第9章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

1、1、機(jī)械零件的主要計(jì)算準(zhǔn)則和對(duì)應(yīng)的失效形式、機(jī)械零件的主要計(jì)算準(zhǔn)則和對(duì)應(yīng)的失效形式 ；2、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟 ；3、應(yīng)力的分類、靜應(yīng)力和變應(yīng)力的基本強(qiáng)度條件、應(yīng)力的分類、靜應(yīng)力和變應(yīng)力的基本強(qiáng)度條件 ；4、接觸應(yīng)力的概念及接觸強(qiáng)度條件、接觸應(yīng)力的概念及接觸強(qiáng)度條件 ；5、機(jī)械零件工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化概念的意義、機(jī)械零件工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化概念的意義 。關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)1、變應(yīng)力以及其強(qiáng)度條件、變應(yīng)力以及其強(qiáng)度條件 2、接觸應(yīng)力的概念、接觸應(yīng)力的概念 3、機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化 難難 點(diǎn)點(diǎn)本章教學(xué)內(nèi)容9.1 9.1 機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的

2、主要失效形式 9.2 9.2 機(jī)械零件的工作能力及其計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的工作能力及其計(jì)算準(zhǔn)則9.3 9.3 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟9.4 9.4 機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算9.5 9.5 機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度計(jì)算9.6 9.6 機(jī)械零件常用材料及其選擇機(jī)械零件常用材料及其選擇9.7 9.7 機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化總總 結(jié)結(jié)91 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求：機(jī)械設(shè)計(jì)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

3、使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修安全可靠，操作方便、維修簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單和和造型美觀造型美觀等。等。機(jī)械零件的失效：機(jī)械零件的失效： 機(jī)械零件曲于某種原因不能正常工作時(shí)，稱為機(jī)械零件曲于某種原因不能正常工作時(shí)，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(duì)載荷而言，所以習(xí)慣上工作的限度。通常此限度是對(duì)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(guò)大的彈性變形過(guò)大的彈性變形; 工作表面的過(guò)度磨損或損傷工作表面的過(guò)度磨損或損傷; 發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)

4、接發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；聯(lián)接的松弛的松弛; 摩擦傳動(dòng)的打滑等。摩擦傳動(dòng)的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動(dòng)等。機(jī)械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來(lái)最主要的為9.1 機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的主要失效形式1. 整體斷裂整體斷裂有靜強(qiáng)度斷裂和疲勞斷裂兩種。如齒輪輪齒的彎曲折斷等有靜強(qiáng)度斷裂和疲勞斷裂兩種。如齒輪輪齒的彎曲折斷等 2. 塑性變形塑性變形 3. 表面損傷表面損傷 4.過(guò)量彈性變形過(guò)量彈性變形5. 功能失效功能失效 零件在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形量過(guò)大導(dǎo)致喪失工作能力零件在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形量過(guò)大導(dǎo)致喪失工作能力 包括磨損、膠合、點(diǎn)蝕等，使零件降低、喪失工作能力包括磨損

5、、膠合、點(diǎn)蝕等，使零件降低、喪失工作能力 過(guò)大彈性變形將影響機(jī)械的精度和工作能力過(guò)大彈性變形將影響機(jī)械的精度和工作能力 零件不能完成規(guī)定功能的失效。如皮帶打滑、螺栓松脫等零件不能完成規(guī)定功能的失效。如皮帶打滑、螺栓松脫等 或或 1、強(qiáng)度準(zhǔn)則、強(qiáng)度準(zhǔn)則 9.2 機(jī)械零件的工作能力及其計(jì)算準(zhǔn)則機(jī)械零件的工作能力及其計(jì)算準(zhǔn)則 s/lim零件的工作能力是指在一定運(yùn)動(dòng)、載荷和環(huán)境情況下，在預(yù)定使用期限內(nèi)，不發(fā)生失效的安全工作限度 。包括有：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性和可靠性等。 s/lim2、剛度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則 y y 3. 耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則 p p 或或 pv pv 4. 振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動(dòng)穩(wěn)

6、定性準(zhǔn)則 f 0.87 fp 和和 f 1.18 fp 5. 可靠性準(zhǔn)則可靠性準(zhǔn)則 用可靠度來(lái)表示機(jī)器或零件在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)和預(yù)定環(huán)境條件下，正常完成其工作能力的概率稱為“可靠度R”，轉(zhuǎn)到9.4(5)9.3 9.3 機(jī)械機(jī)械零件設(shè)計(jì)的零件設(shè)計(jì)的一般步驟一般步驟 1. 擬定零件的計(jì)算簡(jiǎn)圖，即建立計(jì)算模型擬定零件的計(jì)算簡(jiǎn)圖，即建立計(jì)算模型 2. 通過(guò)受力分析，確定作用于零件上的載荷通過(guò)受力分析，確定作用于零件上的載荷3. 據(jù)零件工作條件和受力情況，分析零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則據(jù)零件工作條件和受力情況，分析零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則 4. 選擇合適的材料選

