第九章机械零件设计概论

第九章机械零件设计概论机械零件设计概述机械零件的强度机械零件的耐磨性机械制造常用材料及其选择公差与配合、表面粗糙度和优先数系本章主要内容：§9-1机械零件设计概述一、基本概念二、机械零件主要的失效形式三、设计机械零件时应满足的基本要求四、机械零件设计的一般准则五、机械零件设计方法六、机械零件设计的一般步骤主要内容基本概念失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力：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。通常是对载荷而言的，又称为承载能力。1.失效和工作能力2.基本概念回顾（1）强度：构件抵抗破坏的能力。（2）刚度：构件抵抗变形的能力。（3）稳定性：构件在载荷作用下保持原有平衡状态的能力（4）应变：单位长度的伸长或缩短称为线应变，角度的变化称为剪应变，是度量一点处变形程度的两个基本量，无量纲（5）应力：某一截面内某一点的内力称为该点的应力。应力垂直于截面的分量称为正应力σ；切于截面的分量称为剪应力τ。(MPa)（6）屈服极限σs、强度极限σb（

MPa）（7）弹性模量E：σ=Eε（

MPa）机械零件的主要失效形式机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂机械零件的主要失效形式（二）过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形机械零件的主要失效形式（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。轴瓦磨损齿面接触疲劳机械零件的主要失效形式（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，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工作，否则会引起胶合或磨损。

带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作，否则会发生打滑。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作，否则会引起共振。零件在工作时会发生哪一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。对绝大多数零件来说，都应当力求减小其质量。减小质量有两方面的好处：一方面可以节约材料；另一方面，对于运动零件来说，可以减小惯性，改善机器的动力性能。为了减小质量，可采取如下措施：采用缓冲装置来降低零件上所受的冲击载荷；采用安全装置来限制作用在主要零件上的最大载荷；从零件上应力较小处消减部分材料，以改善零件受力的均匀性，从而提高材料的利用率；采用与工作载荷相反方向的预载荷，以降低零件上的工作载荷；采用轻型薄壁的冲压件或焊接件来代替铸、锻零件，以及采用强重比高的材料等。

设计机械零件时应满足的基本要求(一)避免在预定寿命期内失效的要求

1.强度(三)经济性要求(五)可靠性的要求(二)零件的结构工艺性要求零件在工作中发生断裂或不允许的残余变形统属于强度不足。上述失效形式，除了用于安全装置中预定适时破坏的零件外，对任何零件都是应当避免的。因此具有适当的强度是设计零件时必须要满足的基本条件。为了提高机械零件的强度，在设计时原则上可以采用以下措施：采用强度高的材料，使零件具有足够的截面尺寸；合理地设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩；采用热处理和化学热处理方法，以提高材料的机械强度特性；提高运动零件的制造精度，以降低工作时的动载荷；合理地配置机器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的载荷。

2.刚度3.寿命零件在工作时所产生的弹性变形不超过允许的限度，就叫做满足了刚度要求。显然，只有当弹性变形过大就要影响机器工作性能的零件，才需要满足这项要求。对于这类零件，设计时除了要做强度计算外，还必须作刚度计算。为了提高零件的整体刚度，可采用如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的惯性矩；缩短支承跨距或采用多支点结构，以减小挠曲变形。

有的零件在工作初期虽然能够满足各种要求，但在工作一定时间后，却可能由于某些原因失效。这个零件正常动作延续的时间就叫做零件的寿命。影响零件寿命的主要原因有：材料的疲劳，材料的腐蚀以及相对运动零件接触表面的磨损三个方面。大部分机械零件均在变应力条件下工作，因而疲劳破坏是引起零件失效的主要原因。近代对零件进行精确的强度计算时，都要考虑到零件材料的疲劳问题。影响零件材料疲劳强度的主要因素是：应力集中、零件尺寸大小、零件表面品质及环境状况。在设计零件时，应努力从这几方面采取措施，以提高零件抵抗疲劳破坏的能力。零件处于腐蚀性介质中工作时，就可能使材料遭受腐蚀。对于这些零件，应选用耐腐蚀材料或采用各种防腐蚀的表面保护，例如发蓝、表面镀层、喷涂漆膜及表面阳极化处理等，以提高零件的耐腐蚀性能。

零件具有良好的结构工艺性是指在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配成机器这一特性。所以零件的结构工艺性应从毛坯制造、机械加工过程及装配等几个环节加以综合考虑。工艺性是和机器生产批量大小及具体的生产条件相关的。为了改善零件的工艺性，就应当熟悉当前的生产水平及条件。对零件的结构工艺性具有决定性影响的零件结构设计，在整个设计工作中占有很大的比重，因而必须予以足够重视。

