《机械设计基础 》课件第8章

8.1概述8.2零件的体积强度8.3机械零件的接触强度8.4零件的耐磨性8.5零件的常用材料与热处理8.6互换性简介8.7零件的工艺性与机械设计的有关原则习题8.1.1零件设计的基本要求

零件设计的基本要求是工作可靠、成本低廉。

工作可靠是指零件应具有足够的强度、刚度、耐磨性等性能，在规定的使用期限内不出

现失效，以保证零件及机械设备的正常工作。

成本低廉是指零件的材料及加工工艺成本低廉，为此应注意以下几点：

(1)合理选择材料，降低材料成本；

(2)零件结构工艺性要好，降低加工工艺成本与装配成本；

(3)尽量采用标准化、通用化设计，既优质低耗，又简化设计过程。8.1概述8.1.2机械零件的失效形式

机械零件因某种原因而不能正常工作的现象称为失效。机械零件常见的失效形式主要有以下几种：

(1)断裂。断裂是指零件发生破断的现象。断裂可能是因过载引起的断裂，但更经常的是由于零件有缺陷、应力集中严重、循环交变应力作用引起的疲劳断裂。

(2)过大的变形。零件的变形分为弹性变性和塑性变形。机械零件在应力作用时首先产生弹性变形，当应力超过材料的屈服极限时会产生塑性变形。一般来讲，弹性变形过大就会影响机器的运转性能，因此，塑性变形通常是不允许的。

(3)表面失效。机械零件的表面失效是指其表面所发生的破坏现象，常见的有磨损、腐蚀和接触疲劳点蚀等形式。

(4)工作条件破坏引起的失效。有些零件只有在一定条件下才能正常工作，如果破坏了这些条件，将会发生失效。如摩擦发热导致零件出现承载能力下降、润滑油膜破坏、产生发热膨胀使零件互相“咬死”等现象，又如零件的振动频率超过其规定值时产生共振而导致零件或整个系统损坏，此外还有摩擦传动打滑、联接松弛等。

在实际工作中，机械零件的失效形式往往不止一种。当有多种失效时，应分别考虑，最后确定能同时保证各种失效都不发生的方案。8.1.3机械零件的设计准则

在一定的工作条件下，零件抵抗可能出现的失效的能力称为零件的工作能力。工作能力可以针对温度、气压、速度等而言，更经常地是针对载荷。针对载荷而言的工作能力称为承载能力。

为防止零件失效而制定的判定条件称为机械零件的设计准则，也称为计算准则。机械零件的失效形式很多，相应的设计准则也很多，但在工程上常用的设计准则主要有以下几种。

1．强度准则

强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面疲劳点蚀、压溃等失效的能力。

强度不足引起的失效是目前大多数零件的主要失效形式。零件因强度不足而失效，将破坏机械的正常工作，甚至可能造成设备、人身事故。强度分为体积强度和表面强度两种。体积静强度不足，将使零件发生断裂或塑性变形；表面静强度不足，将使零件表面压溃或产生塑性变形；体积或表面疲劳强度不足，将使零件发生疲劳断裂或表面疲劳点蚀。体积强度准则为：零件在载荷作用下，其危险截面处的最大应力不超过允许的限度(称为许用应力)，或者零件在危险截面处的实际安全系数大于或等于许用的安全系数。表面强度准则为：零件表面处的最大应力不超过许用应力。

2．刚度准则

刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度准则为：零件在载荷作用下产生的最大弹性变形量不超过许用值。刚度准则一般是用各种弹性变形量的计算公式来表示的。和强度准则一样，刚度准则也是机械零件的重要设计准则之一，它是某些机械零件(例如机床主轴等)的主要设计准则。

3．耐磨性准则

磨损是指零件相互接触的表面因摩擦而造成表面材料损耗的现象，它使零件的几何形状和尺寸发生变化。

耐磨性准则是：零件的磨损量在预定工作期限内不超过许用值。零件磨损的机理很复杂，对磨损量的计算目前尚无完善的理论依据。因此，耐磨性准则常以限制零件接触表面的压强来表示，即零件工作表面的压强不大于许用压强。由于耐磨性主要是通过限制压强这一条件来实现的，因此耐磨性准则属于条件性准则。

4．散热性准则

零件在工作时如果温度过高，将导致润滑剂失去作用，使零件产生不利的热变形及附加应力，从而使零件不能正常工作。散热性准则为：零件的工作温度不超过许用温度。

5．可靠性准则

对大批量生产而无法逐个检验产品质量的零部件，通常要知道该产品的可靠性。可靠性的衡量指标是可靠度，即零件在规定的使用条件下和规定的使用时间内能正常工作的概率。

可靠性准则就是要求所设计零件的工作可靠度不小于规定值。

6．其他设计准则

除以上设计准则外，还有一些针对零件的特殊失效形式而建立起来的设计准则。比如为防止轴类零件振动失效的临界转速准则、为防止带传动打滑的额定功率准则等。同一零件在一定工作条件下可能有几种不同的失效形式，对应于不同的失效形式就有不同的设计准则。例如，设计机床主轴时，为防止断裂失效，必须要考虑强度准则；为防止过大的弹性变形而降低被加工零件的精度，必须要考虑刚度准则。再如机床导轨，除了保证强度和刚度外，还要有良好的耐磨性，否则会破坏机床精度。8.1.4机械零件设计的一般步骤

