西工大机械原理第9章机械零件设计概论

第9章机械零件设计概论内容

§9-1机械零件设计概述

§9-2机械零件的强度（重点）

§9-3机械零件的接触强度（重点）

§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极限与配合、表面粗糙度和优先数系

§9-7机械零件的工艺性及标准化§9-1机械零件设计概述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。概括地说是：工作可靠、成本低廉。名词术语：失效：

机械零件由于某种原因不能正常工作（完不成规定的功能或达不到设计要求的性能）时，称为失效。§9-1机械零件设计概述失效的形式：因强度不够发生断裂或塑性变形；因刚度不够而产生过大的弹性变形；因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤；因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。同一种零件可能的失效形式往往有若干种。工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度（或者说在一定条件下零件抵抗失效的能力）。通常，用载荷大小来衡量这个限度，所以习惯上称为承载能力。工作能力计算准则：为防止机械零件发生某种失效而应满足的条件。也可以理解为是机械零件不发生失效的“安全条件”，是设计零件时的理论依据。设计计算与校核计算：为了防止机械零件在工作中产生失效，设计时，需要以零件的工作能力计算准则为依据进行必要的计算，常用的计算方法（过程）有设计计算和校核计算两种。§9-1机械零件设计概述设计计算：先分析零件的可能失效形式，根据该失效形式的计算准则通过计算确定零件的结构尺寸。校核计算：先确定零件的结构尺寸，然后再验算零件是否满足计算准则。如不满足，则应修改零件的尺寸。§9-1机械零件设计概述机械零件的设计步骤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，确定零件的形状和主要尺寸。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。绘制工作图并标注必要的技术条件。§9-1机械零件设计概述§9-2机械零件的强度一、载荷载荷：进行强度计算所依据的、作用于零件上的外力F、弯矩M、扭矩T以及冲击能量等，统称为载荷。机械零件实际承受的载荷：静载荷：大小、作用位置和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷。变载荷：大小、作用位置或方向随时间变化的载荷。动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷。机械设计计算中的载荷：名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷（不考虑动载荷的影响）计算载荷：载荷系数K×名义载荷（代表机器或零件实际所受载荷）载荷系数：考虑机器运转时动力参数的不稳定，工作阻力变化等原因，使零件受到各种附加载荷而引入的影响系数K

。§9-2机械零件的强度应力设计计算的应力：名义应力：根据名义载荷求得的应力计算应力：根据计算载荷求得的应力机械零件的实际应力：静应力——不随时间变化的应力。变应力——随时间变化的应力。非周期性变应力：应力的变化没有周期性。循环变应力：应力的变化具有周期性。§9-2机械零件的强度σσttT§9-2机械零件的强度循环变应力的衡量指标：平均应力σm：一个应力循环中最大应力与最小应力的平均值。应力幅σa

：一个应力循环中，应力偏离平均应力的程度。变应力循环特性r：应力循环中最小应力与最大应力之比。Tσtσmaxσminσmσa循环变应力的类型：对称循环变应力：r＝-1。脉动循环变应力：r＝0。静应力：r＝1，可看作是变应力的特例。非对称循环变应力：r≠0、±1§9-2机械零件的强度对称循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力应力时间应力时间应力时间机械零件的强度条件：机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度，后者称为表面接触强度。机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力不大于零件材料的许用应力：§9-2机械零件的强度四、静应力条件下的许用应力塑性材料制成的零件，主要损坏形式为塑性变形，按不发生塑性变形条件进行强度计算，其极限应力为零件材料的屈服极限，许用应力：

S安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故，故安全系数取值较大，或按相关的安全系数表格选取。脆性材料制成的零件，主要损坏形式为断裂，按不发生断裂条件进行强度计算，极限应力为零件材料的强度极限，许用应力：§9-2机械零件的强度S为安全系数。零件发生塑性变形后，会影响零件的正常工作，但不会引起重大事故，所以安全系数取值可小些；对于塑性较差或铸钢，按相关安全系数表格选取。五、变应力下的许用应力失效形式：变应力下，无论是塑性材料还是脆性材料，主要损坏形式都是疲劳断裂。疲劳断裂的特征：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；疲劳裂口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂；疲劳断裂是损伤的积累。疲劳断裂不同于一般静力断裂。它是损伤到一定程度后，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（即用期限或寿命）密切相关。§9-2机械零件的强度③疲劳曲线：表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线称为疲劳曲线，如图所示。从图中可以看出，应力越小，试件能经受的循环次数就越多。§9-2机械零件的强度§9-2机械零件的强度疲劳极限

