第9章机械零件设计概论

1第九章

机械零件设计概论2

零件→构件→机构→机器→机械机械原理：机器、机构的组成、机构自由度计算、常用机构。机械设计：通用机械零件、机器的设计零部件的分类专用零部件

：只在一定类型机器中使用的零件通用零部件

：各种机器中普遍使用的零部件，如齿轮、螺栓。标准件：制定了国家标准，并由专门工厂生产的零部件。如：滚动轴承、螺栓等。曲轴4工作能力要求：强度、刚度、寿命、稳定性、耐磨性；

结构工艺性及经济性要求

质量小及可靠性要求设计机械零件时应满足的基本要求5整体断裂正常工作条件破坏过大的残余变形零件的表面破坏零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生的断裂。零件上的应力超过了材料的屈服极限产生的过大残余变形而导致的失效。零件表面在受到各种腐蚀、磨损和接触疲劳而产生的表面破坏失效。如：滑动轴承的润滑得不到保障将产生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动在外载荷超过极限摩擦力时将发生打滑失效等。失效－机械零件不能正常工作§9－1机械零件的失效形式及设计准则6齿轮轮齿断裂

轴承内圈断裂整体断裂零件在外载荷作用下，由于某一危险截面的应力超过零件的强度极限而发生的断裂。机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式2机械零件的主要失效形式过大的残余变形

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3机械零件的主要失效形式零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。齿面接触疲劳轴瓦磨损

9

零件工作能力准则主要有：强度、刚度、耐磨性、耐热性、振动稳定性等保证零件不产生失效所依据的设计准则零件工作能力计算准则10机械零件设计的一般步骤设计步骤1、根据机器具体工作情况确定作用在零件上的名义载荷及计算载荷。名义载荷：用力学公式计算出的载荷。计算载荷：考虑实际工作条件影响的载荷。2、选择零件材料。3、由失效形式确定计算准则。并依此确定零件主要尺寸。4、根据工艺性进行零件结构设计。5、根据结构尺寸进行详细校核计算。6、绘制零件工作图，写出计算说明书。一、

强度（一）整体强度（二）表面强度刚度振动稳定性12一、强度（一）整体强度1、载荷和应力：皮带运输机（1）载荷

静载荷13离心水泵恒压容器静载荷14变载荷—石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等15（2）、应力单位MPa=N/mm2

静应力—应力不变拉杆的静应力16变应力—应力随时间变化17变应力的类型应力循环特性r对称循环r=-1,脉动循环r=0任意循环18例：转轴中弯曲应力静载荷→产生静应力变载荷→产生变应力静载荷→变应力？19（1）静强度

—静应力工作条件[σ][τ]—许用应力S—安全系数2、强度—零件抵抗破坏的能力极限应力极限应力σ

lim塑性材料：σ

lim=σ

s屈服极限脆性材料：σ

lim=σ

B强度极限齿轮轮齿断裂

低碳钢的应力－应变曲线1线弹性阶段2屈服阶段3强化阶段（冷作硬化）4颈缩阶段(局部变形)比例极限屈服极限强度极限屈服颈缩21（2）疲劳强度

—变应力条件下22

疲劳曲线σr—材料经过N0次应力循环，发生破坏的应力值。N0—循环基数N0=106—107

图

疲劳曲线（2）疲劳强度循环次数有限寿命区无限寿命区疲劳极限疲劳曲线23疲劳强度条件例如对称循环：尺寸系数有效应力集中系数表面状态系数许用应力24（二）机械零件的表面强度

1机械零件的接触强度失效形式1）静应力:表面压碎——脆性材料,

表面塑性变形——塑性材料

2）变应力：疲劳点蚀

——齿轮、滚动轴承的常见失效形式。疲劳点蚀25（二）机械零件的表面强度

1机械零件的接触强度接触应力计算依据：弹性力学的赫兹公式

两圆柱体接触说明：1）σHmax与F不呈线性关系2）ρΣ越大，σHmax越小3）内接触时ρΣ较小，σHmax较小钢或铸铁26表面接触强度条件Hlim

由实验测得的材料的接触疲劳极限

27

2表面磨损强度耐磨性计算准则：滑动速度低，载荷大时：压强p≤[p]中速时：pv≤[pv]高速时：pv≤[pv]；v≤[v]磨损：运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象（零件表面破坏）零件磨损的三个阶段

假设应力在挤压面上是均匀分布的得实用挤压应力公式*注意挤压面面积的计算FF3表面挤压强度失效形式：压溃、表面塑性变形表面挤压强度条件轴向拉伸杆件：式中：[△l]为轴向拉伸的许可伸长量或缩短量平面弯曲梁：式中：[y]为许用挠度；[θ]为许用转角。扭转变形圆轴：式中：[θmax]为许用扭转角。lｙ≤［ｙ］θ≤［θ］二、刚度

