机械零件设计概论课件

机械设计基础主讲钟良Email:417377611@西南科技大学

例:机构→齿轮机构(三个构件)

齿轮1、齿轮2、机架3

轴、轴承、套筒等→轴系零件齿轮→传动件

键→联接件12构件1←(小齿轮)3最基本的通用零件→机构←构件→零件机器传动零件轴系零件联接零件附件机架避免在预定寿命周期内失效采用标准化零、部件要求工作可靠成本低廉降低材料消耗，减少加工工时大型零件采用组合结构……8.1.1机械零件的失效形式和计算准则失效（failure）：

机械零件由于某种原因不能正常工作时常见失效形式：整体断裂或塑性变形——强度问题表面破坏——表面强度或耐磨性问题弹性变形过大——刚度问题强烈震动——稳定性问题联结的松弛、带的打滑等丝杠断牙部位被联件拉断对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件：计算应力<许用应力；机械零件设计的步骤：

1)拟定零件的计算简图;5)绘制工作图并标注必要的技术条件。防止失效的判定条件是：

计算量<许用量----工作能力计算准则。2)确定作用在零件上的载荷;3)选择合适的材料;4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状;失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。刚度条件：变形量<许用变形量；注意：1、通过设计计算出的零件尺寸一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格将某些计算值加以圆整。2、在一般机器设计中，只有一部分零件是通过计算确定其形状和尺寸的，而其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计；3、设计工作是一个反复进行的过程，经过多次修改方案，改变设计参数，才能得到比较合理的结果。8.1.2机械零件设计的准则1、强度准则（体积静强度，表面静强度）2、刚度准则（抵抗弹性变形）3、耐磨性准则（磨损量，常用接触表面压强来限制）4、散热性准则（热变形）5、可靠性准则（正常工作的概率）6、其他设计准则（临界转速、带传动打滑等）8.2机械零件的强度计算准则：载荷：作用于零件上的力或力矩名义载荷：理想工作条件下的载荷计算载荷：作用于零件的实际载荷，考虑各种附加载荷计算载荷=K×名义载荷载荷系数2.载荷的分类:(按大小及方向是否变化)静载荷变载荷当σmax、σmin均维持常数→稳定交变应力当σmax和σmin的数值随时间而改变→不稳定的变应力

交变应力－随时间作周期性变化的应力*一个应力循环→构件中的应力由“最大值→最小值→最大值”的过程。1.分类2.交变应力的特征及典型的交变应力*最大应力σmax

*最小应力σmin

静应力→不随时间变化，Ｎ≤103变应力→不断随时间变化稳定变应力不稳定变应力循环变应力平均应力应力幅

应力循环特性

*变化规律→σmin／σmax=→应力循环特性*Ｎ

→应力循环次数

→

=－1→对称循环～(对材料损害最大）

当σmin＝0(或σmax＝0)

当σmax＝σmin

→

＝＋1→静应力

当σm＝0(σmax＝－σmin)非对称应力对称应力

=－1脉动应力

=0

静应力=+1→

=0→脉动循环～应力与载荷：：应力(Mpa，N/mm2)F：载荷(N)A：受力面积(m2)静载荷—离心水泵、皮带运输机、恒定压力的压力容器等。变载荷—石油钻杆、抽油杆、井架、汽车底盘等静载荷→通常产生静应力静载荷→也可能产生变应力如转轴中弯曲应力(对称循环)齿轮弯曲应力单侧受载脉动循环8.2.2静应力下的许用应力

σlim–极限应力—与材料、热处理有关塑性材料：σlim=σs屈服极限脆性材料：σlim=σB强度极限

塑性材料→过大的残余变形[σ]=σlim/S=σs/S

脆性材料→断裂[σ]=σlim/S=σB/S

变应力下的许用应力1.失效形式:→疲劳断裂⑴疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低；⑵不管脆性材料或塑性材料，其疲劳端口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；⑶疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时,就突然断裂。疲劳断裂与应力循环次数有关

2材料的疲劳曲线σrN–N（Curveoffatigue）N0有限寿命区无限寿命区ABCσrNNoσr—

疲劳极限N0—循环基数M（指数）、C实验常系数σrN1σrN2N1N2σrN0103设计寿命N≥N0时：材料σlim=

σr对称循环，r=-1，疲劳极限-1脉动循环，r=0，疲劳极限0材料的条件疲劳极限σrN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）式中：KN--寿命系数N＜103时，按静强度计算当N＞N0时，KN=1;设计寿命103≤N≤N0：材料σlim=