机械零件的设计常按下列步骤进行：

(1)拟定零件的计算简图；

(2)根据零件的工作情况，确定作用在零件上的载荷及其分布；

(3)根据零件的工作条件和经济性，选择合适的材料及毛坯成型方法；

(4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的主要尺寸或参数；

(5)按结构和工艺性要求绘制工作图。上述根据设计准则计算确定零件主要尺寸或参数的计算称为设计计算。在实际工作中，也常采用相反的方式——校核计算。这时先参照实物(或图纸)和经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后再用有关的判定条件进行验算。应当注意：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准、规格加以圆整。机械设计中应优先选用标准件，只有一些重要的零件是通过设计计算来确定其关键参数或尺寸的，其他零件往往根据其结构和工艺性要求，采用经验数据或参照规范来确定。理想、平稳的工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。按照名义载荷用力学公式求得的零件截面上的应力，称为名义应力。由于机器运转时，零件会受到各种附加载荷的作用，因此，根据名义载荷或名义应力设计机械零件是不科学的。实际设计中通常用引入载荷系数K(有时只考虑工作情况的影响，则用工作情况系数KA)的办法来估计这些因素的影响。

载荷系数与名义载荷的乘积称为计算载荷。按照计算载荷(必要时还要引入应力集中等影响系数)计算出的应力称为计算应力。8.2零件的体积强度当机械零件按照强度条件判定时，常用的一种方法是比较零件危险截面的计算应力(σ、τ)是否小于零件材料的许用应力(［σ］、［τ］)，即(8-1)式中，S为安全系数；σlim、τlim分别为材料的极限正应力和极限切应力，其值与应力类型、材料种类及热处理方法有关；σ、τ分别为正应力和切应力的计算应力。

需要注意的是：材料的极限应力一般是在简单应力状态下用实验方法测出的，因此，对在简单应力状态下(拉、压、弯曲、扭转)工作的零件，可将正应力或切应力直接带入式(8-1)；对在复杂应力状态下工作的零件，则应根据材料力学中的强度理论，将正、切应力带入适当的公式求出计算应力σc，再将计算应力σc带入式(8-1)以判定强度是否满足。由上述可知，许用应力取决于应力类型、零件材料的极限应力和安全系数等。

为了简便，以下论述中应力σ是广义的应力。对于简单应力状态，σ代表正应力或切应力；对于复杂应力状态，σ代表按某种强度理论计算出的计算应力。8.2.1应力的分类与描述

按照随时间变化的情况，应力可分为静应力和变应力。

不随时间变化的应力称为静应力，实用中将变化缓慢(应力变化的次数小于103)的应力也看做静应力，例如锅炉的内压力所引起的应力，拧紧螺母所引起的应力等。

随时间变化的应力称为变应力。其中，随着时间的变化，应力改变完全无规律的称为随机变应力，随机变应力属于“概率工程设计”的研究内容，本书不予讨论；呈周期性变化的应力称为循环变应力，图8-1(b)所示为一般的非对称循环变应力，图中T为应力循环周期。图8-1应力的类型(a)静应力；(b)非对称循环；(c)对称循环；(d)脉动循环由图8-1(b)可知(8-2)式中，σmax、σmin、σm、σa分别称为最大应力、最小应力、平均应力和应力幅。(8-3)除上述参数外，还可用应力循环特性来描述应力变化情况。应力循环特性用字母r表示，定义为最小应力与最大应力之比，即

σmax＝-σmin(即r

＝-1)的变应力称为对称循环变应力(见图8-1(c))，其σa＝σmax＝-σmin，σm＝0；σmax≠0，σmin＝0，σa＝σm＝0.5σmax的变应力称为脉动循环变应力(见图8-1(d))(r

＝0)；静应力(见图8-1(a))可看做是σmax

＝σmin(r

＝+1)的变应力。理论和实践都证明，在各种循环特性的周期性变应力中，r＝-1时的变应力对材料的损伤最大。8.2.2静应力下零件的许用应力静应力作用下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于用塑性材料制成的零件，一般应按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力，故许用应力为(8-4)

对于用脆性材料制成的零件，则应取材料的强度极限σB作为极限应力，其许用应力为(8-5)对于组织均匀的脆性材料，例如淬火后低温回火的高强度钢，还应考虑应力集中的影响。

灰铸铁虽然属于脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔及大石墨存在，其内部组织的不均匀性远远大于外部应力集中的影响，而内部组织不均匀对强度的影响已体现在材料的极限应力中了，故计算时不考虑应力集中。

常用钢铁材料的极限应力与热处理方法和试件尺寸等因素有关，其数值详见有关机械设计手册。8.2.3变应力下零件的许用应力

变应力下零件的失效形式往往是疲劳断裂。

1．疲劳断裂的特征及其机理

(1)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。

(2)不管是脆性材料还是塑性材料，其最终的断口均表现为无明显塑性变形的脆性断裂。

(3)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，随着应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，材料逐渐硬化，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在零件的断口上可以清晰地看到这种情况。图8-2所示为轴在弯矩、扭矩共同作用下疲劳断裂的断口。断口明显地分为两个区域：

