CH9機械設計緒論

第9章機械設計概論

計劃學時：2h制作人：向敬忠基本要求及重點、難點9.1機械設計的性質(zhì)和任務9.2機械零件設計時應滿足的基本要求及主要設計準則9.3機械零件設計的一般步驟

9.4公差與配合和表面粗糙度9.5機械常用材料9.6金屬材料的力學性能9.7影響鋼材力學性能的主要因素9.8機械零件的制造工藝性基本要求:1)了解機械設計的性質(zhì)和任務。2)了解機械零件應滿足的基本要求及相應的設計準則。3)掌握基孔制、基軸制、間隙配合、過渡配合、過盈配合概念。4)了解機械中常用材料及其力學性能。5)了解熱處理中與本課相關(guān)的基本概念。6)了解毛坯的制取方法和常用的切削加工方法。重點、難點：1)機械零件設計時應滿足的基本要求及主要設計準則。2)配合概念及常用配合類型。3)金屬材料的力學性能。4)熱處理工藝對鋼材綜合機械性能的影響。5)機械零件的制造工藝性。作業(yè):概念9.1

機械設計的性質(zhì)和任務

創(chuàng)造機器的目的：減輕體力勞動和提高生產(chǎn)率。構(gòu)件——從運動角度考慮組成機器或機構(gòu)的不可拆的最小實體稱為構(gòu)件，構(gòu)件是運動的單元。

零件——從加工、制造和安裝角度考慮組成機器的不可拆的最小實體稱為機械零件，簡稱零件，零件是制造的單元。它必須考慮實現(xiàn)具體功用的每一個件的支承、聯(lián)接、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、材料、熱處理、加工精度、表面粗糙度等。

通用零件——各種機器中普遍使用的零件稱為通用零件。

專用零件——只在一定類型的機器中使用的零件稱為專用零件。機械設計的內(nèi)容：研究在普通工作條件下一般參數(shù)的通用零部件的基本設計理論和計算方法，其內(nèi)容主要包括三部分：1）聯(lián)接部分——介紹螺紋聯(lián)接，鍵、花鍵、銷釘聯(lián)接。2）傳動部分——介紹帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿蝸輪傳動。3）軸系部分——介紹軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器、離合器。機械設計的任務：

①熟知常用通用零件的結(jié)構(gòu)并了解其設計原理和方法；②能夠運用手冊、圖、表和相關(guān)的技術(shù)資料；③能夠設計簡單的機械零、部件。

9.2

機械零件設計時應滿足的基本要求及主要設計準則

9.2.1

工作可靠性的要求

1．強度強度準則

2．剛度

剛度是指在一定載荷下，零件抵抗彈性變形的能力。

零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的永久變形統(tǒng)屬于強度問題。具有適當?shù)膹姸仁窃O計零件時必須滿足的最基本要求。剛度準則

3．壽命

壽命——零件正常工作延續(xù)的時間叫做零件的壽命。影響零件壽命的主要因素：材料的疲勞，材料的腐蝕及相對運動零件接觸表面的磨損。大部分零件均在變應力條件下工作，因而疲勞破壞是引起零件失效的主要因素。

4．可靠性

可靠度——在規(guī)定的使用時間(壽命)內(nèi)和預定的環(huán)境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率

失效率——在t時間到t+dt的間隔中,又有dN個零件發(fā)生破壞，則在此時間間隔內(nèi)破壞的比率浴盆曲線——零件或部件的失效率與時間的關(guān)系分析：1）第Ⅰ段——早期失效階段。在這一階段中，失效率由開始時很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因是零、部件中所存在的初始缺陷。在這一階段可通過跑合避免過高的失效率，防止事故的發(fā)生。2）第Ⅱ段——正常使用階段。在此階段內(nèi)如果發(fā)生失效，一般總是由于偶然的原因而引起的，其發(fā)生是隨機的，失效率則表現(xiàn)為一常數(shù)。3）第Ⅲ段——報廢階段。由于長時間的使用而使零件發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞裂紋擴展等原因，使失效率急劇地增加。良好的維護和及時更換馬上要發(fā)生破壞的零件，就可以延緩機器進入這一階段工作的時間。

