2）机械零件的强度（3）机械零件的接触强度（4）机械零件的耐磨性（5）机械制造常用材料及其选择（6）公差与配合（7）机械零件的制造工艺性及标准化；

2．学习要求

（1）掌握有关机械零件设计和计算的基本概念；（2）掌握机械制造中常用材料的性能及选用原则；（3）了解机械零件工艺性及标准化的意义一、基本内容及学习要求

第9章机械零件设计概论§9－1机械零件的工作能力和计算准则

1.机械、机构、零件等由于某种原因丧失正常工作能力的现象称为失效；在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力或称为承载能力。2.失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件的车轮辐条损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机器并未失效；如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘骑了，即失效了

3.失效形式与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不够造成断裂，属于一种失效形式；除此之外，如机床主轴的刚度不足，零件表面过度磨损及其他各种破坏正常工作条件的因素，又如带传动打滑等均属于失效形式。回目录主要失效形式有：⑴断裂：例如，齿轮轮齿根部的折断、螺栓的断裂等。⑵过大的残余变形：零件受载后产生过量的弹性变形；零件的应力如果超过材料的屈服极限，零件将产生残余塑性变形。⑶表面失效：磨损、腐蚀和接触疲劳等都会导致零件表面失效。⑷破坏正常工作条件而引起的失效：例如，带传动发生打滑、齿轮传动噪声过大等。工作能力计算准则:针对各种不同的失效形式，相应地有各种工作能力判定条件，这种为防止失效而制定的判定条件称为工作能力计算准则。主要有强度、刚度、耐磨性等。

§9－2机械零件的强度

一、名义载荷和计算载荷根据额定功率用力学公式计算出并作用在零件上的载荷

称为名义载荷（如力F功率P转矩T）。计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数K。机械零件的设计计算一般按计算载荷二、强度条件零件在外载荷作用下所产生的最大应力σ不超过零件的许用应力[σ]。其表达式为工作应力≤许用应力，即σ≤［σ］

三、应力的种类（图9－1）可分为静应力和变应力：不随时间变化的应力称为静应力；

随时间变化的应力称为变应力；具有周期性的变应力

称为循环变应力。复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉动循环应力和对称循环应力的分类及特征，能绘出应力－时间曲线，并能写出最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性。的计算公式。

四、许用应力

许用应力＝材料极限应力/安全系数，即［σ］＝σlim／S材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作应力为静应力时，极限应力对于塑性材料为屈服极限；对于脆性材料为强度极限，工作应力为变应力时，极限应力为其相应应力循环状态的疲劳极限。

1.静应力下的许用应力对塑性材料取材料的屈服极限σs

作为极限应力［σ］＝σs／s对脆性材料取材料的强度极限σB作为极限应力

［σ］＝σB／s

2.变应力下的许用应力对称循环疲劳极限取σ－1作为极限应力［σ-1］＝σ-1／s脉动循环疲劳极限取σ0作为极限应力［σ0］＝σ0／s

五、安全系数安全系数取得过大将使结构笨重；安全系数取得过小可能不够安全。S>1要按教材给的系数取。§9－3机械零件的接触强度因为高副机构是以点、线接触来传递载荷，由于局部弹性变形而形成了小的接触区，在很小的接触区表层产生很大的应力称为接触应力。在接触应力作用下零件的强度称为接触强度。比如：齿轮、滚动轴承等。最大接触应力为：接触疲劳强度条件为：σH≤［σH］则［σH］＝σHlim／SHσHlim——接触疲劳极限SH——安全系数

§9－4机械零件的耐磨性零件抗磨损的能力称为耐磨性1.磨粒磨损；2.粘着磨损；3疲劳磨损；

4腐蚀磨损。（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）钢：碳素钢碳素结构钢碳素工具钢：T7、T8普通碳素结构钢如Q235、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C＜0.25%如20合金钢合金结构钢合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低金结构钢如12Mn弹簧钢如60Si2MnA中碳钢0.6%＜C＜0.25%如45高碳钢0.6%＜C如60钢

§9－5机械制造常用材料及其选择一、金属材料

（一）钢钢具有很高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善机械性能和加工性能。钢可以进行锻造、冲压、焊接等应用相当广泛。钢和铸铁的区别主要是含碳量不同。含碳量小于2％的称为钢。含碳量大于2％的称为铸铁。钢可分为碳素钢和结构钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。