一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互挤压、摩擦形成的光滑的疲劳区；一个是最终发生脆性断裂的粗糙断裂区。

疲劳断裂不同于一般静应力下的断裂，它是材料损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后才发生的突然断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数(即使用期限或寿命)密切相关。图8-2轴在弯矩、扭矩作用下疲劳断裂的断口图8-3对称循环变应力作用下的疲劳曲线表示应力σ与应力循环次数N之间关系的曲线称为疲劳曲线。图8-3所示为某种材料在对称循环变应力作用下的疲劳曲线，其横坐标为应力循环次数N，纵坐标为断裂时的循环应力σ。从图中可以看出，应力越小，试件断裂前能经受的循环次数就越多。

从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某一数值N0以后，曲线趋向水平。N0称为应力循环基数，对应于N0的应力σ-1称为材料的疲劳极限(即当作用于试件的循环变应力小于或等于σ-1时，试件经无限多次循环也不会断裂)。σ-1值可从材料力学或有关设计手册中查得。σ-1N

表示材料在对称循环变应力下对应于应力循环次数N的疲劳极限。

疲劳曲线的左半部(N≤N0)可近似用方程(8-6)表示：

(8-6)

式中，为材料对应于循环次数N的疲劳极限；m为随应力状态而变的指数，例如弯曲时m＝9；C为实验常数。由式(8-6)可求得对应于循环次数N

的弯曲疲劳极限为(8-7)式中，kN＝称为寿命系数，若N＞N0，则取N

＝N0，因此kN≥1。

3．许用应力

变应力作用下，应取材料的疲劳极限作为极限应力，同时还要考虑到如下几点：

(1)零件若存在切口、沟槽等截面突变，则会导致应力分布极不均匀(称为应力集中)，从而显著降低零件的疲劳强度；

(2)零件的绝对尺寸越大，其存在缺陷(内部裂纹)的概率越大，因而其疲劳强度就越小；

(3)零件表面加工质量越低，存在表面裂纹的概率越大，因而其疲劳强度就越小。

因此，应引入衡量截面突变影响的应力集中系数kσ、衡量尺寸大小的尺寸系数εσ和衡量表面质量的表面状态系数β等。当应力是对称循环变化时，许用应力为(8-8)当应力是脉动循环变化时，许用应力为(8-9)式中，S为安全系数；σ0为材料的脉动循环疲劳极限；kσ、εσ及β的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。式(8-8)、(8-9)为按“无限寿命”设计零件时的许用应力，即要求零件的设计寿命大于或等于N0。若零件在整个使用期限内，其循环总次数N小于循环基数N0时，可根据式(8-7)求得对应于N的疲劳极限σ-1N。用σ-1N替换式(8-8)中的σ-1后，即得到“有限设计寿命”下零件的许用应力。由于σ-1N大于σ-1，故采用σ-1N可得到较大的许用应力，从而减小零件的体积和重量。

4.安全系数

安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定得过大，则结构笨重；如定得过小，又可能不够安全。

在各个不同的机械制造部门，通过长期生产实践，都制定了适合本部门的安全系数(或许用应力)的表格。这类表格虽然适用范围较窄，但具有简单、具体及可靠等优点，设计时应优先使用。在缺少资料的情况下，可根据载荷及应力计算的准确性、材料的力学性能以及零件的重要性，参考下述推荐确定安全系数：

(1)静应力作用下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取S＝1.2～1.5；对于塑性较差的材料(如σs/σB＞0.6)或铸钢件可取S＝1.5～2.5。

(2)静应力作用下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件可取S＝3～4。

(3)变应力作用下，以疲劳极限作为极限应力，一般可取S＝1.3～1.7；若材料不够均匀，计算不够精确，则可取S＝1.7～2.5。

例8-1

一小型转臂吊车如图8-4所示。横梁采用工字钢，电动葫芦装在横梁上的小车上。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量总计为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。图8-4转臂吊车

解

(1)如图所示，已知尺寸L、l、H后，即可进行受力分析。取横梁为隔力体，若略去横梁自重，则其上作用有力W、F及支承B的约束反力FBx、FBy，这些力处于同一平面内。由ΣMB＝0得拉力F可分解为Fx和Fy

：

Fx＝Fcos30°＝33.87×0.866≈29.33kN

Fy＝Fsin30°＝33.87×0.5≈16.94kN

由ΣMC＝0得由ΣMA＝0得顺便指出，后两个方程若改写成ΣFx＝0和ΣFy＝0，同样可以求解。

(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如下：

①拉杆承受拉力F，可能出现的失效形式是强度不足引起的塑性变形或断裂，其计算准则是：拉应力σ≤许用拉应力［σ］。②横梁(即压杆)承受移动载荷W压力Fx作用，可能的失效形式主要有如下几种：