零件的经济性首先表现在零件本身的生产成本上。要降低零件的成本，首先要降低材料消耗；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时。工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低，所以工艺性对经济性有着直接的影响。采用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料；对于大型零件采用组合结构以代替整体结构，都可以在降低材料费用方面起到积极的作用。另外尽可能采用标准化的零部件就可在经济性方面取得很大效益。

(四)质量小的要求零件的可靠度的定义与机器可靠度的定义是相同的，即在规定的使用时间内和预定环境条件下，零件能够正常地完成其功能的概率。对于绝大多数机械来说，失效的发生都是随机性的。因此，为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件的性能两个方面使其随机变化尽可能地小。此外，在使用中加强维护和对工作条件进行监测，也可以提高零件的可靠性。

强度准则：

刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：

寿命准则

振动稳定性准则

可靠性准则确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基的设计准则。：确保零件不发生过大的弹性变形。：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。：高速运转机械的设计应注重此项准则。：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。机械零件的设计准则机械零件的设计方法

理论设计

经验设计

模型实验设计机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计、鲁棒设计、创新设计等等。常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：机械零件设计的一般步骤选择零件类型、结构机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计校核计算画出零件工作图写出计算说明书§9-2机械零件的强度一、名义载荷和计算载荷在理想平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。机器运转过程中会受到各种附加载荷的作用，考虑这些因素的影响，实际计算过程中用名义载荷乘系数的方法来粗略代替零件所承受的载荷，称为计算载荷，引入的系数称为载荷系数,用K表示。二、应力的种类三、强度准则确保零件不发生断裂和过大塑性变形的条件。是指零件中的应力不得超过零件材料的许用应力。在简单应力条件下，强度条件为：σ≤［σ］，［σ］＝σlim／Sτ≤［τ］，［τ］＝τlim／S其中σlim、τlim为材料的极限正应力和切应力；S为安全系数。静应力作用下，对于塑性材料σlim＝σS（屈服极限）对于脆性材料σlim＝σB（强度极限）下一页应力的描述和类型一、应力的描述和类型sm─平均应力；sa─应力幅值smax─最大应力；smin─最小应力r─应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。r=－1对称循环变应力r=0脉动循环变应力r=1静应力返回四、变应力下零件失效形式和许用应力1.变应力条件零件的失效形式变应力条件下零件的主要失效形式为疲劳断裂。其特点为：（1）疲劳断裂最大应力远小于静应力下的强度极限，甚至低于屈服极限；（2）其断口表现为无明显塑性变形的脆性断裂；分为明显的两个区域。（3）疲劳断裂是损伤的积累（疲劳），与应力循环次数有关，源于零件表面或表层的微裂纹。2.疲劳曲线（s－N曲线）应力与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线。疲劳曲线是用标准试件进行疲劳试验得到的。试件经过一定应力循环次数不发生疲劳的最大应力称为疲劳极限，用σrN表示，对称循环变应力下的弯曲疲劳极限用σ－1表示。σNN0σ－1Nσ－1