-1

——材料在对称循环变应力下的弯曲疲劳机限。

N0称为应力循环基数。对于特定的材料，具有标准值。疲劳曲线的左半部（N＜N0），可近似地用下列方程式表示：利用上式可以求得在一定循环特性的变应力作用下，任意循环次数N时的疲劳极限§9-2机械零件的强度式中：——寿命系数；当N≥N0

时，取KN=1。

m为随应力状态而不同的幂指数。§9-2机械零件的强度④影响机械疲劳强度的因素：在变应力条件下，影响机械零件疲劳强度的因素很多，有应力集中系数、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等。主要为前三种。⑴应力集中的影响在零件剖面的几何形状突变之处（孔、圆角、键槽、螺纹等），零件受载时，会产生应力集中。常用有效应力集中系数Kσ来表示疲劳强度的真正降低程度。有效应力集中系数定义为：材料、尺寸和受载情况相同的一个无应力集中试样与一个有应力集中试样的疲劳极限的比值。§9-2机械零件的强度⑵绝对尺寸的影响当其他条件相同时，零件剖面的绝对尺寸越大，疲劳强度越低，剖面绝对尺寸对疲劳极限的影响，用绝对尺寸系数εσ表示：⑶表面状态的影响表面状态对疲劳极限的影响用表面状况系数β来表示：§9-2机械零件的强度⑤许用应力：当应力是对称循环变化时，无限寿命下的许用应力为:■当应力是脉动循环变化时，无限寿命下的许用应力为:Kσ应力集中系数；εσ尺寸系数；β表面状态系数；σ0脉动循环疲劳极限1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5铸钢件：S=1.５～２.5典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：2）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§9-2机械零件的强度六、安全系数§9-3机械零件的接触强度接触强度：若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载变形后，其表层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。承受接触应力的零件的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。疲劳点蚀：机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的接触变应力，在载荷重复作用下，金属表层内产生初始疲劳裂纹、裂纹扩展至最终金属脱落的破坏现象。两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，最大接触应力发生在接触区中线上，其值由赫兹（H.Hertz）公式计算：§9-3机械零件的接触强度令及对于钢或铸铁，取μ1=μ2=μ=0.3，则上式简化为：§9-3机械零件的接触强度零件受接触变应力作用时接触强度条件为

σH≤[σH]而[σH]=σHlim/SH式中σHlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限，若两零件的硬度不同时，常以较软零件的接触疲劳极限为准。对于钢，经验公式为：安全系数SH可取为等于或稍大于1。§9-4机械零件的耐磨性术语和概念：磨损：运动副的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损的影响：磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面状态,影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报废。磨损率：单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量。耐磨性：零件抗磨损的能力。与磨损率成倒数关系。正常磨损：除非运动副摩擦表面为一层润滑剂所隔开而不直接接触，否则磨损总是难以避兔的。但是只要磨损速度稳定缓慢，零件就能保持一定寿命。所以，在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，就认为是正常磨损。据统计，约有80％的损坏零件是因磨损而报废的。磨损量时间磨合稳定磨损剧烈磨损典型宏观磨损过程：一个机械零件的磨损过程大体可分为磨合、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段。磨合（跑合）阶段：是指新零件在运转初期的磨损。新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。§9-4机械零件的耐磨性稳定磨损阶段：这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。

剧烈磨损阶段：零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。注：应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。§9-4机械零件的耐磨性磨损的类型

按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：1.磨粒磨损，也称磨料磨损是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。2.粘着磨损，也称胶合摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。3.疲劳磨损，即疲劳点蚀是高副（点、线接触）机械零件的常见磨损形式。§9-4机械零件的耐磨性4.腐蚀磨损摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他形式。减小磨损的主要方法