1.普通碳素结构钢GB700-88牌号：Q＋数字例如：Q235表示屈服强度σs＝235MPa。这种钢主要用于受力不大，而且基本上承受静载荷的机械零件和建筑材料。可制造钢板、角钢、槽钢、圆钢、铆钉等。见表9－1

2.优质碳素结构钢GB699-88按含碳量的多少可分为（1）低碳钢（10、15、20、25）含碳量小于0.25％适用于冲压、焊接加工，常用来制造螺钉、螺母、垫圈等。（2）中碳钢（30、35、40、45、50）含碳量为0.3％～0.5％常用来制造轴类、齿轮、丝杠等。

（3）高碳钢（55、60、65、70）含碳量为0.55％～0.7％用来制造各种弹簧、钢丝绳等。例如：45钢表示含碳量0.45％的优质碳素结构钢。见表9－13.合金结构钢GB3077-88

牌号：数字＋化学元素＋数字

注意：当合金元素的含量＜1.5%时，牌号中只标明元素符号而不标含量。例如：40Cr表示含碳量0.4％，含铬小于1.5％，铬能提高强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能。常用来制造中小型轴、齿轮以及各类工程结构。见表9－1

4.铸钢GB1152-89将钢熔化后浇注到铸模中，以便获得一定形状和尺寸的毛坯。适用形状复杂、尺寸较大、机械性能要求较高的机械零件。比如像重载大型齿轮、轧钢机、机架、减速器、齿轮箱等。铸钢分为：碳素铸钢和合金铸钢两类。例如：ZG270－500表示屈服强度σs＝270MpaσB＝500Mpa碳素铸钢。

如ZG35SiMn表示含碳量0.35％，含硅、锰在小于1.5％合金铸钢。表9－1（二）铸铁铸铁是脆性材料，不能进行锻造，但它比较容易溶解，具有良好的液态流动性，可以铸造成许多形状复杂的零件。另外它的切削性能好，耐磨，成本低，应用非常广泛。常用有以下两种。1.灰口铸铁GB9439-88例如：HT200表示抗拉强度σB＝200Mpa

常用来制造皮带轮、轻载低速大齿轮、机座、箱体等。见表9－1

2.球墨铸铁GB1348-88球墨铸铁的强度、塑性和韧性都比较高，常用来代替钢材制造曲轴、齿轮、连杆和凸轮轴等重要零件。牌号：QT450－10表示σB＝450Mpa最低延伸率δ＝10％见表9－1。（三）有色金属在工业上把铁以外的金属统称为有色金属。它具有导电性、导热性、耐腐蚀性和减摩性等。1.黄铜黄铜是铜和锌组成的合金。主要制造垫片、衬套、管子，管接头等耐腐蚀零件。牌号：H62表示黄铜：铜（Cu）含量62％，余量38％锌（Zn）。例如：ZHPb48－3－2表示48％铜，3％铅，2％铁，余量为47％锌的铸造黄铜。

2.青铜GB1176-87

牌号ZCuSn5Pb5Zn5表示铸锡青铜，含5％锡，5％铅，5％锌，余量85％的铜。可制造轴瓦、蜗轮及耐磨、耐蚀性等零件。二、非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性、能缓和冲击、吸收振动，还具有耐磨、绝缘等性能。

常用在弹性元件、联轴器、传动胶带、轮胎、密封垫圈等。2.塑料比重小、成本低，注塑成型方便等，可以制造齿轮、轴承村、摩擦片等。3.复合材料是由两种以上金属或非金属材料复合而成的一种新型材料。用来制造压力容器、车辆外壳等。

三、钢的热处理简介热处理

将钢在固体状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法叫热处理，目的是提高零件的力学性能和改善其工艺性能。1.退火2.正火3.淬火4.回火5.调质6.表面处理

三、钢的热处理热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式三个阶段，改变金属内部的组织结构来得到所需的使用要求。1.退火退火目的：降低硬度，便于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，防止钢件变形与开裂。2.正火正火目的：使钢件组织细化，提高强度和韧性；减少内应力，改善切削性能。3.淬火提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件的韧性。

