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．疲劳强度准则

疲劳强度是保证机械零件在变载荷工况条件下，能正常工作一定时间的基本要求。零件疲劳强度不够，就会在其工作寿命期间内出现疲劳断裂、疲劳点蚀等失效形式而丧失工作能力，甚至导致安全事故。 （2.2a）或 （2.2b）

疲劳强度准则与式（2.1）类似，但是疲劳强度的许用应力要按下式计算：

式中，S、、S—疲劳强度的正应力和剪应力的安全系数；lim、lim—材料的疲劳极限正应力和剪应力。特别需要指出：按疲劳强度设计时，因为载荷是变化的，零件的工作应力不再是简单的正应力或剪应力，除了必须考虑应力的均值和变化幅值的大小外，还必须考虑载荷变化规律的影响。另外，疲劳强度与许多因素（如载荷性质、零件尺寸、表面加工精度、应力集中情况等）有关，因此在这类机械零件的设计过程中必须根据具体工况加以修正。3．摩擦学设计准则

耐磨性是指作相对运动零件的工作表面抵抗磨损的能力。机械零件磨损后，将改变其尺寸与形状，降低机械的工作精度，削弱其强度。据统计，由于磨损而导致失效的零件约占全部报废零件的80%。由于目前对磨损的计算尚无可靠、定量的计算方法，因此常采用条件性计算。

验算压强p不超过许用值，以保证工作面不致产生过度磨损；验算压强和速度乘积pV值不超过许用值，以限制单位接触表面上单位时间内产生的摩擦功不致过大，可防止发生胶合破坏；验算工作速度V。p[p] （2.3a）pv

[pv]

（2.3b）v[v]（2.3c）以上准则可写成:式中，p—工作表面的压强，MPa；[p]—材料的许用压强，MPa；V—工作速度，m/s；[pv]—pv的许用值，MPam/s；[v]—v的许用值，m/s。4．其他准则

刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

若零件刚度不够，其弯曲挠度或扭转角超过允许的限度后，将影响机械系统正常工作。例如车床主轴的弹性变形过大，将影响加工精度；齿轮轴的挠度过大，将影响一对齿轮的正确啮合，并会增加载荷沿齿宽分布的不均匀性。（1）刚度准则y[y] （2.4a）[] （2.4b）[] （2.4c）机械零件在载荷作用下所产生的弹性变形量应小于或等于机器工作时所允许的弹性变形量的极限值，即式中，y、、

－零件工作时的挠度、偏转角和扭转角；[y]、[]、[]－零件的许用挠度、许用偏转角和扭转角。（2）可靠性准则满足强度要求的一批完全相同的零件，在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有零件都能完成规定的功能，必有一定数量的零件会丧失工作能力而失效。

可靠度：机械零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率。可靠度是衡量机械零件可靠性的一个特征量，零件的可靠度本身是一个时间的函数。为了保证所设计的零件具有所需的可靠度，就要对零件进行可靠性设计。2.2机械零件设计的基本要求和一般程序2.2.1机械零件设计的基本要求1．强度机械零件的强度不够，就会在工作中发生断裂或不允许的残余变形等。因此具有适当的强度是设计机械零件时必须满足的最基本要求。提高机械零件的强度措施：

(5)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。(1)采用强度高的材料。(2)使零件有足够的截面尺寸。(3)合理设计零件的截面形状，以增大截面的惯性矩。采用热处理和化学处理的方法来提高材料的机械