对于大部分中、低碳钢当N≥N0时，试件的疲劳极限不再随应力循环次数的增加而降低，N0称为循环基数(通常为107），对应疲劳极限用σr表示。机械零件的疲劳大多发生在N0之前，曲线可用下式描述：对于对称循环变应力，则有：有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：s－N疲劳曲线疲劳曲线σNN0σ－1Nσ－1Nm称为寿命指数，对于钢受拉、弯和切应力时m=9，接触应力m=6,青铜受弯m=9，接触应力m=8变应力下的许用应力变应力条件下应取材料的疲劳极限作为极限应力，但因为材料疲劳极限是使用标准试件进行疲劳试验得出来的，因此对零件进行疲劳设计时，还要考虑零件的实际状况，尤其是零件的应力集中、尺寸大小和表面质量对材料的影响。因此引入有效应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β。对于对称循环变应力：强度条件：σ≤［σ］，［σ］＝σlim／S对于脉动循环变应力：五、安全系数查表法,也可按照P117原则选择安全系数,部分系数法无限寿命零件的许用应力§9-4机械零件的耐磨性选取减磨性和耐磨性好的材料，降低零件的表面粗糙度，充分润滑，改善密封等。2.机械中磨损的主要类型：磨粒磨损粘着磨损（胶合）疲劳磨损（点蚀）腐蚀磨损磨损量q时间t磨合磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段工况恶劣磨损过程3.耐磨性计算：1.基本概念磨损影响因素很多，除疲劳磨损外，尚无可靠的计算方法。实用的耐磨性计算是限制摩擦副的压强p，当摩擦表面相对速度较高时为了控制摩擦表面的发热量，还要限制摩擦副的pv值。即：p≤[p]pv≤[pv]3.提高耐磨性的措施：磨损：运动副中摩擦表面物质不断损失的现象。耐磨性：零件的抗磨损能力称为耐磨性。§9-5机械制造常用材料及其选择钢碳素钢合金结构钢中碳钢低碳钢高碳钢强度极限和屈服极限低,塑性好,适用于冲压,焊接加工,C%≤0.25%综合力学性能好，常用于制造螺栓、螺母、齿轮、键和轴等具有很高的强度和弹性,常用于制造弹簧、钢丝绳、锉,C%≥0.60%碳素结构钢优质碳素结构钢不保证化学成分，不能热处理用于受力不大且基本上承受静载荷的一般零件牌号用钢的屈服强度表示如Q235、Q255镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；钼比锰的影响更大；钒能提高韧性及强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但降低韧性，合金钢的性能不仅取决于化学成分，更大程度取决于热处理。牌号用钢中平均碳的体积分数的的两位数后加注主要合金元素符号及其含量数字，合金元素含量≤1.5%不用标注数字铸钢主要用于结构比较复杂，承受重载荷，力学性能要求较高的情况下，如大型齿轮，水轮机叶片等。牌号用“ZG”后加注两组数字，如ZG310-570,表示屈服点为310Mpa，抗拉强度为570MPa机械制造常用材料及其选择铸铁灰铸铁球墨铸铁切削性能好，不易受冲击载荷，常用于制造受压状态下工作的零件牌号用“HT”后加注表示抗拉强度的数字,如HT200，抗拉强度为200MPa力学性能显著提高，制造工艺复杂，牌号用“QT”后加注两组数字，如QT400-15,表示抗拉强度的抗拉强度为400Mpa,伸长率为15%铜合金黄铜青铜Zn较高的耐腐蚀性铝锡铅减摩性、耐磨性、导热性好，常用来制造蜗轮、对开螺母、滑动轴承中轴瓦耐磨性、耐腐蚀性好，制造蜗轮和腐蚀条件下齿轮导热性和抗疲劳强度高，制造高速、重载的滑动轴承的轴瓦高分子材料复合材料陶瓷：塑料、橡胶、合成纤维：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻非金属材料二、机械零件材料的选用原则载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的结构及加工性材料的经济性零件的尺寸及重量从强度的观点来考虑应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择；脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在有些冲击的情况下，应以塑性材料作为主要使用的材料；金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力。零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等；工作温度对材料的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料和线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者配合松动；另一方面要考虑材料的机械性能随温度而变化的情况。零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。

零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则需注意锻压机械及设备的生产能力。此外，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。

结构复杂的零件易选用铸造毛坯，或用板材压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要作用。材料经济性主要表现在以下几方面：（1）材料本身的相对价格；（2）材料的加工费用；（3）材料的利用率；（4）采用组合结构，节约贵重金属；（5）节约稀有材料(6)材料的供应情况(Cr,Ni国内较贫乏，硅、锰、钒类较丰富)材料的工艺性比较铸造性能。金属材料中，各种铸铁、铸钢、铸造铝合金和铜合金铸造性能较好，后两种铸造性能优于前两种，铸铁优于铸钢。

锻造性能。按热锻性能比较，低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢最次。低合金钢可锻性近于中碳钢，高合金钢较差，铝合金可锻性差，铜合金可锻性一般较好。

焊接性能：低碳钢和含碳量低于0.18％的合金钢焊接性能较好，含碳量大于0.45％的碳钢和含碳量大于0.35％的合金钢焊接性能较差，含碳量和合金元素越多的材料，焊接性能越差，铜和铝的合金焊接性较差，铸铁最差。切削加工性能。一般铜、铝合金切削性较好，含碳量越高的钢，切削性越差，合金钢的切削性也较差，一般需先进行热处理。

热处理工艺性。钢的热处理性能较好，合金钢更好，铝合金热处理要求严格，铜合金只有少数几种可通过热处理强化。

§9-6公差与配合、表面粗糙度和优先数系一、基本概念标准化：是指制定和贯彻技术标准。（简化、统一、优选、协调）互换性：是指按规定的技术条件和要求（主要是几何精度要求）来分别制造机械产品的各组成部分和零件，使其在装配和更换时，不需任何挑选、辅助加工和修配，就能顺利装入整机中的预定位置，并能满足使用性能要求。公差：实际生产中，将零件的有关参数的量值限制在一定的能满足使用性能要求的范围之内，这个允许参数量值的变动范围叫做公差，公差是两个极限尺寸之差。基本尺寸：设计给定的尺寸叫做基本尺寸。（计算或经验公式得出）公差带：以基本尺寸为零线位置，由上