σrNN0有限寿命区无限寿命区σrNNABCo103AB:m、C—材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）N<N0时，rN>r，采用rN可得到较大的许用应力，即“有限寿命”下零件的许用应力，从而减小零件的体积和重量。②疲劳强度的影响因素（Influencefactorsoffatiguestrength）(1)应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力尺寸效应:绝对尺寸系数:

(3)表面状态尺寸增加，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数:

k(2)绝对尺寸表面状态系数:降低③许用应力:对称循环:

=－1脉动循环:

=

0其中σ0

为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。以上各系数均可机械设计手册中查得。4.安全系数:查表法2)静应力下，脆性材料强度极限为极限应力。S=3~43）变应力下，以疲劳极限为极限应力。S=1.3~1.7部分系数法：S=S1•S2•S3S1—考虑载荷及应力计算的准确性。S2—考虑材料力学性能的均匀性。S3—考虑零件的重要性。1）静应力下，塑性材料一屈服极限为极限应力。S=1.2~1.5第九章机械零件设计概论例

一小型转臂吊车如图所示，横梁采用工字钢，电动葫芦（图中未示出）与横梁上的小车相连。小车移动和横梁转动用人力操纵。小车、电动葫芦的自重及起重机总计为W=20KN。试分析（1）拉杆、横梁及支承B的作用力；（2）拉杆、横梁可能出现的主要失效形式及其判定条件。解（1）如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为示力体，若略去横梁自重，其上作用有力W、F及支承B的约束反力，这些力处于同一平面内。第九章机械零件设计概论由

=0得

kN(拉力)

拉力F可分解为

和

：

=Fcos30°=33.87×0.866=29.33kN

=Fsin30°=33.87×0.5=16.94kN

由

=0得

kN

由

=0得

kN顺便指出，后两个方程改写成

=0和

=0，同样可以求解。第九章机械零件设计概论2）小型起重设备，一般工作不频繁，满载起重次数不多，故本题可按承受静载荷考虑，以最大起重量(包括小车、电动葫芦自重)作为计算载荷。拉杆、横梁材料均选用Q235钢。失效形式分析及判定条件，列表如下：项目载荷可能出现的主要失效形式判定条件拉杆拉力F强度不足，出现塑性变形或断裂。σ≤[σ]，σ、[σ]为拉应力、许用拉应力。

横梁

(即压杆)主要有：

移动载荷W

压力F当移动载荷W位于横梁中部时：

若弯曲变形(挠度y)过大，即刚度不足，可能引起小车在横梁上行走困难。

若弯曲应力与由引起的压应力的合成应力过大，即强度不足，可能出现塑性变形或断裂。

若压杆长细比值较大时，可能出现侧弯，即抗侧弯刚度不足，属于压杆稳定性问题。本题中，在xoz平面内，工字梁抗侧弯刚度最小，在此平面内引起侧弯的载荷只有。y≤[y]，

y、[y]为变形量、许用变形量。

y≤[y]，

σ、[σ]为应力、许用应力。

为的临界载荷，为最小安全系数。第九章机械零件设计概论例2一车轴如图9-5所示。已知=F=110kN，轴的材料为Q275钢，=550MPa，=240MPa，规定的安全系数=1.5。试校核A-A截面的疲劳强度。解（1）车轴转动时，载荷F的大小、方向都不变，故轴受对称循环弯曲变应力，循环特性为r=-1。

（2）A-A截面的弯曲应力弯矩M=110×10×82=9.02×10Nmm

截面系数W=πd/32=π×108/32=124×10mm

弯曲应力=/W=9.02×10/(124×10)=72.7MPa（3）求各项系数(由机械设计手册中查取)由=550MPa，D/d=133/108=1.23，查得

弯曲时的有效应力集中系数=1.34，尺寸系数

=0.68.表面粗糙度及=550MPa，查得表面状态系数=0.95（4）疲劳强度校核弯曲时安全系数安全。

(一)疲劳点蚀如果两个零件在受载荷前是点接触或线接触，当受压变形后，其接触后形成一小面积，且表面产生很大的局部应力，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。

疲劳点蚀----减小接触面积，损坏光滑表面，降低了承载能力，并引起振动和噪声。齿轮，滚动轴承等零件的主要失效形式。1.表面接触强度8.3机械零件的接触强度当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时其接触面积为一狭长矩形，最大接触应力发生在接触区中线上，其值为：

