机械零件设计概论改

第9章

机械零件设计概论§9－1

机械零件设计概论§9－2

机械零件的强度§9－3

机械零件的接触强度§9－4

机械零件的耐磨性§9－5

机械制造常用材料及其选择§9－6

公差与配合、表面粗糙度和优先数系§9－7

机械零件的工艺性及标准化第一页，共四十七页。机械原理中：机器的基本组成要素是构件，是从运动

的观点来考虑；机械设计中：机器的基本组成要素是零件，是从制造

的观点来考虑；研究内容：通用零件零件专用零件部件：由许多零件所组成的独立制造或独立装配的一个组合体，如减速器、轴承等第二页，共四十七页。机械设计部分的特点：“四多”－－关系多、要求多、公式多、图表多学习时应注意：理论与实践结合重视结构设计第三页，共四十七页。§9－1

机械零件设计概论机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。一、基本概念机械零件的失效：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，零件所能安全工的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。第四页，共四十七页。强度----构件在载荷作用下抵抗破坏的能力刚度----构件在载荷作用下抵抗变形的能力稳定性----构件保持其原有平衡状态的能力耐磨性----作相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能二、机械零件的失效形式及计算准则（－）零件的失效形式1.整体断裂1）一次击裂：零件在一次性外力作用下，由于某一危险剖面上的应力超过零件的

强度极限而发生的断裂。第五页，共四十七页。2）疲劳断裂：零件在变应力作用下，危险截面上的应力大于零件的疲劳极限而发生的断裂。2.过大的弹性变形;如机床主轴。工作表面的过度磨损或损伤;正常工作条件被破坏引起的失效如带传动等。（二）计算准则机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等方面的影响。第六页，共四十七页。强度条件：计算应力≤许用应力；刚度条件：变形量≤许用变形量归纳为：防止失效的判定条件是：计算量≤许用量----工作能力计算准则。三、机械零件的设计方法设计计算：根据主要的失效形式，运用相应的计算准则确定零件的形状和主要尺寸；校核计算：参照实物或经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后用相关的准则进行验算。第七页，共四十七页。拟定零件的计算简图;确定作用在零件上的载荷;选择合适的材料;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;注意，零件尺寸的计算值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谁、规格加以圆整绘制工作图并标注必要的技术条件。四、

机械零件的设计步骤第八页，共四十七页。名义载荷-----在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。§9－2

机械零件的强度名义应力-----按名义载荷计算所得之应力。载荷系数K----考虑各种附加载荷因素的影响。计算载荷-----载荷系数与名义载荷的乘积。计算应力-----按计算载荷计算所得之应力：σ、τ强度判定条件：然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入[σ]

、[τ]-----许用应力

S-----安全系数σlim、τ

lim

-----极限应力，由实验方法测定。第九页，共四十七页。一、应力的种类（按应力随时间的变化特性分）otσσ=常数σmax脉动循环变应力r

=0σm静应力:

σ=常数平均应力:变应力:σ随时间变化应力幅:Tσmaxσminσaσaσm循环变应力oσ变应力的循环特性:σmaxσmin

σaσat

oσ-1=

0+1totσσaσaσminr

=+1----对称循环变应力----脉动循环变应力----静应力静应力是变应力的特例对称循环变应力r

=-1第十页，共四十七页。二、静应力下的许用应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形对于塑性材料，当应力达到屈服极限σS时，零件将发生明显的塑性变形而影响其正常工作，即失效。故取屈服极限σS

作为极限应力,许用应力为：对于脆性材料，直到断裂也无明显的塑性变形，断裂是脆性材料破坏的唯一标志，故取强度极限σB

作不管为脆性材极料或限塑性材应料，力许用应力为：第十一页，共四十七页。三、变应力下的许用应力变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：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;疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。疲劳断裂是与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂——此关系用疲劳曲线来描述。第十二页，共四十七页。1、疲劳曲线NOσσ-1N0σ-1NN应力σ与应力循环次数N

之间的关系曲线称为：疲劳曲线由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当N>N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。N0

--循环基数N0

对应的应力称为：材料的疲劳极限用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。当

N

<

N0

时,

有近似公式：对应于循环次数N

的弯曲疲劳极限：式中：m为随应力状态不同的幂指数第十三页，共四十七页。2、许用应力在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。再引人应力集中系数kσ、尺寸系数εσ和表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力为：当应力是脉动循环变化时，许用应力为：σ0