3.淬火提高硬度和强度；但韧性下降，内应力增加，往往会使钢件变形或开裂。因此淬火后要经过回火热处理以消除内应力，提高零件的韧性。4.回火根据回火加热温度不同可分为（1）低温回火：加热温度在150°～200°。可以减少内应力和脆性，仍然保持淬火钢的高硬度和耐磨性。适用刀具、量具等。（2）中温回火：加热温度在350°～500°。淬火钢经中温回火后，提高了弹性，但硬度下降，适用弹簧、模具等。（3）高温回火：加热温度在500°～600°。淬火钢经高温回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合性机械性能。

生产上习惯把淬火后经高温回火的热处理工艺称为调质。45号钢调质用的最多。如轴、齿轮等。5.表面淬火表面淬火是将钢件表面迅速加热到淬火温度，不等热量传到芯部就快速冷却，通常是喷水冷却。经过表面淬火的零件，表面具有很高的硬度和耐磨性，而芯部仍然保持原来韧性比较好的组织。表面淬火的材料一般用中碳钢或中碳合金钢。淬硬层深度在2~6mm适用中小型零件以及大型重载荷受冲击等零件。6.化学热处理渗碳是向零件表层渗入碳原子的过程，渗碳层厚度为0.4～1.6mm。

渗碳材料一般用低碳钢或低碳合金钢。零件经渗碳后表面为高碳组织具有很高的硬度和耐磨性。而芯部为低碳组织，保持原有的韧性。常用于处理汽车、拖拉机中的齿轮、凸轮等。§9－6公差与配合一、公差机器是由零件装配而成的。大批量生产要求零件具有互换性。这样在装配时可以不加选择和附加加工，就能达到预期的技术要求。为了实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸、几何形状和相互位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做的绝对精确，但必须使尺寸介于两个允许的极限尺寸之间，这两个极限尺寸之差称为公差。

现以孔与轴为例简单介绍公差与配合。如图所示：设计给定的尺寸称为基本尺寸。零线代表基本尺寸的位置。由代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。在国家标准中，公差带包括“公差带大小”与“公差带位置”两个参数。公差带大小由标准公差确定，公差带位置由基本偏差确定。

例如f8－表示轴的公差带代号，轴的基本偏差代号f。标准公差IT8公差等级8级，

国家标准规定孔与轴的公差带位置各有28个，分别用大小写字母表示。还规定了20个公差等级，用阿拉伯数字表示。

例如：H7表示孔的公差带代号，基本偏差代号为H，标准公差IT7公差等级。机械制造中常用的公差等级是4～11级。从机械设计手册查。

二、配合

同一基本尺寸的孔与轴装配在一起称为配合。

根据公差带的相对位置，配合分为：间隙配合——孔比轴大，用于可动联接。过盈配合——孔比轴小，用于静联接。过渡配合——可能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有良好的同轴性而又便于装拆的静连接。

配合制度有基孔制和基轴制。

基孔制——孔是基准孔，下偏差为零，代号H。它的各种配合特性是改变轴的公差带来实现的（9－11）。

基轴制——轴是基准轴，上偏差为零，代号h。各种配合特性是靠改变孔的公差带来实现的。

例1：Φ28f7查表：上偏差－20μm下偏差－41μm查表方法：先查Φ28标准公差IT7=21μm；再查Φ28基本偏差f的上偏差es=－20μm然后计算下偏差ei=es-IT=-20-21=-41得到上偏差－20μm下偏差－41μm

复习机械制图。例2：

二、学习指导

9－6机械零件的制造工艺性及标准化－、机械零件的工艺性零件的工艺性是指在既定的生产条件和规模下，能用较少的劳动和较低的成本把零件制造和装配出来。为此，设计者必须了解零件的制造工艺，能从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。1.毛坯选择合理2.结构简单合理3.规定适当的制造精度及表面粗糙度

二、机械设计中的标准化

零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策。标准化的意义在于：减轻设计工作量，有利于把主要精力用于关键零部件的创新设计；可安排专门工厂集中生产标准零部件有利于降低成本，提高互换性；有利于改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于修理和更换。

我国现行标准分为国家标准（GB）、部颁标准如JB和企业标准三级。出口产品应采用国际标准（ISO）。

四、复习题1．是非题⑴受静载荷作用的零件中产生的应力称为静应力-----------()⑵零件本身重量在零件中产生的应力，因为重力的方向是一定的，所以产生的应力都是静应力----