对于钢或铸铁，可取泊松比1=

2=0.3代入上式整理后得：=0.418接触强度的判定条件为：以面接触而无相对运动的零件，通过接触面来传递载荷时接触面会产生挤压应力。表面挤压强度不足时，塑性材料零件表面可能产生塑性变形，脆性材料表面可能产生压溃，引起零件失效。计算表面挤压强度时，接触应力按接触表面平均应力进行条件性计算，强度条件为2.表面挤压强度耐磨性磨损的主要类型1)磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。2）粘着磨损若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损。3）疲劳磨损4）腐蚀磨损在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损。耐磨性计算实用耐磨性计算是限制运动副的压强P,相对速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量fpv。8.5机械制造常用材料及其选择

钢和铸铁最常用，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。一、金属材料黑色金属—铁碳合金铁碳含金

→铸铁(含碳量大于2％)

↘钢(含碳量小于2％)机械性能—总体上，含碳量越高，材料强度硬度提高、塑性下降。1、铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，可铸成形状复杂的零件。减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，机械制造中应用甚广。常用铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰口铸铁HT150(抗拉强度150MPa）球墨铸铁QT500-7(抗拉强度500MPa，拉伸率7%）两者均为脆性材料,不能辗压和锻造常用在机器的基础或箱体(时效处理—消除铸造内应力)2、钢具有高的强度、韧性和塑性，可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，应用极为广泛。按用途分：

1）结构钢(制造零件和工程构件)2）工具钢(制造各种刃具、模具和量具)3）特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)(制造特殊环境下工作零件）按化学成分：

1）碳素钢—含碳量不超过0.7%（低中高碳钢）①普通碳素钢—Q235（A3钢)等(屈服强度235MPa)②优质碳素钢—45等(含碳量0.45%左右）

2）合金钢—钢中添加合金元素，如镍、铬、锰、钼、钒等，极大地改善钢材性能。如：40Cr35CrMo40CrNiMo等,采用40CrNiMo制造钻具。

3）合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，更大程度上取决于适当的热处理。4、铸钢

液态流动性比铸铁差，用普通砂型铸造，壁厚常不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。如：ZG230-450（屈服强度—抗拉强度）选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用我国资源丰富的硅、锰、硼、钒类合金钢。常用钢铁材料的力学性能3、有色金属合金（减摩、耐腐蚀）1）铜合金分为青铜与黄铜：黄铜=铜＋锌（含少量锰、铝、镍等），具有很好的塑性及流动性，可进行辗压和铸造，可制造散热器、油管、垫片、螺钉等；青铜=铜＋非锌合金（锡Sn,铅Pb,铝Al）分为含锡青铜和不含锡青铜两类，减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。2）轴承合金（称巴氏合金）为铜、锡、铅、锑的合金，其减磨性、导热性、抗胶合性好，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。2、非金属材料1、橡胶—弹性好，吸振、密封等(联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可制造水润滑的轴承衬)；2、塑料—比重小，易于制成形状复杂的零件。不同塑料具有耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等特点(仪表支架、塑料齿轮、摩擦片等）3、陶瓷、皮革、木材、石棉等。陶瓷轴承陶瓷材料的成份主要是氧化硅、氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化钛等3、复合材料将两种或两种以上不同性质的材料通过不同的工艺方法人工合成多相的复合材料，它既可以保持组成材料各自原有的一些最佳特性，又可具有组合后的新特性，这样就可根据零件对于材料性能的要求进行材料配方的优化组合。复合材料主要由增强材料和基体材料组成。还有一类是通过加入各种短纤维等的功能复合材料，如导电性塑料、光导纤维、绝缘材料等。例如，可把纤维强度很高的玻璃、石墨、硼等非金属材料与金属、塑料、陶瓷等基体材料复合成各种纤维增强复合材料，用来制造薄壁压力容器、汽车外壳等。又如在普通碳素钢板表面贴附塑料或不锈钢，可分别获得强度高而又耐腐蚀的塑料复合钢板或金属复合钢板。由于复合材料的价格比较高，目前主要应用于航空、航天等高科技领域。近年来以材料的功能复合目的出发，应用于光、热、电、阻尼、润滑、生物等方面的新复合材料不断问世，复合材料的应用范围正不断地扩大。双金属轴承以优质低碳钢板为基体，表面烧结铅锡青铜合金，经数次高温烧结和致密轧制而成。结合强度高、承载能力大、耐摩性能好等。特别适合于中速中载及低速高载等场合钢的热处理