（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。（2）合理选择摩擦副材料（3）进行表面处理（4）注意控制摩擦副的工作条件等§9-4机械零件的耐磨性耐磨性计算实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即p≤[p]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fpv。在摩擦系数一定的情况下，可将pv值与许用[pv]值进行比较，即

pv≤[pv]

§9-4机械零件的耐磨性§9-5机械制造常用材料及其选择一、常用材料高分子材料：复合材料：陶瓷：塑料、橡胶、合成纤维强如钢、轻如铝、硬如金刚石强度高、弹性模量大、质量轻非金属§9-5机械制造常用材料及其选择详细说明二、机械零件材料的选用需要考虑的因素载荷及应力的大小和性质零件的工作情况零件的尺寸及重量零件的结构及加工性材料的经济性材料的供应状况§9-5机械制造常用材料及其选择在做设计的时候，根据实际情况，在保证经济最优的情况下，查阅《机械工程材料》等手册，选取合适的材料。§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系极限与配合互换性：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这样的性质：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。该性质称为互换性。互换性的好处：具有互换性的机器，当它们的零、部件损坏时，就能够迅速地用新的替换，缩短修理时间，节约修理费用，保证机器工作的连续性和持久性，提高机器的使用率。互换性的实现，其设计与制造必须实现标准化。公差机械零件的几何形体通常是通过加工得到的。然而任何加工方法都不可能把零件加工得绝对准确，在尺寸、形状和相互位置这三个方总是存在着一定的加工误差。欲保证其几何精度，就必须将加工误差控制在一定的范围内。把零件的几何参数值规定在允许范围内的变动量——称为公差。§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系基本尺寸：零件设计时所设的尺寸。（见图）最大、最小极限尺寸：加工出来的零件尺寸范围通常要满足在规定的范围内，则最大允许的尺寸叫做最大极限尺寸；最小允许的尺寸叫做最小极限尺寸。公差：两极限尺寸之间的差值。公差带：零件尺寸在公差范围内变化的区域。上偏差与下偏差：最大极限尺寸与基本尺寸之差称为上偏差，孔ES，轴es；最小极限尺寸与基本尺寸之差称为下偏差，孔EI，轴ei。基本偏差：靠近基本尺寸的那个偏差。规定：孔的EI为基本偏差，轴的es为基本偏差。零件尺寸的表达：配合：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：过盈配合；过渡配合；间隙配合。配合制度有基孔制和基轴制两种。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。(见图)§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系国标规定，孔与轴的公差带位置各有28个，用字母表示；公差等级20个，用数字表示，数字越小，精度越高。（IT1～IT18，IT01，IT0）如H7表示孔的公差带为H，公差等级为7；k8表示轴的公差带为k，公差等级为8。机械制造中常用的公差等级为4～11级。精密零件的尺寸公差等级用4、5，重要零件的公差等级用6、7，中等精度零件用8、9，低精度零件用10、11。§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系动画表面粗糙度表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。表面粗糙度的评定参数之一是轮廓算术平均偏差Ra，它是指在取样长度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（图9-12），即近似为§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系表9-3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。§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系优先数系优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。这样可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，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分别为1.6、1.25、1.12、1.06。优先数系中任何一个数值称为优先数。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。§9-6极限与配合、表面粗糙度和优先数系§9-7机械零件的工艺性及标准化工艺性在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性。有关工艺性的基本要求是；毛坯选择合理：机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技求条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。结构简单合理：设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。规定适当的制造精度及表面粗糙度：零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。§9-7机械零件的工艺性及标准化标准化标准化：就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。标准化的益处：标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。产品标准化本身包括系列化、通用化、标准化三个方面的含义。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；§9-7

机械零件的工艺性及标准化零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件，经过统一后实现通用互换；产品质量标准化——产品质量是一切企业的“命根子”，要保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配检验。甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在澈烈的市场竟争中立于不败之地。与设计有关的标准:

国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISO

GBJB、HB

QB§9-7机械零件的工艺性及标准化按照标准实施的强制程度，国标分为：强制标准和推荐标准两种。强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性