(a)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，则可能引起小车在横梁上行走困难，判定条件为“变形量y≤许用变形量［y］”。

(b)若弯曲应力与由Fx引起的压应力的合成应力过大，即强度不足，则可能出现塑性变形或断裂，判定条件为：计算应力σ≤许用拉应力［σ］。

(c)若压杆杆长与直径的比值较大，则可能抗侧弯刚度不足，这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Fx，判定条件为S＝Fcx/Fx≥Smin。其中Fcx为压杆的临界载荷，Smin为最小安全系数。图8-5车轴

例8-2

一车轴如图8-5所示。已知Fr＝F＝110kN，轴的材料为Q275钢，σB

＝550MPa，σ-1＝240MPa，规定的安全系数Smin＝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，其循环特性为r＝-1。

(2)A—A截面弯矩为

M＝110×103×82＝9.02×106Nmm截面系数为弯曲应力为

3)求各项系数(由材料力学或机械设计手册中查取)。

由σB

＝550MPa，D/d＝133/108≈1.23，r/d＝0.185查得弯曲时的有效应力集中系数kσ＝1.34，尺寸系数εσ＝0.68。按表面粗糙度1.6μm及σB＝550MPa，查得表面状态系数β＝0.95。

(4)疲劳强度校核。弯曲时安全系数为故安全。用另一种形式的判定条件σ≤［σ-1］，可得同样结论。通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称为体积强度(如8.2节所述)。

若两个零件在受载前是点接触或线接触，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。这时零件的强度称为接触强度。如齿轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于体积强度，还取决于表面的接触强度。8.3机械零件的接触强度零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的。在载荷的重复作用下，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(在有润滑油的情况下，油被挤进裂纹中产生高压，会使裂纹加快扩展)，最终使表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成一些小坑(见图8-6)。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，并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。图8-6疲劳点蚀由弹性力学的分析可知，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，其值满足如下赫兹公式：(8-10)令及E＝，并取钢或铸铁的泊松比μ1＝μ2＝μ＝0.3，则式(8-10)可化简为(8-11)式(8-10)和式(8-11)中，σH为最大接触应力；b为接触长度；

Fn为作用在圆柱体上的载荷；ρ为综合曲率半径，正号用于凸凸接触，负号用于凹凸接触；E为综合弹性模量，E1、E2分别为两圆柱体材料的弹性模量。图8-7圆柱体的接触应力接触疲劳强度判定条件为(8-12)式中，σHlim为实验测得的材料的接触疲劳极限(两圆柱体材料不同时，σHlim应为较软材料的极限应力)，对于钢，其经验公式为σHlim＝2.76HBS-70。由图8-7及式(8-10)、(8-11)可知，作用在两圆柱体上的接触应力具有大小相等、方向相反、左右对称且稍离接触区中线即迅速降低的特点。由于接触应力是局部性的应力，且应力的增长与载荷Fn并不成线性关系，而是要缓慢得多，故安全系数SH可取等于或稍大于1。图8-8圆柱摩擦轮传动

例8-3

图8-8所示的摩擦轮由两个相互压紧的钢制摩擦轮组成。已知D1＝100mm，D2＝140mm，b＝50mm，小轮主动，主动轴传递功率P＝5kW、转速n1＝500r/min，传动较平稳，载荷系数K＝1.25，摩擦系数f＝0.15。试求：(1)所需的法向压紧力Fn；

(2)两轮接触处的最大接触应力；

(3)若摩擦轮材料硬度为300HBS，表面接触强度是否足够。

解

(1)传动在接触处的最大摩擦力为fFn，拖动从动轮所需的圆周力为F，考虑到附加载荷的影响和保证摩擦传动的可靠性，计算圆周力为KF。为了防止打滑，应使fFn≥KF。小轮转矩：

圆周力：法向压紧力：

(2)本题中Fn＝15917N，钢的弹性模量E＝2.06×105MPa，b＝50mm，综合曲率半径为故

(3)如前述，对于钢可取接触疲劳极限σHlim＝2.76HBS-70＝758MPa，取安全系数SH＝1.1，则［σH］＝＝＝689MPa。因σH＜［σH］，故强度足够。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。除非采用特殊措施(如静压润滑、电磁悬浮等)使摩擦表面不直接接触，否则磨损总是难免的。但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持预定的寿命要求。

8.4零件的耐磨性统计表明，约有80%的零件因磨损而失效。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态。

出现剧烈磨损时，运动副的间隙增大，能使机械的精度丧失，效率下降，振动、冲击和噪声增大。这时应立即停机检修，更换零件。磨损并非都有害，跑合、研磨都是有益的磨损。

通常，磨损过程分为跑合磨损、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段，如图8-9所示。图8-9磨损过程及表面改性修复技术的应用跑合是指机器使用初期，为改善摩擦表面的质量而进行的由轻至重、缓慢加载的有益的磨损过程。