1.改变金属内部结构提高材料力学性能

2.消除内应力(加工，热处理)1.目的:2.方法:退火,正火,淬火,回火,时效,表面热处理退火:将零件加热到某一温度→保温→随炉冷却→消除内应力,硬度减小→改善切削性能正火:加热到某一温度→保温→较快冷却(例空冷)→硬度，强度有所提高消除内应力(不如退火)淬火:加热到某一温度→保温→急速冷却

回火:硬度大大提高→耐磨性,疲劳强度提高内应力增大→需消除(回火)→内应力及脆性均较大↓,硬度↓,弹性↑→弹簧内应力及脆性均↓,硬度及强度均较高→刀具低温～→中温～→高温～→加热到某一温度(较低)→保温→冷却(空冷)时效：作用与回火类似自然时效、人工时效

综合力学性能较好(强度、硬度、塑性、韧性)→结构件→调质表面热处理:强化零件表面→表面淬火,化学热处理→表面硬度及耐磨性↑芯部韧性不变将某种化学元素(活性原子)渗入零件表面→力学性能↑→表面很硬,芯韧表面硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度↑→表面迅速加热→急冷→低温回火渗碳(碳原子):氮化(氮原子):氰化(碳+氮):9.3机械零件的结构工艺性及标准化一、工艺性在具体生产条件下，所设计的机械零件易加工、装配，费用低→工艺性好基本要求：1、毛坯选择合理----铸件、型材、冲压、焊接、锻造2、结构简单合理----机床加工尽量方便、省时，便于装配3、精度、粗糙度合理----根据实际需要为了便于加工，对于车、刨、滚切和磨等加工表面，应留有退刀槽或砂轮越程槽极限与配合、表面粗糙度和优先系数一、极限与配合互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就能满足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于基本尺寸而言，总是有误差。或大或小实际尺寸Φ25.11轴实际尺寸实际尺寸基本尺寸实际尺寸Φ25.11孔φ25孔基本尺寸轴φ25轴Φ24.99最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；尺寸误差：实际尺寸与理论设计尺寸之差；上偏差：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es下偏差：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,eiesESeiEI尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即允许的尺寸变动量。ES-EIes-ei公差=Lmax-Lmax=ES-EI=es-eiLmin孔φL孔Lmax孔轴LLmax轴Lmin轴轴LLmax轴Lmin轴零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；零线ESEI孔公差带esei轴公差带国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示：孔：ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC

轴：abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc

基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。+0-零线L孔：ABCCDDEEFFFGGHJSKMNPRSTUVWXYZZAZBZC

轴：abccddeefffgghjskmnprstuvwxyzzazbzc

基本偏差系列呈正态分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs轴+0-基本尺寸配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间的关系；间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；间隙：代数差为“+”，孔>轴;过盈：代数差为“-”，孔<轴;公差等级：国标规定了20个等级，用阿拉伯数字：001123456789101112131415161718表示。标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7。常用公差等级的应用4、5级用于特别精密的零件；6、7、8级用于重要的零件；8、9级用于中速及中等精度要求的零件；10、11级用于低速、低精度的零件。可直接采棒材、管材、精密锻件而不用切削加工。间隙配合孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带过盈配合过渡配合孔公差带轴公差带孔公差带轴公差带孔公差带YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmaxYmaxYmaxXminXmaxXmin=0Ymin=0轴公差带XmaxYminH零线D孔公差kjshgefrpms间隙配合过渡配合过盈配合配合基准制基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0，代号为:H，通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。基孔制配合基轴制配合应用广泛，可减少孔加工刀具零线hD轴公差KJSHGEFRPMS间隙配合过渡配合过盈配合基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0，代号为:h，通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰高yp轮廓谷深yv中线lyx定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数：轮廓算术平均偏差(Ra)----取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：0.0120.0250.050.10.20.40.81.63.26.312.52550100表

用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度Raμm精粗刨削钻孔铰孔精

粗镗孔精

粗车精

粗磨精

粗研磨滚、铣精

粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：1.对摩擦磨损的影响摩擦系数Ra零件表面愈粗糙，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。2.对疲劳强度的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。3.对耐腐蚀的影响4.对结合处密封性能的影响5.对振动和噪声的影响等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。优先数系

优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。

产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。优先数系是一个以公比为：qr=10的十进等比级数，rGB321-80规定了四个优先数系的基本系列：R5q5=10≈1.65R10q10=10≈1.251