第6章機械零件設(shè)計概論1

1、第第11章章 機械零件設(shè)計概論（機械零件設(shè)計概論（1）11111 機械零件設(shè)計概論機械零件設(shè)計概論11112 機械零件的強度機械零件的強度11113 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度11114 機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性11115 機械制造常用材料及其選擇機械制造常用材料及其選擇11116 機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化11111 機械零件設(shè)計概論機械零件設(shè)計概論一：機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：一：機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：在滿足預(yù)期功能的前提下，在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在預(yù)定使用期限內(nèi)，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修安

2、全可靠，操作方便、維修簡單簡單和和造型美觀造型美觀等。（日，美，德）等。（日，美，德）二：機械零件的失效：二：機械零件的失效： 機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。失效。工作能力工作能力-在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：又稱為：承載能力。承載能力。零件的失效形式零件的失效形式: 斷裂或塑性變形斷裂或塑性變形; 過大的彈性變形過大的彈性變形; 工作表面的過度磨損或損傷工作表面的過度磨損或損傷; 發(fā)生強烈的振動；聯(lián)

3、接發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛的松弛; 摩擦傳動的打滑等。摩擦傳動的打滑等。一、一、機械零件的主要失效形式機械零件的主要失效形式（一）整體斷裂（一）整體斷裂整體斷裂是指零整體斷裂是指零件在載荷作用下，其件在載荷作用下，其危險截面的應(yīng)力超過危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限而導(dǎo)零件的強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂軸承內(nèi)圈斷裂（二）過大的殘余變形（二）過大的殘余變形 當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。產(chǎn)生殘

4、余變形。齒輪齒面塑形變形齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形軸承外圈塑性變形（三）零件的表面破壞（三）零件的表面破壞 零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。軸瓦磨損軸瓦磨損齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞 剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則 設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則： 強度準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基：確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基本的設(shè)計準(zhǔn)則

5、。本的設(shè)計準(zhǔn)則。計算應(yīng)力計算應(yīng)力許用應(yīng)力；許用應(yīng)力；：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。變形量變形量NNN0 0以后，曲線趨于水以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) N0 -有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 與無限壽命區(qū)與無限壽命區(qū) 的分界點的分界點應(yīng)力應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N 之間之間的關(guān)系曲線稱為：的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線疲勞曲線：當(dāng)應(yīng)力循環(huán)當(dāng)應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不次后，材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) NOr rN0-1N

6、-1NNN N0 0 -應(yīng)力循環(huán)基數(shù)，它隨材料不同而有不同的數(shù)應(yīng)力循環(huán)基數(shù)，它隨材料不同而有不同的數(shù)值。通常，對值。通常，對 HBS350 的鋼，的鋼， N0107對對HBS350的鋼，的鋼， N0 25107 -1-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。彎曲疲勞極限。 0:表示材料在表示材料在脈動脈動循環(huán)應(yīng)力下的循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。彎曲疲勞極限。 有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū) r 相應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)基數(shù)相應(yīng)于應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N0的疲勞極限，稱為材料的的疲勞極限，稱為材料的疲勞極限，如疲勞極限，如mNNNk0CNNmrmrN0mrrNNN0kN 壽命系

7、數(shù)；壽命系數(shù)；當(dāng)當(dāng)NN0時，取時，取kN=1。 當(dāng)當(dāng)NN0 ” ，mNNSk011有限壽命時，用有限壽命時，用-1N-1N代入得：代入得：mNNNk0四、安全系數(shù)四、安全系數(shù) 安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1 1）靜應(yīng)力下，塑性材料靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：的零件：S =1.2S =1.2.5.5 鑄鋼件：鑄鋼件：S =1.S =1.5.5S S典型機械的典型機械的 S S 可通過查表求得?？赏ㄟ^查表求得。 無表可查時，按無表可查時，按以下原則?。阂韵略瓌t取： 零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S S 可能不安全。可能不安全。）靜應(yīng)力下，靜應(yīng)力下，脆脆性材料，性材料，如高強

8、度鋼或鑄鐵：如高強度鋼或鑄鐵： S =3S =34 43 3）變變應(yīng)力下，應(yīng)力下， S =1.3S =1.31.71.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。翰牧喜痪鶆颍蛴嬎悴粶?zhǔn)時?。?S =1.7S =1.72.52.5113 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度 1:接觸強度接觸強度:若兩個零件在受載前是若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸點接觸或線接觸，受載，受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力(contact stress)。 這時零件強度稱

9、為接觸強度。這時零件強度稱為接觸強度。 如齒輪、滾動軸承等機械件，都是通過很小的接觸面積傳如齒輪、滾動軸承等機械件，都是通過很小的接觸面積傳遞載荷的，因此它們的遞載荷的，因此它們的承載能力不僅取決于整體強度，還承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。取決于表面的接觸強度。 2:失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)

10、生高壓，使裂潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑表面形成一些小坑 ，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。發(fā)生疲勞點，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力低了承載能力 。后果：后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。低了承載能力、引起振動和噪音。3:表面接觸疲勞強度的計算準(zhǔn)則表面接觸疲勞強度的計算準(zhǔn)則: 由彈