跑合后，摩擦表面的尖峰高度降低，峰顶半径增大，接触面积增大，可有效地降低磨损速度。

在正常情况下，零件经过短期跑合后即进入稳定磨损阶段，这个阶段磨损率(图中曲线的斜率)越小，零件使用寿命就越长。零件经长时间的磨损积累后就进入剧烈磨损阶段(磨损率迅速增大)，这时，零件精度下降、间隙增大、润滑状况恶化，从而产生振动、冲击和噪声，磨损加剧，零件迅速报废。应用基于纳米技术的摩擦表面改性修复技术处理摩擦表面，可有效地降低稳定磨损阶段的磨损率，提高减摩耐磨效果，使零件的磨损寿命大大延长(图中虚线所示)。这种技术的原理、特点是：将由多种超细矿物质组成的混合物添加于润滑剂中，摩擦表面工作时，这些添加物与金属摩擦表面发生反应，原位生成超滑(表面粗糙度Ra为20～60nm，摩擦系数为0.003～0.007)、高硬(HV690～1200)、耐高温和极高的抗腐蚀性的金属陶瓷层。应用这种技术不会

改变润滑剂的黏度，无须拆卸、停车，改性、修复、减摩在正常运行的工况下自动完成。磨损现象相当复杂，有物理、化学和机械等方面的原因。根据磨损机理，磨损分为以下主要类型：

(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。硬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。

(2)粘着磨损。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)。所谓材料转移，是指表面擦伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。

(3)疲劳磨损。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，当载荷重复作用时，表层金属常会呈小片状剥落，而在零件表面

形成小坑。这种现象称为疲劳磨损或点蚀(见8.3节)。

(4)腐蚀磨损。若运动副处于腐蚀环境中，则在摩擦过程中，材料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。实际发生的磨损往往很难弄清楚到底属于哪一类磨损，因此工程上的耐磨计算是一种近似的条件性计算，即限制运动副的压强p(也就是限制摩擦力)：

p≤［p］(8-13)

式中,［p］是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。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(摩擦功耗)fpv。

在摩擦系数一定的情况下，可将pv值与许用值［pv］进行比较，即

pv≤［pv］(8-14)8.5.1机械零件的常用材料

可用作机械零件的材料有钢、铸铁、有色金属、工程塑料和工程陶瓷等，其中钢是最常用的材料。钢按合金元素的多少分为碳钢和合金钢，按含碳量高低分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢，按质量分为普通钢、优质钢，按成型方法分为铸钢和锻造用钢。8.5零件的常用材料与热处理一般而言，承受静拉力为主的零件通常用普通碳素结构钢或低碳合金结构钢。这类钢由于含碳量低，因此强度较低，但塑、韧性及加工工艺性良好，且价格相对较低，典型牌号有Q235、16Mn。机械零件除机身、箱体等非运动零件常选用普通钢、铸铁等材料外，运动零件一般选用优质碳素结构钢或合金结构钢。常用的优质碳素结构钢有20钢、45钢等。钢的含碳量越高，强度就越高，但塑性下降。

20钢含碳量低，强度也很低，但塑性和加工工艺性良好，主要用来冲压、焊接一些薄壁零件，如各种罩、壳等。45钢含碳量适中，其综合机械性能较好，但淬透性较差，主要用来制造一些截面较小且强度要求不高的零件。强度要求高、截面较大的零件通常应选用合金结构钢，如40Cr、40MnB等。高碳钢虽具有高强度、高硬度，但脆性大，主要用来制造各类工具或一些需要高强度、高硬度和高耐磨性的零件。一些需要铸造才能成型的零件则应选用铸造材料，包括铸钢、铸铁和铸造有色金属。铸钢强度高，塑、韧性好，但铸造性能较差，通常用来制造一些形状相对简单且机械性能要求较高的零件。铸铁分为普通灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。普通灰口铸铁强度较低，塑性差，但价格低廉，铸造性能优良，通常用来制造形状复杂且机械性能要求不高的一些零件，如机座、机床床身等。球墨铸铁既具有较高的强度，也具有良好的铸造性能，故用来制造一些形状相对复杂且机械性能要求高的零件，如内燃机曲轴等。铸造有色金属主要用来制造一些对导热、导电、耐蚀等有特殊要求的零件。常见的有色金属有铝合金、铜合金和钛合金等。铝合金和铜合金都具有良好的导电、导热和耐蚀性能，其塑性良好，但是强度较低。工程上使用铝合金和铜合金往往出于导热、导电、耐蚀等方面的考虑。铝合金的突出优点是比强度(强度和密度的比值)高，故广泛用于飞机制造业中。汽车工业常用铝合金来制造发动机机体、活塞和轮毂等零件。铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，前者往往以棒料、板材等型材供应；后者以铝锭供应。铜合

金的主要特点是减摩性和耐腐蚀性能好。机械零件所用的铜合金主要是青铜。青铜又分为锡青铜和无锡青铜两种。青铜具有较高的减摩性和耐磨性，且铸造性能和切削加工性能良好，但价格较贵。在机械零件的制造中，除使用金属材料外，还使用非金属材料(包括高分子材料和无机非金属材料)。高分子材料主要有工程塑料和橡胶；无机非金属材料主要是工程陶瓷。工程塑料的突出优点是密度小，且具有良好的耐蚀性、绝缘性、减摩性和减振性；缺点是强度和硬度低、不耐高温、尺寸和形状稳定性差、容易老化等。工程塑料按照性能可分为热固性塑料和热塑性塑料两类。热固性塑料受热后不软化，也不溶于溶剂，且强度和硬度高，可用于制造轻载、薄壳零件；热塑性塑料可以重复加工，但使用温度较低，不宜用于承载零件。