7、擇合適的材料5. 由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到設(shè)計(jì)式，確定零件主要幾何參數(shù)和尺寸，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和加工工藝要由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到設(shè)計(jì)式，確定零件主要幾何參數(shù)和尺寸，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和加工工藝要求，將零件尺寸計(jì)算值標(biāo)準(zhǔn)化或圓整求，將零件尺寸計(jì)算值標(biāo)準(zhǔn)化或圓整6. 根據(jù)加工、裝配的工藝要求、受力情況以及減小應(yīng)力集中、尺寸小重量輕等原則確定根據(jù)加工、裝配的工藝要求、受力情況以及減小應(yīng)力集中、尺寸小重量輕等原則確定零件的其余結(jié)構(gòu)尺寸零件的其余結(jié)構(gòu)尺寸7. 繪制零件工作圖、詳細(xì)標(biāo)注尺寸公差、形位公差和表面粗糙度及技術(shù)要求等繪制零件工作圖、詳細(xì)標(biāo)注尺寸公差、形位公差和表面粗糙度及技術(shù)要求等 8. 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，作為技術(shù)文件存

8、檔編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，作為技術(shù)文件存檔9.4 機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算理想平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷理想平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷叫名義載荷叫名義載荷,其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力稱名義應(yīng)力其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力稱名義應(yīng)力 1.有關(guān)名詞有關(guān)名詞: 名義載荷和名義應(yīng)力名義載荷和名義應(yīng)力 - 載荷系數(shù)載荷系數(shù)( 工況系數(shù)工況系數(shù) )- 計(jì)算載荷和計(jì)算應(yīng)力計(jì)算載荷和計(jì)算應(yīng)力 - 考慮載荷變化的載荷系數(shù)與名義載荷的乘考慮載荷變化的載荷系數(shù)與名義載荷的乘積稱計(jì)算載荷積稱計(jì)算載荷, 其產(chǎn)生的應(yīng)力稱計(jì)算應(yīng)力其產(chǎn)生的應(yīng)力稱計(jì)算應(yīng)力因零件工作時(shí)會(huì)受多種附加載荷，引人載因零件工作時(shí)會(huì)受多種附加載荷，引人載荷

9、系數(shù)荷系數(shù)K (工況系數(shù)工況系數(shù)KA) 近似反映其影響近似反映其影響2.應(yīng)力分類應(yīng)力分類: 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 -不隨時(shí)間變化的應(yīng)力不隨時(shí)間變化的應(yīng)力 (圖圖b) 變應(yīng)力變應(yīng)力 -隨時(shí)間變化的應(yīng)力隨時(shí)間變化的應(yīng)力 。有對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。有對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力(圖圖c)，脈動(dòng)，脈動(dòng) 循環(huán)變應(yīng)力（圖循環(huán)變應(yīng)力（圖d），一般非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力（圖），一般非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力（圖a） 3. 變應(yīng)力的具體特征參數(shù)變應(yīng)力的具體特征參數(shù) :應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)最大應(yīng)力最大應(yīng)力 max = m + a ； 最小應(yīng)力最小應(yīng)力 min = m - a平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m =1/2(max+min)； 應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值 a

10、 =1/2(max-min) maxminr4. 常見變應(yīng)力的特征參數(shù)常見變應(yīng)力的特征參數(shù)：工程中常見變應(yīng)力有：工程中常見變應(yīng)力有 靜應(yīng)力靜應(yīng)力(圖圖b)： r = +1 max =min m =max a = 0 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力( (圖圖c)c): :r = -1 max = -min m = 0 a = maxmax 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力( (圖圖d)d): :r r = 0= 0 min = 0 = 0 m = =a = = 1/21/2maxmax 對(duì)對(duì)一般非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力一般非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力變應(yīng)力( (圖圖a)a)r r = = +1+1-1之間，可之間，

11、可按按“安全原安全原則則”近似處理近似處理就近歸屬于脈動(dòng)循環(huán)或?qū)ΨQ循環(huán)變應(yīng)力就近歸屬于脈動(dòng)循環(huán)或?qū)ΨQ循環(huán)變應(yīng)力 5. 靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算靜應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算： 靜應(yīng)力作用下，零件常表現(xiàn)的破壞形式為塑性變形或斷裂，因此其強(qiáng)度條靜應(yīng)力作用下，零件常表現(xiàn)的破壞形式為塑性變形或斷裂，因此其強(qiáng)度條件式可以利用件式可以利用9.2中的強(qiáng)度準(zhǔn)則中的強(qiáng)度準(zhǔn)則公式來(lái)計(jì)算，通常公式來(lái)計(jì)算，通常: 用塑性材料制作的用塑性材料制作的零零件件lim=s，lim=s 用脆性材料制作的零件用脆性材料制作的零件lim=B，lim=B 其中安全系數(shù)確定有兩種方法；一是查表法，查相關(guān)規(guī)范有關(guān)表格確定。其中安全系數(shù)確定有兩種方