5．振動穩(wěn)定性

機器中存在著很多的周期性變化的激振源。如果某一零件本身的固有頻率f與激振源的頻率fp重合或成整數(shù)倍時，這些零件就會發(fā)生共振，以至使零件破壞或機器工作情況失常。

或

9.2.2

經(jīng)濟性要求

經(jīng)濟準則：設計機械時應最大限度地考慮經(jīng)濟性，力求費用少、效率高、維修簡便。

1．良好的工藝性

基本要求：1)合理選擇毛坯；2)結(jié)構(gòu)簡單合理；3)規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙戎怠?/p>

2．合理選擇材料

在滿足機械的一定工作要求下，應優(yōu)先選用價格便宜和供應充分的材料，用適當?shù)臒崽幚矸椒ǜ纳撇牧系臋C械性能。3．質(zhì)量小的要求

優(yōu)點：1）可以節(jié)約材料；2）對運動的零件來說，可以減小慣性，改善機器的動力性能，減小作用于構(gòu)件上的慣性載荷。

4．標準化、系列化、通用化的要求

標準化——通過對零部件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標準。系列化——將某些零部件按尺寸不同加以劃分。通用化——指系列之內(nèi)或跨系列的產(chǎn)品之間盡量采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零部件，以減少企業(yè)內(nèi)部的零部件種數(shù)，從而簡化生產(chǎn)管理和獲得較高的經(jīng)濟效益。“三化”——標準化、系列化、通用化通稱“三化”。

“三化”的優(yōu)越性：

①以最先進的方法在專門化的工廠中對那些用途最廣的零部件進行大量、集中的制造，提高了質(zhì)量，降低了成本。②統(tǒng)一材料的性能指標，使其能夠比較，并提高了零、部件和機器的可靠性。

③采用標準結(jié)構(gòu)的零部件可以減少技術(shù)過失的重復出現(xiàn)，并簡化了設計工作，縮短了設計周期，提高了設計質(zhì)量。④增大了互換性，簡化了機器的維修工作。⑤有利于增加產(chǎn)品品種，擴大生產(chǎn)批量，達到產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗等。標準分類：國際標準ISO、國家標準GB、行業(yè)標準和企業(yè)標準等。9.3機械零件設計的一般步驟

①根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。②根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。優(yōu)先按原動機的額定功率確定零件上的工作載荷。③根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求(如溫度、腐蝕性等)，選擇適當?shù)牟牧霞盁崽幚砉に嚒?/p>

④分析零件的主要失效形式，找出設計準則，確定出零件的基本尺寸。

⑤根據(jù)工藝性和標準化等原則及相聯(lián)接和相配合的零件進行結(jié)構(gòu)設計。⑥根據(jù)各方面的要求進行詳細的校核計算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。⑦畫出零件的工作圖，并寫出計算說明書。9.4公差與配合和表面粗糙度9.4.1公差與配合

公差——兩個極限尺寸之差為，我國的公差與配合（GB1800~1803—79、GB/T1804—92）采用國際公差制。

配合的種類

間隙配合——孔總是比軸大，用于動聯(lián)接。過盈配合——孔總是比軸小，用于靜聯(lián)接。過渡配合——可能具有間隙，也可能具有過盈，用于要求具有良好同軸性而又便于裝拆的靜聯(lián)接。

國家標準規(guī)定：孔與軸的公差帶位置各有28個，分別用大寫和小寫拉丁字母表示。還規(guī)定了20個公差等級（即尺寸精度等級），用阿拉伯數(shù)字表示。

例如：H7表示孔的公差帶為H，后面數(shù)字表示7級公差等級；f8表示軸的公差帶為f，8級公差等級。

機械制造中最常用的公差等級是4~11。4，5級用于特別精密的零件。6，7，8級用于重要零件，它們是生產(chǎn)中應用最多的精度等級。8、9級用于工作轉(zhuǎn)速中等及具有中等精度要求的零件。10，11級用于低精度零件，主要用于低速機器中。

基孔制——孔是基準孔，其下偏差為零，代號為H，而各種配合特性是靠改變軸的公差來實現(xiàn)的?；S制——軸是基準軸，其上偏差為零，代號為h，而各種配合特性是靠改變孔的公差來實現(xiàn)的。9.4.2表面粗糙度表面粗糙度——零件表面的微觀幾何形狀誤差。優(yōu)先選用的表面粗糙度值及與其對應的加工方法：

