機械零件設(shè)計概論知識

1、機械零件設(shè)計概論 例: 機構(gòu)齒輪機構(gòu)(三個構(gòu)件) 齒輪1 、齒輪2、機架3 軸、軸承、套筒等 軸系零件 構(gòu)件零件制造的單元齒輪 傳動件 鍵 聯(lián)接件 12構(gòu)件1(小齒輪)3(一) 機械零件的簡介:最基本的通用零件(二)課程特點與學(xué)習(xí)方法研究對象機構(gòu)構(gòu)件運動的單元傳動零件軸系零件聯(lián)接零件附件機架分析處理問題的思路：（任務(wù)）設(shè)計零件*受力分析（*載荷及應(yīng)力分析功用、*工作原理） *失效形式（*主要失效形式分類）*計算準(zhǔn)則（公式建立的依據(jù)） 強度計算（*設(shè)計方法先定主參數(shù)* *許用應(yīng)力 材料） 結(jié)構(gòu)設(shè)計（尺寸及繪圖結(jié)構(gòu)特點、標(biāo)準(zhǔn)）(抓住)計算準(zhǔn)則 學(xué)習(xí)貫穿一條線：零件的失效原因:斷裂或塑性變形;過大的

2、彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。(三) 機械零件的主要失效形式及計算準(zhǔn)則強度、剛度、振動穩(wěn)定性、耐磨性、溫度等。失效形式準(zhǔn)則：根據(jù)各種失效形式而定。但常根據(jù)一個或幾個主要失 效形式確定。1、強度準(zhǔn)則失效形式 計算準(zhǔn)則 2. 表面強度疲勞破壞整體斷裂(脆性材料)過大的殘余變形（塑性材料）整體 破壞靜強度疲勞斷裂(塑、脆性材料) 1. 整體強度變應(yīng)力靜應(yīng)力表面磨損 : p p (比壓、壓強)耐磨性表面壓潰 : p p (擠壓應(yīng)力) 擠壓強度接觸疲勞: H H (接觸應(yīng)力) 接觸強度(點蝕)疲勞強度（四）機械零件設(shè)計類型和步驟 擬定零件的計算簡圖確定

3、作用在零件上的載荷選擇合適的材料確定零件形狀和主要尺寸繪制工作圖，標(biāo)注技術(shù)條件選用相應(yīng)判定條件設(shè)計計算法校核計算法參照實物(圖紙)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸驗算零件結(jié)構(gòu)和尺寸驗算，修改零件選用相應(yīng)判定條件9-2 機械零件的強度 強度 零件承受載荷后，抵抗發(fā)生斷裂或超過容許限度的殘余變形的能力與載荷及應(yīng)力有關(guān)載荷系數(shù)K：考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷：在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。計算載荷：載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。名義載荷：按名義載荷計算所得之應(yīng)力。零件設(shè)計中的載荷及其分類 靜載荷：不隨時間變化或變化緩慢的載荷.變載荷：隨時間作周期性或非周期性變化的載荷. 載荷可分為靜載

4、荷和變載荷兩類。 當(dāng)max、min均維持常數(shù)穩(wěn)定交變應(yīng)力當(dāng)max和min的數(shù)值隨時間而改變不穩(wěn)定的變應(yīng)力 交變應(yīng)力隨時間作周期性變化的應(yīng)力1.分類2.交變應(yīng)力的特征及典型的交變應(yīng)力靜應(yīng)力不隨時間變化變應(yīng)力隨時間變化r = -1對稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力-脈動循環(huán)變應(yīng)力-對稱循環(huán)變應(yīng)力-靜應(yīng)力1 01二靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料：取屈服極限S 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：脆性材料：取強度極限B 作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。具有以下特征： 1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強度極

5、限低，甚至比屈服極限低; 2)不管脆性材料或塑性材料，疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形 的脆性突然斷裂;3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。初期是在零件 表面或表層形成微裂紋，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴 展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突 然斷裂。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程 度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以 疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關(guān)的斷裂。 微裂紋常起始于應(yīng)力最大的端口周邊上，斷口有明顯的兩個區(qū)域：1)變應(yīng)力重復(fù)作用下裂紋兩邊相互摩擦形成的光滑表面區(qū)；2)最終發(fā)生脆性斷裂的粗粒狀區(qū)。如圖。1、疲勞曲線