12、法；一是查表法，查相關(guān)規(guī)范有關(guān)表格確定。二是部分系數(shù)法，將總安全系數(shù)分成若干影響部分，分項(xiàng)確定系數(shù)數(shù)值，最二是部分系數(shù)法，將總安全系數(shù)分成若干影響部分，分項(xiàng)確定系數(shù)數(shù)值，最后取他們的乘積作為總安全系數(shù)，即后取他們的乘積作為總安全系數(shù)，即S = SS = S1 1 S S2 2 S S3 3 。一般。一般 S S1 1載荷和應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確性系數(shù)，可取載荷和應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確性系數(shù)，可取S S1 1=1=11.51.5； S S2 2材料性質(zhì)的均勻性系數(shù)，對(duì)鍛鋼和軋鋼件，可取材料性質(zhì)的均勻性系數(shù)，對(duì)鍛鋼和軋鋼件，可取S S2 21.21.21.51.5；對(duì)；對(duì)鑄鐵件，可取鑄鐵件，可取S S2 21.51.

13、52.52.5； S S3 3零件重要性系數(shù)，可取零件重要性系數(shù)，可取S S3 31 11.51.5。 6.變應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算變應(yīng)力下零件的強(qiáng)度計(jì)算： a）疲勞的概念）疲勞的概念：變應(yīng)力下零件失效形式一般是疲勞破壞，其斷口如圖示。：變應(yīng)力下零件失效形式一般是疲勞破壞，其斷口如圖示。這種斷裂來(lái)的突然，即使是塑性很好的材料也會(huì)發(fā)生類似脆性材料突然斷裂，這種斷裂來(lái)的突然，即使是塑性很好的材料也會(huì)發(fā)生類似脆性材料突然斷裂，危險(xiǎn)性較大，需特別關(guān)注。顯然疲勞失效是無(wú)法用靜應(yīng)力強(qiáng)度條件公式中的極危險(xiǎn)性較大，需特別關(guān)注。顯然疲勞失效是無(wú)法用靜應(yīng)力強(qiáng)度條件公式中的極限應(yīng)力來(lái)控制的。需專門研究針對(duì)疲勞失效的極

14、限應(yīng)力。限應(yīng)力來(lái)控制的。需專門研究針對(duì)疲勞失效的極限應(yīng)力。 b）材料的疲勞曲線和疲勞極限）材料的疲勞曲線和疲勞極限：疲勞曲線如圖，：疲勞曲線如圖，曲線上的點(diǎn)表示在某種應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的條件下材曲線上的點(diǎn)表示在某種應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的條件下材料的極限應(yīng)力。曲線分為兩部分，用料的極限應(yīng)力。曲線分為兩部分，用N0（循環(huán)基（循環(huán)基數(shù)）分界（如圖），對(duì)應(yīng)數(shù)）分界（如圖），對(duì)應(yīng)N0的應(yīng)力稱材料的無(wú)限的應(yīng)力稱材料的無(wú)限壽命疲勞極限壽命疲勞極限r(nóng)(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱“材料的疲勞極限材料的疲勞極限”)。 在在BC段，曲線趨于水平，可以認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力小于段，曲線趨于水平，可以認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力小于r時(shí)，循環(huán)次數(shù)時(shí)，循環(huán)次數(shù)N為為“無(wú)窮大無(wú)窮大”

15、，材料可受，材料可受“無(wú)限無(wú)限次次”應(yīng)力循環(huán)而不破壞。應(yīng)力循環(huán)而不破壞。 在在AB段，每一應(yīng)力循環(huán)次數(shù)段，每一應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)個(gè)產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力個(gè)產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力rN，稱為材料有限壽命的疲勞極限稱為材料有限壽命的疲勞極限r(nóng)N。 顯然，如知道材料疲勞極限，就可作為極限應(yīng)力代入強(qiáng)度條件公式中。顯然，如知道材料疲勞極限，就可作為極限應(yīng)力代入強(qiáng)度條件公式中。有限壽命區(qū)：有限壽命區(qū)：壽命系數(shù)壽命系數(shù)rNrmrNkNN0mNNNk0 c）零件變應(yīng)力下的極限應(yīng)力和許用應(yīng)力）零件變應(yīng)力下的極限應(yīng)力和許用應(yīng)力 ：疲勞曲線反映出了在該種應(yīng)：疲勞曲線反映出了在該種應(yīng)力循環(huán)特征的情況下試件材料的疲勞