为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。有限寿命时，用σ-1N代入得：第十四页，共四十七页。四、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响S↑→ 零件尺寸大，结构笨重。S↓→

可能不安全。典型机械的

S

可通过查表求得。

无表可查时，按以下原则取：1）静应力下，塑性材料的零件：S

=1.2～１.5铸钢件：S

=1.５～２.5２）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S

=3～43）变应力下，

S

=1.3～1.7材料不均匀，或计算不准时取：

S

=1.7～2.5第十五页，共四十七页。§9－3

机械零件的接触强度若两个零件高副接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复

作用下，首先在表层内约20μm处产生初始疲劳裂纹，然后裂

纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力。失效形式常表现为：疲劳点蚀裂金纹属初属初的剥始剥始扩落疲落疲展出劳与现裂断小纹小纹裂坑后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。油第十六页，共四十七页。由弹性力学可知，应力为：对于钢或铸铁取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3

,则有简化公式。上述公式称为赫兹(H·Hertz)公式“+”用于外接触，“-”用于内接触。σH

σHbρ1ρ2Fnρ1bρ2σH

σHFn第十七页，共四十七页。σH

-------最大接触应力或赫兹应力;b

-------接触长度;Fn

-------作用在圆柱体上的载荷;-----综合曲率半径;-----综合弹性模量;

E1、E2

分别为两圆柱体的弹性模量。接触疲劳强度的判定条件为：bFn第十八页，共四十七页。§9－4机械零件的耐磨性运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损↑→间隙↑、精度↓、效率↓、振动↑、冲击↑、噪音↑磨粒磨损粘着磨损(胶合磨损)复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬磨损的主要类型质：颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。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(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。3）疲劳磨损(疲劳点蚀)在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当载荷重4）腐蚀磨损第十九页，共四十七页。实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:p

≤[p][p]由实验或同类机器使用经验确定相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量f

p

v。在摩擦系数一定的情况下，可将p

v

值与许用的[p

v]值进行比较。即:p

v

≤

[p

v

]第二十页，共四十七页。§9－5机械制造常用材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。一、金属材料常用金属材料铸铁钢铜合金----含碳量>2%----含碳量≤2%铁碳合金1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。H

T

Q

T

K

T

（+该材料的强度极限）特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。第二十一页，共四十七页。2.钢按用途分结构钢：各种机械零件、工程结构构件工具钢：量具、刃具、模具特殊钢：如不锈钢、耐热钢、耐酸钢按化学成份分炭素钢合金钢普通钢：含硫、磷杂质较多按冶金质量分优质钢：含硫、磷杂质较少低炭钢 含碳量<

0.25%中炭钢

含碳量0.25～0.5%高炭钢

含碳量>0.55%钢有如下分类办法：第二十二页，共四十七页。牌号：1)对于普通炭素结构钢，用屈服极限来描述，如牌号Q215－表示屈服极限σS＝215MPa 的普通炭素结构钢;2)对于优质炭素结构钢，用两位数字来描述，如20－－两位数字示该材料含炭量的万分之几，如45表示含炭量为45‰优质炭素结钢，读为45号钢；3）合金钢，直接在优质炭素结构钢后加合金元素,如40Cr特点：与铸铁相比，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。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。选用原则：“价格便宜且供应充分,我国资源丰富

”优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。第二十三页，共四十七页。表9-2材

料常用材料的相对价格种

类

规

格 相对价格热轧圆钢铸件碳素结构钢Q235

（φ

33~42）优质碳素钢（φ

29~50）合金结构钢（φ

29~50）滚动轴承钢（φ

29~50）合金工具钢（φ

29~50）11.5~1.81.7~2.533~20灰铸铁铸件碳素钢铸件0.851.7铜合金、铝合金铸件8~10第二十四页，共四十七页。3.铜合金种类青铜黄铜-含锡青铜、不含锡青铜-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍轴承合金（巴氏合金）特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。二、非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。第二十五页，共四十七页。2. 塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而选材因素：且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。第二十六页，共四十七页。表9-1

常用钢铁材料的牌号及力学性能料

力

学

性

能 试件尺寸材类

别碳素

结构钢优质碳素结构钢合金结构钢牌

号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531Q235375-46023526d≤

16Q275490-6102752020410245253553031520d≤

25456003551635

SiMn40Cr883981735785159d≤

25d≤

2520CrMnTi60Mn1079981834785108d≤

15d≤

80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----壁厚

10~20灰铸铁HT200195----HT250240----QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚

30~200第二十七页，共四十七页。§9－6

公差与配合、表面粗糙度和优先系数一、

公差与配合互换性：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。或大或小基本尺寸轴φ25实际尺寸Φ25.1轴轴24.9孔Φ24.9孔φ25孔Φ25.1实际尺寸实际尺寸基本尺寸实际尺寸第二十八页，共四十七页。轴LLmax轴Lmin轴Lmin孔φL最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；esESEI

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,ei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-eiei公差=Lmax-Lmin孔Lmax孔=ES-EI

=es-ei第二十九页，共四十七页。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；轴LLmax轴Lmin轴零线

+0-零线L孔公差带ESEIesei轴公差带基本偏差：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。国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示：孔：A

B

C

CD

D

E

EF

F

FG

G

H

JS

K

M

N

P

R

S

T

U

V

WX

Y

Z

ZA

ZB

ZC轴：a

b

c

cd

d

e

ef

f

fg

g

h

js

k

m

n

p

r

s

t

u

vw

x

y

z

za

zb

zc第三十页，共四十七页。BCCDD

E

EFAFFG

G

HK

M

NP

R

S

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U

VX

Y

ZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸cdd

efe

fgg

hm

np

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s

tu

v

xy

zzazbzcjsk轴+0-c基本尺寸

ba孔：A

B

C

CD

D

E

EF

F

FG

G

H

JS

K

M

N

P

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

ZA

ZB

ZC轴：a

b

c

cd

d

e

ef

f

fg

g

h

js

k

m

n

p

r

s

t

u

v

w

x

y

z

za

zb

zc基本偏差系列呈正态分布第三十一页，共四十七页。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：0

01

1

2常用公差等级的应用3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18表示。标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7。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。第三十二页，共四十七页。配合类型间隙配合过渡配合过盈配合孔<轴，用于静联接，如火车轮与轴。孔>轴，用于可动联接，如活动铰链；可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；最大间隙:最小间隙:Xmin

=

孔min-轴maxXmax

=

孔max-轴min最大过盈:Ymax

=

孔min-轴max最小过盈：

Ymin

=

孔max-轴min第三十三页，共四十七页。间隙配合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孔公差带轴公差带孔公差带孔公差带YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmax

YmaxYmax

孔公差带XminXmaxminX

=

0Ymin=

0

轴公差带XmaxYmin轴公差带过渡配合第三十四页，共四十七页。零线DH孔公差kjshgferpms间隙配合过渡配合配合基准制基孔制配合基轴制配合基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0，

代号为:H

，通过改变轴的公差带来获得各种不同的配合特性。过盈配合应用广泛

，可减少孔加工刀具第三十五页，共四十七页。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获得各种不同的配合特性。第三十六页，共四十七页。基孔制常用与优先配合的选用第三十七页，共四十七页。基轴制常用与优先配合的选用第三十八页，共四十七页。二、

表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰高ypyv轮廓谷深中线yx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----取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值：l第三十九页，共四十七页。0.012

0.025

0.05

0.1

0.2

0.4

0.8

1.6

3.2

6.3

12.5

25表9-3

用不同加工方法得到的Ra加工方法表面粗糙度

Ra

μm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。第四十页，共四十七页。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。摩擦系数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。对耐腐蚀的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。对结合处密封性能的影响零件表面愈光滑，密封性能愈好。对振动和噪声的影响等等零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。第四十一页，共四十七页。三、

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=r

10

的十进等比级数，GB321-80规定了四个优先数系的基本系列：R5

:

q5=

5

10

≈1.6R10

:

q10=10

10

≈1.25R20

:

q20=20

10

≈1.12R40

:

q40=40

10

≈1.06第四十二页，共四十七页。优先数系的基本系列R5

1.00

1.60

2.50

4.00

6.30

10.00R10 1.00

1.25

1.60

2.00

2.50

3.15

4.00

5.00

6.30

8.00

101.00

1.12

1.25

1.40

1.60

1.80

2.00

2.24

2.50

2.803.554.004.505.005.606.307.108.00

9.00

10.001.001.061.121.181.251.321.401.50

1.60

1.701.902.002.122.242.362.502.652.80

3.00

3.153.553.754.004.254.504.755.005.30

5.60

6.006.707.107.508.008.509.009.5010