11、性力學(xué)可知，應(yīng)力為：由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：222121211111EEbFnH2121:令:22121代入化簡得EEEEEbEFnH)1 (212bEFn418.0對于鋼或鑄鐵取泊松比：對于鋼或鑄鐵取泊松比： 1=2=0.3 , 則有簡化公式。則有簡化公式。上述公式稱為上述公式稱為赫茲赫茲(HHertz)公式公式 “+”用于外接觸用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸用于內(nèi)接觸。H HH H2b b11Fnb b2H HH HFn222121211111EEbFnHbEFnH)1 (212bEFn418.0bEFnH418.0H H -最大接觸應(yīng)力或最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力;212121212E

12、EEEEb b -接觸長度接觸長度;F Fn n -作用在圓柱體上的載荷作用在圓柱體上的載荷; -綜合曲率半徑綜合曲率半徑; -綜合彈性模量綜合彈性模量; E1、 E2 分別為兩分別為兩 圓柱體的彈性模量。圓柱體的彈性模量。 接觸疲勞強度的判定條件為：接觸疲勞強度的判定條件為：HHHHHSlim,而b bFn11114 機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性 運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨損的能力稱為損的能力稱為耐磨性。耐磨性。 磨損磨損 間隙間隙、

13、精度精度、 效率效率、 振動振動、沖擊沖擊、 噪音噪音據(jù)統(tǒng)計，約有據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。的損壞零件是因磨損而報廢的。（汽車定期保養(yǎng)）（汽車定期保養(yǎng)） 磨損的主要類型磨損的主要類型 ：1）磨粒磨損磨粒磨損2）粘著磨損粘著磨損(膠合磨損膠合磨損)在滾動或兼有滑動和滾動的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或疲勞點蝕。 在摩擦過程申，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損，稱為腐蝕磨 硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗洌谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損 。硬質(zhì)顆

14、?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。加工后的零件表面總有一定的粗糙度。摩擦表面受載時，實際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損(膠合磨損)。所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴(yán)重時摩擦表面能相互咬死。 3）疲勞磨損疲勞磨損(疲勞點蝕疲勞點蝕)4） 腐蝕磨損腐蝕磨損實用耐磨計算是限制運動副的壓強實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即，即: p p p由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定相對運動速度較高時，還應(yīng)考慮運動副單位時間

15、單位相對運動速度較高時，還應(yīng)考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量接觸面積的發(fā)熱量 f p v 。在摩擦系數(shù)一定的情況下，在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將可將 p v 值與許用的值與許用的 p v 值進行比較。即值進行比較。即:p v p v 11115 機械制造常用材料及其選擇機械制造常用材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等 。一、金屬材料一、金屬材料1.1.鑄鐵：鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等?；诣T鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.2.鋼：鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼( (不銹鋼、耐熱鋼、不銹鋼、耐熱

16、鋼、耐酸鋼等耐酸鋼等) )、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵鑄鐵常用金常用金屬材料屬材料鋼鋼銅合金銅合金-含碳量含碳量2%-含碳量含碳量 2%鐵碳合金鐵碳合金特點：特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。廉。應(yīng)用：應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原則：選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。硅、錳、硼、釩類合金鋼。特

17、點：特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。應(yīng)用范圍極其廣泛。價格便宜且供應(yīng)充分 我國資源豐富 3.3.銅合金銅合金- -銅鋅合金，并含有少量的銅鋅合金，并含有少量的錳、錳、鋁鋁、鎳鎳特點：特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造

18、。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。應(yīng)用范圍廣泛。種類種類青銅青銅黃銅黃銅軸承合金（巴氏合金）軸承合金（巴氏合金）- -含錫青銅、不含錫青銅含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料二、非金屬材料1. 1. 橡膠橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，

19、如耐蝕性、絕而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。 3.3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素選材因素：設(shè)計機械零件時，選擇合適的材料是一項復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟問題設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。 用途、用途、工作條件工作條件、物理物理、化學(xué)化學(xué)、機械工藝性能機械工藝性能、經(jīng)濟經(jīng)濟性。性。常用無機非金屬材料有哪些？常用無機非金

20、屬材料有哪些？11116 機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、一、工藝性工藝性零件設(shè)零件設(shè)計要求計要求使用要求使用要求-具備所要求的工作能力；具備所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工藝可行，成本低；制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標(biāo)志：零件工藝性良好的標(biāo)志：在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。很低。(學(xué)生弱點）學(xué)生弱點）工藝性的基本要求：工藝性的基本要求：1) 毛坯選擇合理毛坯選擇合理制備方法：制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和

21、加工可能性有關(guān)。毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2) 結(jié)構(gòu)簡單合理結(jié)構(gòu)簡單合理最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；盡量減少加工面數(shù)和加工面積；盡量減少加工面數(shù)和加工面積；3) 合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求

22、高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量。盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件；盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件；增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；4) 盡量減小零件的加工量盡量減小零件的加工量毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。冶金等先進工藝滿足上述要求。欲設(shè)計出工藝性良好的零件，設(shè)計者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實踐中積累經(jīng)驗。二、二、標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容：內(nèi)容： 1)1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