6、表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間關(guān)系的曲線。可知：1）應(yīng)力越小，所能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)越多。2）循環(huán)次數(shù)超過數(shù)值N0后，趨于水平。2-3影響疲勞強度的因素2、影響零件疲勞強度的主要因素（1）應(yīng)力集中的影響 機械零件上的應(yīng)力集中會加快疲勞裂紋的形成和擴展。從而導(dǎo)致零件的疲勞強度下降。 常用有效應(yīng)力集中系數(shù) 表示疲勞強度的真正降低程度。注：當(dāng)同一剖面上同時有幾個應(yīng)力集中源時，應(yīng)采用其中最大的疲有效應(yīng)力集中系數(shù)進行計算。 （2）絕對尺寸的影響零件的尺寸越大，其疲勞強度降低。 用絕對尺寸系數(shù) 表示。影響疲勞強度的主要因素2（3）表面狀態(tài)的影響 包括表面粗糙度和表面處理的情況。零件表面光滑或經(jīng)過各種強化處理課提

7、高零件的疲勞強度。用表面狀態(tài)系數(shù)表示：3、許用應(yīng)力 在變應(yīng)力，取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌。當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為： 當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為： 0 為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命” 。有限壽命時，用-1N代入得： 由于-1N -1，所以可得到較大的許用應(yīng)力，從而減小零件的體積和重量。 四、安全系數(shù)1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S =1.2.5 鑄鋼件：S =1.5S 典型機械的 S 可通過查表求得。 無表可查時，按以下原則?。?零件尺寸大，結(jié)

8、構(gòu)笨重。S 可能不安全。）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵： S =343）變應(yīng)力下， S =1.31.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。?S =1.72.593 機械零件的接觸強度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。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。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。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20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(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，而在零件表面形成一些小坑 ，

9、這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕。失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕 后果：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。b由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比： 1=2=0.3 , 則有簡化公式。上述公式稱為赫茲(HHertz)公式 “+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。21FnHH1Fnb2HH提高表面接觸強度的主要措施增大接觸表面的綜合曲率半徑。將外接觸改為內(nèi)接觸。將點接觸改為線接觸。采用粘度較高的潤滑油。提高接觸表面的加工質(zhì)量。提高零件表面硬度。降低計算應(yīng)力提高許用應(yīng)力94 機械零件的耐磨性 運動副摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面形狀。零件

10、抗磨損的能力稱為耐磨性。 磨損間隙、精度、 效率、 振動、沖擊、噪音據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。 磨損的主要類型： ：1）磨粒磨損2）粘著磨損(膠合磨損)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?？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

11、傷和撕脫，嚴(yán)重時摩擦表面能相互咬死。 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，稱為腐蝕磨損。3）疲勞磨損(疲勞點蝕)4） 腐蝕磨損實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，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單位接觸面積的發(fā)熱量 f p v 。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將 p v 值與許用的 p v 值進行比較。即:p v p v 95 機械制造常用材料及

12、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1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金含碳量2%含碳量 2%鐵碳合金特點：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）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：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。零件毛坯獲取方

13、法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表 常用材料的相對價格材 料 種 類 規(guī) 格 相對價格熱軋圓鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 （ 3342） 1鑄 件優(yōu)質(zhì)碳素鋼 （ 2950） 1.51.8 合金結(jié)構(gòu)鋼（ 2950） 1.72.5 滾動軸承鋼（ 2950） 3 合金工具鋼（ 2950） 320 4Cr9Si2耐熱鋼（ 2950） 5 灰鑄鐵鑄件 0.85 碳素鋼鑄件 1.7 銅合金、鋁合金鑄件 810 3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：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。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合

14、金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1. 橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 2. 塑料 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，如耐蝕性、絕熱性、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。 3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。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、工作條件、物理、化學(xué)、機械工藝性

15、能、經(jīng)濟性。零件材料 各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。表 常用鋼鐵材料的牌號及力學(xué)性能材 料 力 學(xué) 性 能 試件尺寸類 別 牌 號 強度極限B 屈服極限S 延伸率% mmQ215 335-410 215 31 碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金結(jié)構(gòu)鋼 40Cr 981 785 9

16、d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 鑄 鋼ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰鑄鐵HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨鑄鐵QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚3020096 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)一、 公差與配合互換性：零件在裝配時，不需要選擇和附加加工的就能滿足預(yù) 期技術(shù)與使用

17、要求的特性?；境叽纾河稍O(shè)計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。實際尺寸：制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量有誤差， 所以實際尺寸并非真值。相對于基本尺寸而言，總 是有誤差。或大或小實際尺寸25.1軸實際尺寸實際尺寸基本尺寸實際尺寸24.9孔25.1孔25孔基本尺寸軸25軸24.9最小極限尺寸：零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；最大極限尺寸：零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；尺寸誤差 ：實際尺寸與理論設(shè)計尺寸之差；上偏差 ：最大極限尺寸與基本尺寸之差；符號：ES,es下偏差 ：最小極限尺寸與基本尺寸之差；符號：EI,eiesESeiEI尺寸公差：最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；即 允許的尺寸變