16、極限。但實(shí)踐中使用的零件在形狀、力循環(huán)特征的情況下試件材料的疲勞極限。但實(shí)踐中使用的零件在形狀、大小和加工方式等與試件均有很大的區(qū)別，而這些區(qū)別會(huì)較大程度影響零大小和加工方式等與試件均有很大的區(qū)別，而這些區(qū)別會(huì)較大程度影響零件的疲勞壽命，必須修正。一般采用實(shí)驗(yàn)的方法，針對(duì)各種情況做出各種件的疲勞壽命，必須修正。一般采用實(shí)驗(yàn)的方法，針對(duì)各種情況做出各種修整系數(shù)詳表，計(jì)算中據(jù)使用條件從表中查取系數(shù)代入式中，對(duì)修整系數(shù)詳表，計(jì)算中據(jù)使用條件從表中查取系數(shù)代入式中，對(duì)材料的疲材料的疲勞極限勞極限進(jìn)行修正，得到進(jìn)行修正，得到零件的疲勞極限零件的疲勞極限，建立疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)度條件公式。，建立疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)度條

17、件公式。 或或 式中：式中： 或或 ()絕對(duì)尺寸系數(shù)絕對(duì)尺寸系數(shù) k(k)有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù) 表面狀況系數(shù)表面狀況系數(shù) 以上系數(shù)請(qǐng)查材力書籍或相關(guān)手冊(cè)對(duì)應(yīng)表格。變應(yīng)力下安全系數(shù)一般以上系數(shù)請(qǐng)查材力書籍或相關(guān)手冊(cè)對(duì)應(yīng)表格。變應(yīng)力下安全系數(shù)一般應(yīng)取的比靜應(yīng)力時(shí)大。以疲勞極限為極限應(yīng)力時(shí)可取應(yīng)取的比靜應(yīng)力時(shí)大。以疲勞極限為極限應(yīng)力時(shí)可取S1.31.7；若材；若材料不均勻、計(jì)算不精確可取料不均勻、計(jì)算不精確可取S1.72.5。 Sklim1Sklim11limNk1limNk9.5 機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度計(jì)算(1) 整體強(qiáng)度整體強(qiáng)度零件受載時(shí)，在較大體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的強(qiáng)度

18、問(wèn)題稱整體強(qiáng)度零件受載時(shí)，在較大體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的強(qiáng)度問(wèn)題稱整體強(qiáng)度(2)接觸強(qiáng)度接觸強(qiáng)度 高副接觸兩零件承載面積很小，局部由接觸承載產(chǎn)生的應(yīng)力很高副接觸兩零件承載面積很小，局部由接觸承載產(chǎn)生的應(yīng)力很大，離開接觸面后所受到的應(yīng)力迅速衰減條件下的強(qiáng)度問(wèn)題。大，離開接觸面后所受到的應(yīng)力迅速衰減條件下的強(qiáng)度問(wèn)題。1. 接觸強(qiáng)度和接觸應(yīng)力的概念；接觸強(qiáng)度和接觸應(yīng)力的概念；接觸應(yīng)力是由接觸產(chǎn)生有局部性質(zhì)的應(yīng)力接觸應(yīng)力是由接觸產(chǎn)生有局部性質(zhì)的應(yīng)力2.疲勞點(diǎn)蝕生成的機(jī)理疲勞點(diǎn)蝕生成的機(jī)理 接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，零件近于表面次表面層的一些微觀缺陷開始萌生接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，零件近于表面次表面層的一些微觀缺陷開始萌

19、生裂紋并向表面擴(kuò)展；接觸應(yīng)力給表面潤(rùn)滑油施加的較大油壓將其擠入裂隙裂紋并向表面擴(kuò)展；接觸應(yīng)力給表面潤(rùn)滑油施加的較大油壓將其擠入裂隙中，又加劇了裂紋擴(kuò)展的速度；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，金屬小塊發(fā)生中，又加劇了裂紋擴(kuò)展的速度；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，金屬小塊發(fā)生斷裂在表面留下疲勞點(diǎn)蝕坑。這樣的失效形式是高副接觸零件失效的主要斷裂在表面留下疲勞點(diǎn)蝕坑。這樣的失效形式是高副接觸零件失效的主要形式。顯然接觸應(yīng)力是其發(fā)生的主要因素，需要針對(duì)它建立強(qiáng)度條件。形式。顯然接觸應(yīng)力是其發(fā)生的主要因素，需要針對(duì)它建立強(qiáng)度條件。3.接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算；接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算；如圖所示如圖所示 兩圓柱體接觸時(shí)，其中心部分首先接

20、觸，因此軸線上的中心部分接觸應(yīng)力兩圓柱體接觸時(shí)，其中心部分首先接觸，因此軸線上的中心部分接觸應(yīng)力最大，隨著中心部分的變形，兩邊區(qū)域才開始有接觸承載。這樣顯然其載荷最大，隨著中心部分的變形，兩邊區(qū)域才開始有接觸承載。這樣顯然其載荷分布區(qū)域應(yīng)呈圖中的橢圓分布狀態(tài)。其應(yīng)力可用以下公式計(jì)算：分布區(qū)域應(yīng)呈圖中的橢圓分布狀態(tài)。其應(yīng)力可用以下公式計(jì)算： 1，2兩圓柱材料的泊桑比兩圓柱材料的泊桑比 E1 ，E2兩圓柱材料的彈性模量?jī)蓤A柱材料的彈性模量1，2兩圓柱接觸點(diǎn)處的曲率半徑兩圓柱接觸點(diǎn)處的曲率半徑Fn兩圓柱間徑向的載荷兩圓柱間徑向的載荷b兩圓柱的軸向接觸長(zhǎng)度兩圓柱的軸向接觸長(zhǎng)度 +表示外接觸；表示外接觸