橡胶的摩擦系数大，弹性和减振性能好，能吸收冲击能量，但强度低，除常用来制造传动带、减振元件和联轴器弹性元件等外，还可用来制造密封零件和用水润滑的轴承衬。工程陶瓷则主要用来制造耐高温、耐腐蚀和高耐磨零件。8.5.2钢的常用热处理工艺及其应用

钢的性能与其热处理工艺有很大关系，选用钢必须确定其热处理工艺。钢的热处理分为普通热处理和表面热处理。前者主要包括退火、正火、淬火、回火和调质；后者包括表面淬火和表面化学热处理。

退火是将钢加热到一定温度，然后缓慢冷却(随炉冷却)的一种热处理工艺。钢进行退火的目的主要是消除应力、降低硬度、改善切削加工性能。正火是将钢加热到一定温度，然后取出在空气中冷却的一种热处理工艺。正火由于工艺周期比退火短，故工艺成本较退火低。对于一些塑性良好的低碳钢零件，常采用正火来代替退火；当钢的含碳量太低，造成硬度太低难以切削加工时，利用正火也能适当提高硬度，从而改善

切削加工性能；对于不重要的机械零件，可用正火作为最后热处理方法来代替成本较高的调质处理；对于中碳钢的大型零件，在受设备限制不能进行调质时，也可考虑用正火代替；对于一些重要零件，正火可作为淬火前的预备热处理，以减少淬火时的变形和开裂倾向。淬火是将钢加热到一定温度，然后迅速冷却，使其获得高硬度、高强度的一种热处理工艺。只有中、高碳钢才具有良好的淬硬性，故淬火也主要用于中、高碳钢。由于淬火冷却速度快，会形成很大的淬火应力，另外淬火提高钢的强度的同时，也使钢的塑性严重下降，故钢淬火后还需要进行适当的回火来消除应力，提高塑、韧性。回火是将淬火后的钢再加热到一定温度来消除应力，提高塑、韧性的热处理工艺。按回火温度的高低可把回火分为低温、中温和高温回火。碳钢和低合金结构钢的低温回火温度约为250℃，进行低温回火的目的常常是为了消除淬火应力；中温回火的温度约为400℃，进行中温回火的目的是为了获得较高的强度和较高的塑、韧性；高温回火的温度约为600℃，进行高温回火的目的是为了在提高强度的同时保证有足够高的塑、韧性。中碳钢经淬火和高温回火后既具有比较高的强度，也具有比较高的塑、韧性，综合机械性能较好，故将淬火后再进行高温回火的热处理工艺称为调质。有些机械零件要求表面有较高的硬度和强度，中心部分有足够的塑性和韧性，这时就应对零件进行表面热处理。零件的表面热处理有表面淬火和表面化学热处理两类。钢的表面淬火是指用高能量密度加热方式将工件表面迅速升温，在热量尚未传至内部时立即冷却使表面硬化而内部组织保持不变的热处理工艺。这种热处理主要用于中碳钢或中碳合金钢零件。中碳钢调质后具有良好的综合机械性能，但表面硬度和耐磨性较低，为提高其表面硬度而不降低心部的塑、韧性，只有进行表面淬火才能做到。另外对于一些大型零件，常用工频淬火来取代普通淬火。对于一些需要淬火的薄壳零件，为避免在一般加热过程中氧化脱碳，常采用高频淬火。表面化学热处理是将某些化学元素渗入钢的表层，以改变钢的表层化学成分、组织和性能，从而获得高的硬度、耐磨性和抗疲劳强度的一种热处理方法。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、硫化、渗金属等，最常用的是渗碳和渗氮。渗碳是将钢在含碳介质中加热，使碳原子渗入工件表面，从而提高工件表面的含碳量。这种热处理工艺主要用于低碳钢或低碳合金钢工件。当工件需要尽可能高的塑、韧性时，通常应选用低碳钢或低碳合金钢。但若该工件表面需要高硬度和高耐磨性，则必须进行表面渗碳来提高其淬硬性，然后再进行淬火。由于渗碳温度高达930℃，因此渗碳件的变形较大。渗氮是将工件在氮化气氛中加热，使氮原子渗入工件表面与工件内的Al、V、Ti等原子结合形成高硬度的氮化物，从而提高工件的表面硬度和耐磨性。由于氮化温度低(普通氮化温度为700℃左右，离子氮化温度为300℃左右)，工件变形或开裂倾向极小，故广泛用于不便于磨削加工的零件的表面处理。碳氮共渗又