18、動量。ES-EIes-ei公差=Lmax- Lmax=ES-EI=es-eiLmin孔L孔Lmax孔軸LLmax軸Lmin軸軸LLmax軸Lmin軸零線：代表基本尺寸所在位置的一條直線；公差帶：由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域；零線ESEI孔公差帶esei軸公差帶國標(biāo)規(guī)定：孔與軸各有28個，分別用如下符號表示：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軸：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：標(biāo)準(zhǔn)表列的，用于

19、確定公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差，一般為靠近零線的那個偏差。+0-零線L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軸：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基本偏差系列呈正態(tài)分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs軸+0-基本尺寸配合：基本尺寸相同，相互結(jié)合的孔與軸公差帶之間 的關(guān)系；間隙或過盈：孔的尺

20、寸減去相配合軸的尺寸所得代數(shù)差；間隙：代數(shù)差為“+”， 孔軸; 過盈：代數(shù)差為“-”， 孔軸，用于可動聯(lián)接，如活動鉸鏈； 孔軸，用于靜聯(lián)接，如火車輪與軸。 可能有間隙，也可能具有過盈。用于要求具有良好的同軸性而又便于拆裝的靜聯(lián)接，如齒輪與軸；最大間隙: Xmax = 孔max-軸min最小間隙: Xmin = 孔min-軸max 最大過盈: Ymax = 孔min-軸max 最小過盈： Ymin = 孔max-軸min 間隙配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶過盈配合過渡配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmax

21、YmaxYmaxXminXmaxXmin= 0Ymin= 0軸公差帶XmaxYminH零線D孔公差kjshgefrpms間隙配合過渡配合過盈配合配合基準(zhǔn)制基孔制配合：孔是基準(zhǔn)孔，下偏差EI=0， 代號為:H ， 通過改變 軸的公差帶來或得各種不同的配合特性。基孔制配合基軸制配合應(yīng)用廣泛 ，可減少孔加工刀具 零線hD軸公差KJSHGEFRPMS間隙配合過渡配合過盈配合基軸制配合：軸是基準(zhǔn)軸，上偏差es=0， 代號為:h ，通過改變 孔的公差帶來或得各種不同的配合特性?；字瞥Ｓ门c優(yōu)先配合的選用基軸制常用與優(yōu)先配合的選用二、 表面粗糙度輪廓峰谷線輪廓峰頂線輪廓峰高yp輪廓谷深yv中線lyx定義：零

22、件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度特征：加工后零件表面留下的微細(xì)而凹凸不平的刀痕。評定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差-取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術(shù)平均值：0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3 用不同加工方法得到的Ra 加工方法表面粗糙度 Ra m精 粗刨削鉆孔鉸孔精 粗鏜孔精 粗車精 粗磨精 粗研磨滾、銑精 粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：1. 對摩擦磨損的影響摩擦系數(shù)Ra零件表面愈粗糙，摩擦系數(shù)愈大。但光滑到一定程度時，潤滑油被擠出，產(chǎn)生親

23、和力反而使摩擦系數(shù)增大。2. 對疲勞強度的影響 零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使疲勞強度降低。3. 對耐腐蝕的影響4. 對結(jié)合處密封性能的影響5. 對振動和噪聲的影響等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產(chǎn)生腐蝕滲透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振動和噪聲愈大。如滾動軸承。三、 優(yōu)先數(shù)系 優(yōu)先數(shù)系是國際上統(tǒng)一的數(shù)值分級制度，是一種無量綱的分級系數(shù)，適用于各種量值的分級。在確定產(chǎn)品的參數(shù)或參數(shù)系列時，應(yīng)該最大限度采用。 產(chǎn)品的主要參數(shù)如：型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等按優(yōu)先數(shù)系形成系列，便于組織生產(chǎn)和降低成本，以實現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。優(yōu)先數(shù)系是一個以公比為：

24、qr= 10 的十進等比級數(shù)，rGB321-80規(guī)定了四個優(yōu)先數(shù)系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40優(yōu)先數(shù)系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.

25、60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 優(yōu)先數(shù)-表中任意一個數(shù)值。 大于10的優(yōu)先數(shù)，可將表數(shù)值分別乘以10、100、1000 。 97 機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、工藝性零件設(shè)計要求使用要求-具備所要求的工作能力；制造要求-制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標(biāo)志： 在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1) 毛坯選擇合理制備方法 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