21、；-表示內(nèi)接觸表示內(nèi)接觸222121211111EEbFnH對(duì)于鋼制的零件，可取對(duì)于鋼制的零件，可取1=2=0.3 式中式中綜合曲率半徑綜合曲率半徑 E綜合彈性模量綜合彈性模量 保證保證bEFnH418. 0122121212EEEEESHLimHH94 機(jī)械零件的耐磨性機(jī)械零件的耐磨性 運(yùn)動(dòng)副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為運(yùn)動(dòng)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(huì)逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件抗磨磨損會(huì)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、精度精度、 效率效率、 振動(dòng)振動(dòng)、沖擊沖擊、 噪音噪音據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有

22、據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。的損壞零件是因磨損而報(bào)廢的。 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(dòng)或兼有滑動(dòng)和滾動(dòng)的高副申，如凸輪、齒輪等，受載時(shí)材料表層有很大的接觸應(yīng)力。當(dāng)載荷重復(fù)作用時(shí)，常會(huì)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(diǎn)蝕。 在摩擦過(guò)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?，在摩擦過(guò)程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損 。硬質(zhì)顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外來(lái)的塵土雜質(zhì)等。摩擦面間的硬粒，能使表面材料脫落而留

23、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(shí)，實(shí)際上只有部分峰頂接觸，接觸處壓強(qiáng)很高，能使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)。若接觸處發(fā)生粘著，滑動(dòng)時(shí)會(huì)使接觸表面材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(shí)摩擦表面能相互咬死。 3）疲勞磨損疲勞磨損(疲勞點(diǎn)蝕疲勞點(diǎn)蝕)4） 腐蝕磨損腐蝕磨損實(shí)用耐磨計(jì)算是限制運(yùn)動(dòng)副的壓強(qiáng)實(shí)用耐磨計(jì)算是限制運(yùn)動(dòng)副的壓強(qiáng)p，即，即: p p p由實(shí)驗(yàn)或同類機(jī)器使用經(jīng)驗(yàn)確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)副單位時(shí)間單位相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)副單位時(shí)間單位接觸面積的發(fā)熱量接觸面積的發(fā)熱量 f p v 。

24、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(jìn)行比較。即值進(jìn)行比較。即:p v p v 9.6 機(jī)械零件常用材料及其選擇機(jī)械零件常用材料及其選擇 機(jī)械制造中常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金和非金屬材料機(jī)械制造中常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金和非金屬材料如塑料、橡膠，尼龍、玻璃鋼、木材等常用鋼鐵材料力學(xué)性能見表如塑料、橡膠，尼龍、玻璃鋼、木材等常用鋼鐵材料力學(xué)性能見表9.1 l鋼鐵材料鋼鐵材料：一般為鑄鐵和鋼兩種：一般為鑄鐵和鋼兩種 1.鑄鐵鑄鐵：含碳量大于：含碳量大于2%的鐵碳合金稱鑄鐵，常用的有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的鐵碳合金

25、稱鑄鐵，常用的有灰鑄鐵和球墨鑄鐵兩種，其特點(diǎn)是：具有適當(dāng)?shù)囊兹坌?，良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄成形狀復(fù)兩種，其特點(diǎn)是：具有適當(dāng)?shù)囊兹坌?，良好的液態(tài)流動(dòng)性，可鑄成形狀復(fù)雜的零件。此外它的減震性、耐磨性、切削性均較好，且成本低廉。雜的零件。此外它的減震性、耐磨性、切削性均較好，且成本低廉。 2.鋼材鋼材：常用的鋼有結(jié)構(gòu)鋼：常用的鋼有結(jié)構(gòu)鋼(碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼) 、工具鋼、特殊鋼、工具鋼、特殊鋼和鑄鋼等。與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性，并可用熱處理方和鑄鋼等。與鑄鐵相比，鋼具有高的強(qiáng)度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善其力學(xué)性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接

26、或法改善其力學(xué)性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得。鑄造等方法取得。 碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強(qiáng)度越高，但塑性碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強(qiáng)度越高，但塑性越低。為了改善鋼的性能，特意加入了一些合金元素的鋼稱合金結(jié)構(gòu)鋼。越低。為了改善鋼的性能，特意加入了一些合金元素的鋼稱合金結(jié)構(gòu)鋼。 3. 鑄鋼鑄鋼：鑄鋼的液態(tài)流動(dòng)性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時(shí)。壁厚常：鑄鋼的液態(tài)流動(dòng)性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時(shí)。壁厚常不小于不小于10mm，鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚，鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同