强度特性。2．刚三度机械零三件在工三作时所三产生的三弹性变三形量不三超过允三许的限三度，就三满足了三刚度要三求。通三常只有三当弹性三变形过三大就要三影响机三器工作三性能的三零件（三如机床三主轴、三导轨等三），才三需要满三足这项三要求。三对于这三类零件三，设计三时除了三要作强三度计算三外，还三必需作三刚度计三算。实三践证明三，能满三足刚度三要求的三零件，三通常其三强度总三是足够三的。提高机三械零件三的刚度措施：(1)增大零三件截面三尺寸或三增大截三面的惯三性矩。(2)三缩短支三承跨距三或采用三多支点三结构，三以减小三挠曲变三形。(3)三增大贴三合面以三降低压三力，可三提高接三触刚度三。(4)三采用精三加工以三降低表三面不平三度。3．寿三命寿命：机械零三件不发三生失效三而正常三工作所三延续的时间三。影响零三件寿命三的主要三因素有三：材料三的疲劳三、腐蚀三以及相三对运动三零件接三触表面三的磨损三等。4．可三靠性对于绝三大多数三的机械三来说，三失效的三发生都三是随机三性的。造成失三效具有三随机性三的原因三，主要三是由于三零件所三受的载三荷、环三境、温三度等工三况条件三是随机三变化的三，零件三本身的三物理及三机械性三能也是三随机变三化的，三因此为三了提高三零件的三可靠性三，就应三当在工三作条件三和零件三性能两三个方面三使其随三机变化三尽可能三地小。三此外，三在使用三中加强三维护和三对工作三条件进三行监测三，也可三以提高三零件的三可靠性三。5．结三构工艺三性机械零三件应具三有良好三的结构三工艺性三，以便三于加工三和装配三。为此三，应对三机械零三件进行三合理而三正确的三结构设三计；此三外零件三的结构三工艺性三还应从三毛坯制三造、机三械加工三和装配三几个生三产环节三来综合三考虑。6．经三济性机械零三件的经三济性主三要表现三在零件三本身的三生产成三本上。三设计时三应力求三设计出三成本最三低的零三件。零三件的成三本包括三材料的三消耗、三零件的三加工制三造等。三设计时三尽量采三用简单三的零件三结构以三减少加三工工时三；选择三适当的三材料（三如用廉三价材料三代替贵三重材料三）和合三理的工三艺；尽三量采用三标准件三等，都三将对降三低零件三成本有三显著的三作用。2.2三.2三机械零三件设计三的一般三程序不同种三类的机三械零件三，其设三计计算三方法不三同，设三计步骤三亦不同三，通常三可按图三2.1三所示的三设计步三骤进行三：选择类三型受力分三析选择材三料确定计算准则理论设三计结构设三计绘制工三作图编写设三计说明三书图2.三1机三械零件三设计步三骤1．选三择类型2．受三力分析3.选三择材料根据零三件工况三条件及三受载情三况，选三择合适三的材料三及热处三理方法三，确定三材料的三硬度和三许用应三力。通过受三力分析三求出作三用在零三件上的三载荷的三性质、三大小、三方向，三以便进三行设计三计算。主要根三据工况三条件、三载荷性三质及尺三寸大小三选择零三件的类三型。4．确三定计算三准则分析机三械零件三的失效三形式，三确定其三设计计三算准则三。5．设三计计算6．结三构设计根据设三计准则三得到设三计或校三核计算三公式，三确定机三械零件三的主要三几何尺三寸及参三数。如三螺栓的三小径，三齿轮的三齿数、三模数，三轴的最三小直径三等。结构设三计即将三机械零三件的功三能转化三为具体三结构的三设计过三程。设三计中应三考虑零三件的强三度、刚三度、加三工和装三配工艺三性等要三求。使三设计的三零件满三足尺寸三小、重三量轻、三结构简三单等基三本要求三。7．绘三制工作三图8．编三写设计三计算说三明书工作图三必须符三合制图三标准，三要求尺三寸齐全三并标上三必要的三尺寸公三差、形三位公差三、表面三粗糙度三及技术三条件。将设计三计算资三料整理三成设计三计算说三明书，三作为技三术文件三存档。2.3三机三械零件三材料的三选用原三则及常三用材料2.3三.1三机械零三件材料三的选用三原则从各种三各样的三材料中三选择出三合用的三材料，三是一个三较复杂三的技术三经济问三题，通三常主要三考虑以三下三方三面的要三求。1．使三用要求满足使三用要求三是选择三材料的三最基本三原则。使用要三求通常三包括零三件所受三载荷大三小、性三质及其三应力状三况。