刚度是反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。30影响刚度的因素及其改进措施材料对刚度的影响弹性模量大则刚度大结构对刚度的影响截面形状：增大截面面积，采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的截面支撑方式：采用合适的支撑方式，减少最大弯矩；采用加强筋在装配中适当增加预紧力l31三振动稳定性振动：机械零件周期性产生弹性变形的现象。共振：当作用在零件上的周期性外力的变化频率接近或等于零件自身的自激振动频率时，便发生共振，导致零件失效。这种现象称之为“失去振动稳定性”。

振动稳定性准则：fp＜0.85ffp>1.15f式中：f――零件的自激振动频率

fp――外力变化的频率.典型零部件：轴等机械零件材料的选用原则1：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...黑色金属有色金属铸铁钢高分子材料复合材料陶瓷金属材料非金属材料：塑料、橡胶、合成纤维

：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰铸铁、球墨铸铁…(如：HT300QT500-5)：强如钢、轻如铝、硬如金刚石：强度高、弹性模量大、质量轻§9-2常用材料及其选择常见材料(一)、黑色金属

钢的分类：1）含碳量

（按碳的质量分数）低碳钢(ωc≤0.25%)中碳钢(0.25%≤ωc≤

0.6%)高碳钢(0.6%<ωc≤

2.11%)2）化学成份（按合金成份）合金钢（除Fe、C外，还有其它合金元素）碳素钢3）钢的品质（按有害杂质S、P含量）普通钢（ωs≤0.05%;ωp≤0.045%）优质钢（ωs≤0.04%;ωp≤0.04%）高级优质钢（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%）4）钢的用途（按行业使用）结构钢（建筑、机械制造用）工具钢（工具、刀具、模具等用）特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用）了解钢的使用特点及应用、牌号：牌号：1、碳钢与合金钢1）碳钢普通碳素结构钢字母Q+屈服强度(Mpa)+质量等级。表示普碳结构钢共分195、215、235、255、275五种。共有A,B,C,D四个级别，A级最差。如：Q235A；Q215B；普通碳素结构钢的应用钢板、钢筋螺钉、铆钉建筑构件钢桥梁锉刀碳素工具钢量规钻头优质碳素结构钢牌号：由两位数字组成表示碳的平均万分含量（常用：08∼85）如45（表示ωC0.45%的优质碳素结构钢）当ωMn=0.7∼1.2%时，在数字后加Mn齿轮螺栓优质碳素结构钢的应用30—55钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。曲轴弹簧优质碳素结构钢65—85钢：有较高的强度、硬度和弹性，塑性和韧性较低，常用于弹簧和耐磨零件。2）合金钢牌号：数字+元素符号+数字表示碳的平均万分含量合金元素平均百分含量：<1.5%不标记，表示所含合金元素的名称如：20Cr（表示ωc=0.2%,ωCr<1.5%的合金结构钢)如：38CrMnAl（表示ωc=0.38%,ωCr、ωMnωAl的含量均<1.5%的合金结构钢)如：60Si2Mn（表示ωc=0.6%,ωSi=1.5∼2.49%，的ωMn<1.5%的合金结构钢)拨叉变速齿轮合金渗碳钢20Cr、20MnTi、20Cr2Ni4：有较高的韧度，经热处理后表面硬而耐磨，用于受冲击载荷的重要零件。40Cr、40CrMn、38CrMnAl

：有较高的综合力学性能，用于受力复杂的重要零件。滚动轴承钢

牌号：字母G+合金元素+数字表示滚动轴承用钢表示所含主要合金元素的名称如：GCr9（表示ωCr=0.9%的滚动轴承钢)只标出铬元素平均千分含量，其它不标记，如：GCr15SiMn（表示ωCr=1.5%的滚动轴承钢)成份：ωC=1∼1.15%,加入了Mn、Si等合金元素，热处理后使用。滚珠轴承滚动轴承钢破碎机颚板履带铁轨分道叉挖掘机斗齿耐磨钢化学元素有硅、锰、铬、钼、钒、钨、镍、钛、硼、铜、稀土

如ZG230—450（表示含碳量屈服点为σs=230MPa,抗拉强度为的σb=450Mpa的碳素铸钢）；2、铸钢牌号：字母ZG+数字—数字表示铸钢表示抗拉强度σb（Mpa）表示屈服点σs（Mpa）重型机械齿轮

铸钢

特点与应用：

由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难以切削加工、尺寸大，难以锻造加工的重要零件，如：大型齿轮、缸体、变速箱机架等。3、灰口铸铁牌号：字母HT+数字表示灰口铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）HT150特点与应用：强度、塑性、韧性不如钢，软而脆。抗压强度高，抗拉强度低。有良好的耐磨性、减震性和切削性；常用于床身、机架、底座、箱体、壳体、导轨、缸体、活塞环、带轮等零件。如：QT400—18特点与应用：球状石墨对基体的割裂作用小，综合力学性能较高，并具有良好的减震性和耐磨性