27、壁厚的過(guò)渡部分均應(yīng)比鑄鐵件大。的過(guò)渡部分均應(yīng)比鑄鐵件大。 4.鋼材的熱處理鋼材的熱處理：鋼制造零件時(shí)，常需要進(jìn)行熱處理以改善其物理和機(jī)：鋼制造零件時(shí)，常需要進(jìn)行熱處理以改善其物理和機(jī)械性能。鋼的熱處理，就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)加熱到一定溫度后，保溫一械性能。鋼的熱處理，就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)加熱到一定溫度后，保溫一定時(shí)間，再以一定速率冷卻的工藝過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越快，鋼材定時(shí)間，再以一定速率冷卻的工藝過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越快，鋼材變的越硬越脆，內(nèi)部由于急劇冷卻造成的內(nèi)應(yīng)力也越大，反之亦反。變的越硬越脆，內(nèi)部由于急劇冷卻造成的內(nèi)應(yīng)力也越大，反之亦反。 常用熱處理工藝名稱以及其目的和應(yīng)用見表常

28、用熱處理工藝名稱以及其目的和應(yīng)用見表9.2 表表9.l 常用鋼鐵材料的牌號(hào)、力學(xué)性能及應(yīng)用舉例常用鋼鐵材料的牌號(hào)、力學(xué)性能及應(yīng)用舉例材 料力 學(xué) 性 能試件尺寸 mm應(yīng)用舉例類別牌號(hào)強(qiáng)度極限BMPa屈服極限sMPa延伸率%碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215Q235Q275335410375460490610215235275312620d16金屬結(jié)構(gòu)件、拉桿、鉚釘、芯軸、墊片、焊接件、齒輪、螺釘、蓋等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼2535455545053060064027531535539025201612d25軸、輥?zhàn)?、墊片、螺釘?shù)容S、銷、連桿、螺拴、螺母等齒輪、鏈輪、軸、鍵、銷等齒輪、凸輪等合金結(jié)構(gòu)鋼35SiMn40C

29、r20CrMnTi65Mn8839811079981735785834785159108d25d25d15d80重要齒輪、連桿、螺栓、螺母、軸等鑄鋼ZG270-500ZG310-570ZG42SiMn500570600270310380181512d100機(jī)架、飛輪、聯(lián)軸器、齒輪、軸承箱及座等灰鑄鐵HT150HT200HT250145195240-壁厚1020底座、床身、手輪、工作臺(tái)等汽缸、齒輪、底座、機(jī)體等油缸、汽缸、齒輪、軸承座等球墨鑄鐵QT400-15QT500-7QT600-3QT700-240050060070025032037042015732壁厚30200汽車底盤零件、閥門、閥蓋

30、等油泵齒輪、車輛軸瓦、閥體等機(jī)床主軸、汽缸體、缸套、連桿、曲軸、凸輪軸、齒輪軸等注：鋼鐵材料的硬度與熱處理方法、試件尺寸等有關(guān)，其數(shù)值詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等有關(guān)資料表表9.2 常用熱處理工藝名稱及其目的和應(yīng)用常用熱處理工藝名稱及其目的和應(yīng)用熱處理工藝主 要 目 的應(yīng) 用退火 降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，均勻組織，細(xì)化晶粒和預(yù)備熱處理 鑄件、焊接件、中碳鋼和中碳合金鋼鍛件和軋制件等正火 調(diào)整硬度，細(xì)化晶粒，消除網(wǎng)狀碳化物，淬火前的預(yù)備熱處理，以減少淬火缺陷 改善低碳鋼和某些低碳合金鋼切削性能；中碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前的預(yù)備熱處理；對(duì)要求不高的零件可作為最終熱處理，如大齒輪、軸等淬火及回火(調(diào)質(zhì)) 提高硬度

31、、強(qiáng)度和耐磨性。回火作為淬火的后續(xù)工序，目的是提高塑性和韌性、降低或消除殘余應(yīng)力，并穩(wěn)定零件的形狀和尺寸 淬火后高溫回火又稱調(diào)質(zhì)處理。高溫回火能得到較高的綜合機(jī)械性能 低溫回火(1503000C)用于碳鋼或合金工具鋼消除內(nèi)應(yīng)力和滲碳、碳氮共滲或表面淬火零件的后繼處理高溫回火(3506500C)即調(diào)質(zhì)處理，用于重要零件，如齒輪、曲軸等。調(diào)質(zhì)也常作為某些重要零件的預(yù)備熱處理工序表面淬火 使表面具有高硬度和高耐磨性和有利的殘余應(yīng)力分布。內(nèi)部并有足夠的強(qiáng)度和韌性 用于要求表面硬度高、內(nèi)部韌性大的零件，如齒輪、蝸桿、絲杠、軸頸、鏈輪等。感應(yīng)加熱速度快、生產(chǎn)率高，能防止表層氧化和脫碳，淬透深度易控制，但設(shè)