叫氰化，是将碳原子和氮原子同时渗入工件表面，这样可以降低渗碳温度，缩短渗碳周期。

渗硫可提高金属表面的自润滑能力和抗粘着磨损能力。渗铝、铬等金属则可提高工件的抗氧化能力和耐蚀性能。8.5.3机械零件材料的选用原则

选择材料是机械设计中的一个重要问题。设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。

1.使用要求

选用材料时应首先考虑材料的性能应能满足使用要求。一般主要考虑材料的机械性能如强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性等，必要时还要考虑到零件对工作环境等方面的要求，如密度、导热性、导电性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求。

2.工艺要求

选择零件材料时必须考虑到制造工艺的影响，如材料的铸造性能、焊接性能、切削加工性能等。需要热处理时还要考虑材料的淬硬性、淬透性及淬火变形的倾向等。对于切削加工的零件，应考虑材料的易切削性、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等。

3.经济性要求

当使用要求和工艺要求都能达到要求的材料不止一种时，就需要全面考虑其综合成本。一般来说，在满足使用要求的前提下，应尽可能选用价廉的材料和简单的加工工艺，以降低生产成本。另外还应综合考虑到生产批量等因素的影响，大量生产宜用锻压、铸造毛坯；单件生产采用焊接件可以降低制造费用。8.6.1公差与配合

机器是由独立制造的零件装配而成的。为了降低生产成本，在大规模生产的情况下，希望制造的零件具有互换性，即装配时不加选择及附加的加工就能达到预期的装配技术要求。

为了实现零件的互换性，必须保证零件的尺寸、几何形状、相对位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得绝对准确，但必须使其尺寸介于两个允许的极限尺寸之间。因此，互换性要求建立标准化的公差与配合制度。我国的公差与配合制度采用国际公差制。8.6互换性简介

1.基本概念

如图8-10所示，设计给定的尺寸称为基本尺寸，常用零线代表基本尺寸的位置。零件的实际尺寸应界于两个允许的尺寸之间，大的允许尺寸称为最大极限尺寸；小的允许尺寸称为最小极限尺寸。两极限尺寸之差(即允许的尺寸变动范围)称为公差。尺寸变动范围所对应的区域称为公差带。最大极限尺寸与基本尺寸之差称为上偏差，最小极限尺寸与基本尺寸之差称为下偏差。通常，把靠近基本尺寸的那个偏差称为基本偏差(图中的基本偏差：轴为上偏差，孔为下偏差)。显然，为了描述零件实际尺寸的变动范围，既可指明最大、最小极限尺寸，也可指明基本尺寸和上、下偏差，还可以指明基本尺寸、基本偏差和公差。实用中常采用后两种方法。图8-10公差的基本概念

2.配合及其分类

同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据孔、轴公差带的相对位置，配合分为间隙配合、过渡配合和过盈配合三大类(见图8-11)。间隙配合的孔比轴大，用于动联接(构成转动副或移动副)，如轴颈与滑动轴承孔。过盈配合的孔比轴小，用于需要承受较大载荷的静联接，如火车的车轮与轴。过渡配合可能具有间隙，也可能具有过盈，用于要求具有良好同轴性而又便于装拆的静联接，如齿轮与轴。图8-11配合的种类国家标准规定，孔与轴的公差带位置各有28个，孔的公差带位置用大写字母表示，轴的公差带位置用小写字母表示，如图8-12所示。图中公差带水平实线到零线的距离代表基本偏差；公差带一端未封口，表明随着精度等级的不同，公差带的宽度不同。图8-12孔、轴公差带的相对位置公差带的宽窄决定了加工的难易，国家标准规定了20个级别，称为精度等级(即尺寸精度等级)，用阿拉伯数字表示。例如，H7表示孔的公差带为H，公差等级为7级；又如f8表示轴的公差带为f，公差等级为8级。

机械制造中常用的公差等级是4～11级。4、5级用于特别精密的零件；6~8级用于重要的零件；10、11级用于低精度零件，主要用于低速机器中。这些精度等级允许直

接采用棒材、管材或精密锻件而不需要再作切削加工。

3.配合制度

配合制度有基孔制和基轴制两种，如图8-13所示。基孔制的孔是基准孔，其下偏差为零，代号为H，各种配合特性靠改变轴的公差带位置来实现。基轴制的轴是基准轴，其上偏差为零，代号为h，各种配合特性靠改变孔的公差带位置来实现。图8-13配合制度(a)基孔制配合；(b)基轴制配合因为孔加工相对较难，所以为了减少加工孔用的刀具(如铰刀、拉刀)品种，工程中广泛采用基孔制。但有时仍须采用基轴制，例如，光轴与具有不同配合特性的零件相配合时，滚动轴承外径与轴承孔配合时等。8.6.2表面粗糙度

无论采用什么加工方法得到的零件表面，总会存在微观几何形状误差(见图8-14)，表面粗糙度就是衡量零件表面微观几何形状误差的指标。

零件的表面粗糙度会影响相对运动表面的摩擦和磨损(表面越粗糙，摩擦系数越大，磨损越快)，影响配合性质的稳定性(对间隙配合来讲，表面越粗糙越易磨损，从而导致实际间隙增大；对过盈配合来讲，表面粗糙会减小实际有效过盈)，影响零件的疲劳强度、密封性能、抗腐蚀性能等。图8-14轮廓表面的微观几何形状误差表面粗糙度有三种评定指标，分别为轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry，如图8-15所示。