受力复杂、强度韧性和耐磨性较高的零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗杆、伐门、机座、汽车后桥等。4、球墨铸铁牌号：字母QT+数字—数字表示球墨铸铁表示最低抗拉强度σb（Mpa）表示最低伸长率δ（%）1铜及铜合金（1）纯铜（紫铜）牌号：T1、T2、T3、T4、----序号越大，纯度越低特点及应用：良好的导电性、导热性、极好的塑性和耐蚀性。主要用于电线、电缆、电子元件及导热器件等。（二）、有色金属（a）黄铜（铜锌合金）普通黄铜：H××平均含铜量的百分数特点良好的耐蚀性应用：弹壳、散热器、垫片、油管（2）铜合金（b）青铜锡青铜铸锡青铜ZCuSn10P1

较高的抗蚀性、耐磨性

蜗轮、轴瓦、轴套等耐磨零件。铝青铜：

QAL10-4-4较高的强度、抗蚀性、耐磨性、耐热性和焊接性齿轮、蜗轮、轴套、船舶等零件。2轴承合金

--巴比特（

Babbitt）合金

（或巴氏合金）中国的锡基轴承合金牌号用“Ch”符号表示。牌号前冠以“Z”,表示是铸造合金。如含有Sbll%和Cu6%的锡基轴承合金牌号为“ZChSnSb11-6”。制造滑动轴承（轴瓦）（三）、非金属材料

（1）工程塑料密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。

机械强度差，刚性差，耐热性低。

散热性差，易老化，易燃。

聚酰胺（尼龙）聚乙烯（PE）塑料可制作食品包装袋、奶瓶、容器等。聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。聚丙烯（PP）可用于水暖结构件。聚苯乙烯（PS）可用于制造仪表外壳。塑料齿轮

（2）橡胶

弹性好，缓冲、减振，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。

主要用于弹性材料、密封材料、减振材料、传动材料。

o弹性圈柱销联轴器小结——含碳量小于2.11%的铁碳合金1）以含碳量ωC%<0.25%（低），0.25~0.6%（中），>0.6%（高）2）以化学成份碳素钢，合金钢3）以钢的品质

普通钢，优质钢，高级优质钢4）以钢的用途结构钢，工具钢，特殊性能钢钢结构钢普通碳素结构钢：Q235A；Q215B；优质碳素结构钢：45；65Mn；合金结构钢：20Cr;38CrMnAl;60Si2Mn;(GCr9)铸钢铸造碳钢：ZG230—450；ZG270—500；*常用钢种的牌号及识别：——含碳量大于2.11%的铁碳合金白口铸铁无牌号标记灰口铸铁HT150；HT200；可锻铸铁KTH300—06；KTZ450—04；球墨铸铁QT400—18；QT600—3铸铁热处理的实质

马氏体贝氏体索氏体屈氏体珠光体铁素体和渗碳体

二将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。二热处理热处理611）退火—随炉冷却—消除锻造、焊接内应力。2）正火—空气冷却，硬度强度提高，消除内应力方面不如退火。3）淬火—水冷或油冷，硬度强度提高，脆性增加、存在较大内应力4）回火—淬火后又加热冷却，消除内应力和脆性。仍保持较高硬度、强度。调质＝淬火＋高温回火强度、硬度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。1普通热处理正火(空冷)退火(炉冷)回火加热保温淬火时间温度2、表面热处理

（1）表面淬火在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。

渗碳—低碳钢表面渗入碳元素—耐磨渗氮—钢材表面渗入氮碳元素—耐磨氰化—碳氮共渗—耐磨

（2）化学热处理改变表层的化学成分和组织1、使用要求（1）零件的受载情况（2）零件的工作情况（3）对零件尺寸和重量的限制（4）零件的重要程度三、机械材料的选用原则

2、工艺要求考虑（1）工艺方法（2）生产条件（3）毛坯的制取方法

对于形状简单、薄壁、高度或深度小的零件，如生产批量较大时，可考虑压力加工成形。大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好（易断屑、刀具磨损小、表面光滑等）。考虑材料的热处理工艺性能。

3、经济要求（1）材料本身的相对价格。（2）局部品质的原则。（3）材料的加工费用。（4）材料的利用率。（5）节约稀有材料、材料的供应状况。我国常用金属材料的相对价格

材料

相对价格

材料

相对价格

碳素结构钢

低合金结构钢

优质碳素结构钢

易切钢

合金结构钢(除铬一镍)

铬镍合金结构钢(中合金