32、備比較貴，不適合于單件和小批量生產(chǎn)滲碳淬火 提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度，并保持原來(lái)材料的高塑性和韌性 齒輪、軸、活塞銷、鏈、萬(wàn)向聯(lián)軸器等要求表面硬度大而內(nèi)部韌性大的重載零件氮化 能獲得比滲碳淬火更高的硬度、耐磨性、熱硬性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能，氮化后不再淬火，變形比較小，零件精度高 要求硬度和耐磨性高，且不易磨削的零件和一些特殊的精密零件，如齒輪(尤其是內(nèi)齒輪)、主軸、鏜桿、精密絲杠、量具、模具等碳氮共滲(氰化) 表面硬度高而不脆，并提高耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力，變形比滲碳淬火小，處理周期短 齒輪、軸、鏈等零件，可代替滲碳淬火l有色金屬材料有色金屬材料：常用的有銅合金、軸承合金和鋁合金

33、等：常用的有銅合金、軸承合金和鋁合金等 1.銅合金銅合金：它除有良好的減摩、耐磨性外，還具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐：它除有良好的減摩、耐磨性外，還具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和延展性。分黃銅蝕和延展性。分黃銅(H)和青銅和青銅(Q)兩類。黃銅是銅鋅合金；青銅分錫青銅和兩類。黃銅是銅鋅合金；青銅分錫青銅和無(wú)錫青銅兩種，前者是銅錫合金；后者是銅和鋁、鐵、鉛、硅、錳、鈹?shù)鹊臒o(wú)錫青銅兩種，前者是銅錫合金；后者是銅和鋁、鐵、鉛、硅、錳、鈹?shù)鹊暮辖稹ｅa青銅的減摩性較無(wú)錫青銅好，但機(jī)械強(qiáng)度較差。銅合金可鑄造或輾合金。錫青銅的減摩性較無(wú)錫青銅好，但機(jī)械強(qiáng)度較差。銅合金可鑄造或輾壓，鑄造的強(qiáng)度低，但可制造形狀復(fù)雜的

34、零件。銅合金是軸瓦、蝸輪的主要壓，鑄造的強(qiáng)度低，但可制造形狀復(fù)雜的零件。銅合金是軸瓦、蝸輪的主要材料，也是在腐蝕性介質(zhì)中工作零件的主要材料。材料，也是在腐蝕性介質(zhì)中工作零件的主要材料。 2.軸承合金軸承合金：軸承合金又稱巴氏合金，是錫、鉛、銻、銅的合金，具有良：軸承合金又稱巴氏合金，是錫、鉛、銻、銅的合金，具有良好的減摩、耐磨性，是滑動(dòng)軸承襯的專用材料。好的減摩、耐磨性，是滑動(dòng)軸承襯的專用材料。 3.鋁合金鋁合金：鋁合金具有高的強(qiáng)度密度比，用它制造的零件可在同樣的強(qiáng)度：鋁合金具有高的強(qiáng)度密度比，用它制造的零件可在同樣的強(qiáng)度下獲得小的質(zhì)量，缺點(diǎn)是強(qiáng)度較鋼和鐵低，耐壓性差，價(jià)格亦較貴。常用在下獲得

35、小的質(zhì)量，缺點(diǎn)是強(qiáng)度較鋼和鐵低，耐壓性差，價(jià)格亦較貴。常用在一些要求重量輕的場(chǎng)合，例如航天工業(yè)中多有應(yīng)用。一些要求重量輕的場(chǎng)合，例如航天工業(yè)中多有應(yīng)用。 l非金屬材料非金屬材料 ：常用的有橡膠、塑料等：常用的有橡膠、塑料等 1. 橡膠橡膠：橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減速器：橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減速器的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造水潤(rùn)滑的軸承襯。的彈性元件、帶傳動(dòng)的膠帶等。硬橡膠可用于制造水潤(rùn)滑的軸承襯。 2. 塑料塑料：塑料的密度小，易于制成形狀復(fù)雜的零件。而且各種塑料具有不：塑料的密度小，易于制成形狀復(fù)雜的零件。而且各種塑料

36、具有不同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，因此近年來(lái)在機(jī)械同的特點(diǎn)，如耐蝕性、絕熱性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，因此近年來(lái)在機(jī)械制造中得到日益廣泛的應(yīng)用。制造中得到日益廣泛的應(yīng)用。l材料選擇原則材料選擇原則：選材直接影響零件的工作性能和成本，設(shè)計(jì)者必須充分了：選材直接影響零件的工作性能和成本，設(shè)計(jì)者必須充分了解材料的性能、其所適用的工作條件和價(jià)格等，適當(dāng)選材。要抓住主要，兼解材料的性能、其所適用的工作條件和價(jià)格等，適當(dāng)選材。要抓住主要，兼顧一般，通常強(qiáng)度要求是主要的，其次是工藝性，還要顧一般，通常強(qiáng)度要求是主要的，其次是工藝性，還要 適當(dāng)考慮成本、供應(yīng)適當(dāng)考慮成本、供應(yīng)的方便程度、材