轮廓算术平均偏差Ra是指取样长度l内，被测定轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值，即图8-15表征表面粗糙度的指标近似为

微观不平度十点高度Rz是指取样长度内，5个最大轮廓峰高的平均值与5个最大轮廓谷深的平均值之和，即轮廓最大高度Ry是指取样长度内，轮廓峰顶线和谷底线之间的距离。

这三个指标中，Ra反映轮廓微观几何形状特征的信息量最多，也能方便地用接触式电动轮廓仪测量，因此广泛用于评定光滑、半光滑表面。对于极光滑和极粗糙表面，用Ra则不合适。Rz比较直观，用光切显微镜测量也方便，但由于不能反映峰顶的尖锐或平钝的几何形状特性，故应用相对少一些。至于Ry，仅用来评定某些不允许出现较大加工痕迹和受交变应力作用的表面。

表8-1列出了供优先选用的表面粗糙度Ra值及与其对应的加工方法。表8-1优先选用的表面粗糙度Ra值及与其对应的加工方法8.6.3优先数系

优先数系用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级，以便于组织生产和降低成本。

GB321-80规定的优先数系有四种基本系列：R5系列，公比为≈1.6；R10系列，公比为≈1.25；R20系列，公比为≈1.12；R40系列，公比为≈1.06。例如，R10系列的数值为1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10。其他系列的数值详见一般设计手册。优先数系中任何一个数值称为优先数。对于大于10的优先数，可将以上数值乘以10、100或1000等。优先数和优先数系是一种科学的数值制度，在确定量值的分级时，必须最大限度地采用上述优先数及优先数系。设计机械零件时，不仅应满足其使用性能要求，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。

零件的工艺性是指零件的制造性能，零件的结构应便于生产加工，加工成本尽可能低廉，而且装配方便。零件的制造过程一般包括毛坯生产、切削加工、热处理和装配等阶段，每个阶段对零件的结构都有一定要求，且互相联系、互相影响。所以，在进行零件的结构设计时必须全面考虑，应使所设计的零件具有良好的工艺性：在一定的生产规模和生产条件下，能用最少的时间和最小的劳动量把零件制造出来，而且装配方便。8.7零件的工艺性与机械设计的有关原则8.7.1机械零件结构工艺性的基本原则

在进行零件的结构设计时，从工艺性方面应考虑的基本原则如下：

(1)与生产条件、批量大小及获得毛坯的方法相适应。

零件的结构工艺性必须要与一定的生产条件、生产规模及毛坯获得方法等相适应。生产条件不同、批量大小不同或毛坯制造方法不同，零件就相应地应有不同的结构。在一种情况下具有良好工艺性的结构，到了另一种情况下其工艺性不一定就好。

(2)造型简单化。

零件的结构形状越复杂，则制造越困难，产品成本也就越高。这样的零件结构工艺性就不好。

(3)加工的可能性、方便性、精确性和经济性。

能在图上画出来的零件不一定都能制造出来，能制造出来的零件其加工不一定都方便，加工方便的零件未必都能满足精度要求，而不能满足精度要求的零件就是废品。零件的精度等级并不是越高越好，而是要根据实际要求来确定，精度等级越高，成本自然也高。只有那些既能满足工作要求又具有最低的精度等级的零件，其工艺性能才是最好的。

(4)装拆的可能性和方便性。

零件结构应便于安装和拆卸，便于使用和维护，具有良好的装拆工艺性能。

欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须与工艺技术员相沟通并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。8.7.2机械设计的若干原则

1.等强度原则

等强度原则是指设计时，使零件对各种可能的失效具有相等或接近的抵抗能力，这样才可能最大限度地做到材尽其用，节省资源。螺纹联接件的几何尺寸就是根据这一原则确定的。

2.局部品质原则

局部品质原则是指，如果零件的不同部位有不同的要求，则不同的部位应选择不同的材料或采用不同的热处理。机械零件中的局部表面淬火和蜗轮采用青铜齿圈、钢铁轮芯就是这一原则的应用。

3.标准化

标准化是指以制定标准、贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的研究领域十分宽广，就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格、质量、检验、安全、卫生等要求制定标准并加以实施。产品标准化本身包括三个方面的含义：

(1)产品品种规格的系列化——将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要。

(2)零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相近的零部件(如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等)，经过统一后实现通用互换。

(3)产品质量标准化——产品质量是一切企业的“生命线”，要保证产品质量合格和稳定，必须做好设计、加工工艺、装配检验，甚至包装、储运等环节的标准化，这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

对产品实行标准化具有重大的意义：在制造上可以实行专业化大量生产，做到优质低耗；在设计方面可减少设计工作量，缩短设计周期；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。按照标准的层次，我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。按照标准实施的强制程度，标准又分为强制性(GB)和推荐性(GB/T)两种。例如《公差与配合》、《普通螺纹基本尺寸》、《渐开线圆柱齿轮模数》标准都是强制性标准，必须执行，而《带传

动——普通V带传动》