若零件三尺寸取三决于强度，且尺三寸和重三量又受三到限制三时，应三选用强三度较高三的材料三或强度三极限与三密度的三比值较三高的材三料；承受拉三伸载荷的零件三宜选钢三材；承受压三缩载荷的零件三宜选铸三铁；受冲击载三荷的零件三，宜选三用韧性三好的材三料；承受静三应力的零件三，宜选三用屈服三极限较三高的材三料；在变应力三条件下工作的三零件，三宜选用三疲劳强三度较高三的材料三。若零件三尺寸取三决于刚度，且尺三寸重量三受到限三制时，三应选用三弹性模三量较大三的材料三或弹性三模量与三密度之三比值较三高的材三料。若零件三的尺寸三取决于接触强三度时，应三选用可三进行表三面强化三处理的三材料，三如齿轮三齿面经三渗碳、三氮化或三碳氮共三渗等热三处理后三，其接三触强度三比正火三或调质三处理的三钢大为三提高。三对在滑动摩三擦条件下工作三的零件三，应选三用减摩三性能好三的材料三。在腐蚀介三质中工作的三零件应三选用耐三腐蚀的三材料。三对于重要零三件，应选三用综合三性能较三好的材三料。2．工三艺要求所选材三料应与三机件结三构的复三杂程度三、尺寸三大小以三及毛坯三的制造三方法相三适应。三如外形三复杂、三尺寸较三大的机三件，若三考虑用三铸造毛三坯，则三应选用三适合铸三造的材三料，若三考虑用三焊接毛三坯，则三应选用三焊接性三能较好三的材料三；尺寸三小、外三形简单三、批量三大的机三件，适三于冲压三或模锻三，应选三用塑性三较好的三材料。3．经三济性要三求在机械三的成本三中，材三料费用三约占3三0%以三上，有三的甚至三达到5三0%，三可见选三用廉价三材料有三重大的三意义。三选用廉三价材料三，节约三原材料三，特别三是贵重三材料，三是机械三设计的三一个基三本原则三。为了三使零件三的综合三成本最三低，除三了要考三虑原材三料的价三格外，三还要考三虑零件三的制造三费用。三例如铸三铁虽比三钢材价三廉，但三对一些三单件生三产的机三座，采三用钢板三型材焊三接往往三比用铸三铁铸造三快而且三成本低三。(1)三尽三量采用三高强度三铸铁（三如球墨三铸铁）三来代替三钢材；(2)三采三用热处三理、化三学处理三或表面三强化处三理（如三喷丸、三滚压）三等工艺三，以充三分发挥三材料的三潜在机三械性能三。(3)三合三理采用三表面处三理方式三（如镀三铬、镀三铜、发三黑等）三以延缓三和减轻三腐蚀或三磨损，三延长零三件的使三用寿命三。(4)三在三很多情三况下，三机件在三其不同三部位对三材料有三不同要三求，可三采用组三合式结三构，使三零件的三工作部三分采用三贵重材三料，其三它非直三接工作三部分则三可采用三廉价的三材料。(5)三改三善工艺三方法，三实现少三或无切三削加工三，省料三又省工三，提高三材料利三用率以三降低成三本。降低零三件成本三的措施三：2.3三.2三机械零三件的常三用材料机械零三件常用三的材料三有钢、铸铁、有色金三属、非金属三材料和复合材三料。1．钢钢是机三械制造三中应用三最广和三极为重三要的材三料。按三照化学三成份，三钢可分三为碳素钢和合金钢；按照三零件加三工工艺三，可分三为铸钢和锻钢；按照三用途，三可分为结构钢、工具钢和特殊钢。碳素结三构钢在三机械设三计中最三为常用。碳素结三构钢分普通碳三素钢和三优质碳三素钢两类。对于受三力不大三，而且三基本上三承受静三应力的三不太重三要的零三件，可三以选用三普通碳三素钢。三普通碳三素钢（三如Q2三15、三Q23三5等）三只保证三机械性三能，不三保证其三化学成三份，并三且不适三宜作热三处理，三故一般三用于不三太重要三的或不三需热处三理的机三件和工三程结构三件。碳素钢三的性能三主要决三定于其三含碳量三。低碳钢（含碳三量低于三0.2三5%）三可淬性三较差，三一般用三于退火三状态下三强度不三高的零三件（如三螺钉、三螺母、三小轴）三，也用三于锻件三和焊接三件。低三碳钢经三渗碳处三理可用三于制造三表面硬三、耐磨三并承受三冲击负三荷的零三件。中碳钢（含碳三量0.三25%三~三0.6三%）可三淬性以三及综合三机械性三能均较三好，可三进行淬三火、调三质或正三火处理三，用于三制造受三力较大三的螺栓三、键、三轴、齿三轮等零三件。高碳钢（含碳三量大于三0.6三%）可三淬性更三好，经三热处理三后有较三高的硬三度和强三度，主三要用于三制造弹三簧、钢三丝绳等三高强度三零件。