37、料的物理性能等其他方面，綜合加以選擇。的方便程度、材料的物理性能等其他方面，綜合加以選擇。9.79.7機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化 1.什么是工藝性什么是工藝性- 以最低成本和勞動(dòng)量制造最易裝配、維修和更換的零件以最低成本和勞動(dòng)量制造最易裝配、維修和更換的零件 應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題如下：應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題如下：a.毛坯種類的選擇毛坯種類的選擇：零件采用何種毛坯，與零件的形狀、尺寸、生產(chǎn)規(guī)模、材：零件采用何種毛坯，與零件的形狀、尺寸、生產(chǎn)規(guī)模、材料和成本等有關(guān)。形狀復(fù)雜和尺寸較大的零件宜用鑄造或焊接毛坯；單件或小料和成本等有關(guān)。形狀復(fù)雜和尺寸較大的零件宜用鑄造或焊接毛坯；單件或小批量生

38、產(chǎn)的零件，不應(yīng)采用鑄造、模鍛或沖壓毛坯；批量生產(chǎn)零件宜用型材、批量生產(chǎn)的零件，不應(yīng)采用鑄造、模鍛或沖壓毛坯；批量生產(chǎn)零件宜用型材、模鍛或沖壓毛坯；毛坯直接采用型材成本一般最低。模鍛或沖壓毛坯；毛坯直接采用型材成本一般最低。b.零件結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化、合理零件結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化、合理 ：在功能允許情況下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；：在功能允許情況下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；如為便于取模鑄件應(yīng)沿取模方向留如為便于取模鑄件應(yīng)沿取模方向留1:20的拔模斜度；為防鐵水灌注不全，鑄件的拔模斜度；為防鐵水灌注不全，鑄件壁厚不應(yīng)當(dāng)太??；為避免應(yīng)力集中，兩實(shí)體結(jié)合部應(yīng)有適當(dāng)大小的過(guò)渡圓角；壁厚不應(yīng)當(dāng)太??；為避免應(yīng)力集中，兩實(shí)

39、體結(jié)合部應(yīng)有適當(dāng)大小的過(guò)渡圓角；鑄造毛坯的壁厚應(yīng)比較均勻。鑄造毛坯的壁厚應(yīng)比較均勻。 c.良好的生產(chǎn)加工工藝性良好的生產(chǎn)加工工藝性：為防止成本不合理升高，應(yīng)規(guī)定合理的制造精度及：為防止成本不合理升高，應(yīng)規(guī)定合理的制造精度及表面粗糙度：結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)以平面、圓柱等為主，便于加工。有裝配的面應(yīng)有倒表面粗糙度：結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)以平面、圓柱等為主，便于加工。有裝配的面應(yīng)有倒角，便于相配合零件裝入。角，便于相配合零件裝入。 d.方便裝拆、調(diào)配、維修方便裝拆、調(diào)配、維修；零件應(yīng)裝配方便，并保證要求的裝配精度。例如對(duì)；零件應(yīng)裝配方便，并保證要求的裝配精度。例如對(duì)緊固件緊固件(如螺紋聯(lián)接如螺紋聯(lián)接)，應(yīng)保證有必要的裝、

40、拆空間，應(yīng)保證有必要的裝、拆空間(圖圖9.6)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須便于；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須便于加工加工(圖圖9.7)；考慮維修需要，零件應(yīng)拆卸方便；考慮維修需要，零件應(yīng)拆卸方便(圖圖9.8)。 以上僅僅是舉例說(shuō)明了一些典型的工藝性問(wèn)題。實(shí)踐中類似的問(wèn)題還有很多，以上僅僅是舉例說(shuō)明了一些典型的工藝性問(wèn)題。實(shí)踐中類似的問(wèn)題還有很多，學(xué)習(xí)中一定要給予重視。學(xué)習(xí)中一定要給予重視。 2.標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的概念和意義標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的概念和意義 - 標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化就是將產(chǎn)品的形式、尺寸、參數(shù)、性能等統(tǒng)就是將產(chǎn)品的形式、尺寸、參數(shù)、性能等統(tǒng)規(guī)定為數(shù)量有限的種規(guī)定為數(shù)量有限的種類。標(biāo)準(zhǔn)化的零件稱為標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、螺母、滾動(dòng)軸承等；標(biāo)準(zhǔn)化有利于類。標(biāo)準(zhǔn)化的零件稱為標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、螺母、滾動(dòng)軸承等；標(biāo)準(zhǔn)化有利于設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的互換性，維修方便。標(biāo)準(zhǔn)件可以組織專業(yè)化生產(chǎn)，既保證質(zhì)量，