优质碳三素钢（如1三5、4三5、5三0号钢三）可同三时保证三其机械三性能和三化学成三份，可三用于制三造需经三热处理三的较重三要的零三件。合金钢三是由碳三钢在其三中加入三某些合三金元素三冶炼而三成。每一种三合金元三素含量三低于2三%或合三金元素三总含量三低于5三%的称低合金三钢，每一三种合金三元素含三量为2三%~5三%或三合金元三素总含三量为5三%~1三0%三的称中合金三钢，每一三种合金三元素含三量高于三5%或三合金元三素总含三量高于三10%三的称高合金三钢。合金元三素不同三时，钢三的机械三性能有三较大的三变动并三具有各三种特殊三性质。例如，铬能提高三钢的硬三度，并三能在高三温时防三锈耐酸三；镍使钢具三有很高三的强度三、塑性三与韧性三；钼能提高三钢的硬三度和强三度，特三别能使三钢具有三较高的三耐热性三；锰能使钢三具有良三好的淬三透性、三耐磨性三。同时三含有几三种合金三元素的三合金钢三（如铬三锰钢、三铬钒钢三、铬镍三钢），三其性能三的改变三更为显三著。但三合金钢三较碳素三钢价贵三，对应三力集中三亦较敏三感，通三常在碳三素钢难三于胜任三工作时三才考虑三采用。此外，三合金钢三如不经三热处理三，其机三械性能三并不明三显优于三碳素钢三，因此三，合金三钢零件三一般都三需进行三热处理三，以充三分发挥三材料的三潜在机三械性能三。无论是三碳素钢三还是合三金钢，三用浇铸三法所得三的铸件三毛坯均三称为铸钢。铸钢三主要用三于制造三承受重三载的大三型铸件三。铸钢三强度明三显高于三铸铁，三与碳素三钢接近三。铸钢三的弹性三模量约三为铸铁三的2倍三，因此三减振性三不如铸三铁。铸钢存三在易于三产生缩三孔等缺三陷，铸三造工艺三性不如三铸铁。三铸钢品三种很多三，有碳三素铸钢三、低合三金铸钢三、耐蚀三铸钢、三耐热铸三钢等。三附表1三.1为三常用钢三的机械三性能及三应用举三例。2．铸三铁含碳量三大于2三%的铁三碳合金三称为铸三铁。铸三铁是用三量最多三的机械三结构材三料。铸铁三成本低三廉，耐三磨和减三振性能三好。铸铁一三般分为灰铸铁、球墨铸三铁、可锻铸三铁和特殊性三能铸铁等。其三中最常三用的是灰铸铁。灰铸铁三（HT三）主要三用于中三等载荷三以下的三结构件三、复杂三的薄壁三件和润三滑条件三下的摩三擦副零三件等。灰铸铁三的强度三极限随三壁厚增三加而减三小，设三计时应三考虑工三艺需要三使壁厚三尽可能三一致。三灰铸铁三的抗压三强度与三抗拉强三度比约三为4：三1，因三此在结三构上应三当尽量三使铸件三受压缩三，不受三或少受三拉伸或三弯曲。三灰铸铁三的弹性三模量比三钢低，三刚度比三钢差。三灰铸铁三减振性三能好，三常用于三机器的三机座及三机体等三。灰铸三铁属脆三性材料三，不适三宜承受三冲击载三荷，也三不能辗三压和锻三造，不三易焊接三。球墨铸三铁（Q三T）基三体中的三石墨呈三球状，三提高了三基体强三度和承三受应力三集中的三能力，三其强度三比灰铸三铁高一三倍和普三通碳素三钢接近三。球墨三铸铁价三格比钢三便宜，三广泛用三于受冲三击载荷三的高强三度铸件三，如曲三轴、齿三轮等。可锻铸三铁（K三T）主三要用于三尺寸太三小、形三状复杂三、不能三用铸钢三和锻钢三制造，三而灰铸三铁又不三能满足三强度和三高延伸三率要求三时的情三况，它三是铸件三而不是三锻件。三可锻铸三铁强度三和塑性三近似于三普通碳三素钢和三球墨铸三铁。3．有三色金属三合金有色金三属合金三具有某三些特殊三性能，三如良好三的减摩性、跑合性、抗腐蚀三性、抗磁性、导电性等。铝合金三强度与三密度比三值比钢三高，具三有比较三高的机三械强度三；但硬三度低、三抗压强三度低、三不耐磨三、对应三力集中三敏感、三铸造性三能稍差三、弹性三模量低三、线膨三胀系数三高、不三能承受三大的表三面载荷三。选用三铝合金三时应从三结构上三尽量消三除应力三集中和三考虑铸三造工艺三性；与三钢铁零三件一起三使用时三要注意三选择合三适的配三合公差三。铜合金三具有良三好的导三电性、三导热性三、耐蚀三性和延三展性，三是良好三的减摩三和耐磨三材料。铜合金三可分为三黄铜和三青铜两三类。黄三铜是铜三和锌的三合金，三不生锈三、不腐三蚀、具三有良好三的塑性三及流动三性，能三辗压和三铸造成三各种型三材和机三件。青三铜分锡三青铜和三无锡青三铜两种三。锡青三