9.5

機械常用材料

機械常用材料的分類和應用舉例續(xù)表9.6金屬材料的力學性能9.6.1材料的應力極限低碳鋼拉伸應力-應變圖力學性能：彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞強度等。比例極限p——OA階段稱為彈性階段，其變形稱為彈性變形，對應的最大應力稱為比例極限。屈服極限s——BC階段稱為屈服階段，屈服階段的最低應力稱為屈服極限。

殘余變形——卸載時，沿DO′線回至點O′，OO′即為殘余變形或稱為永久性變形。“縮頸”現(xiàn)象——材料屈服后，隨著載荷的增加，金屬開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，當載荷增加到E點的對應值時，變形集中發(fā)生在試件的某一部位上，該部位的截面積急劇縮小，出現(xiàn)了“縮頸”現(xiàn)象。

強度極限B

——由于截面減小，載荷也隨之下降，直至F點時，試件在“縮頸”處斷裂。材料在斷裂前的最大應力稱為強度極限。冷作硬化——在常溫下經(jīng)過塑性變形使材料的強度提高、塑性降低的現(xiàn)象稱為冷作硬化。在機械零件中常利用冷作硬化提高強度。

幾種不同材料拉伸時的應力-應變曲線見圖。9.6.2材料的性能

（1）彈性

材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去掉后材料恢復其原來形狀的性能。（2）剛度

材料在受力時抵抗彈性變形的能力。在比例極限范圍內(nèi)，應力與應變ε成正比，比例常數(shù)E（=/ε）即為彈性模量（剪切時為切變模量G）。彈性模量的大小反映了材料抵抗變形的能力，是衡量材料剛度的性能指標。（3）強度

材料在受力時抵抗塑性變形和斷裂的能力。依載荷性質(zhì)不同，強度分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。常見的強度指標是屈服強度s和拉伸強度B

。（4）延伸性

延伸性是衡量材料塑性性能的指標。

延伸率δ：試件拉斷后，標距內(nèi)的伸長量與標距原長之比的百分率。δ>5%者為塑性材料，δ<5%者為脆性材料。

斷面收縮率Ψ：試件拉斷后，斷裂處面積的縮小量與原面積之比的百分率。

（5）沖擊韌性

材料在沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力。沖擊韌度是衡量材料承受沖擊載荷能力的性能指標。在有缺口試件上，缺口底部單位截面積所能承受的沖擊功稱沖擊韌度。（6）硬度

硬度表示材料表面在一個小面積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。常用的有布氏硬度（HBS）、洛氏硬度（HRC）。一般地說材料硬度愈高，強度（包括接觸強度）和耐磨性亦愈高，但塑性愈低。（7）疲勞強度

在長時間交變載荷的作用下，有些零件會在應力遠遠小于屈服強度時發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。9.7影響鋼材力學性能的主要因素（1）含碳量的影響

（2）合金元素的影響（3）溫度的影響（4）熱處理工藝的影響熱處理——將工件加熱到一定溫度，進行必要的保溫，然后以一定的方法冷卻，以改善其組織結(jié)構(gòu)，從而得到所需的綜合機械性能的工藝方法；熱處理退火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，然后隨爐冷卻，這種工藝方法稱為退火；正火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，如果在空氣中冷卻稱之為正火；淬火——將工件加熱到臨界溫度以上，進行必要的保溫，如果在水或油中冷卻稱之為淬火?；鼗稹绻訜岬脚R界溫度以下，保溫后空冷或油冷，稱之為回火。調(diào)質(zhì)——淬火后高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。表面淬火——如果將工件表面迅速加熱到臨界溫度以上，不等熱量傳至工件中心就快速冷卻的工藝方法稱之為表面淬火?；瘜W熱處理——即將不同元素的活性原子滲入到工件表面的熱處理方法，如滲碳、氮化和氰化等。主要熱處理工藝的目的和應用

熱處理工藝主要目的

應用退火降低硬度，消除內(nèi)應力，均化組織、細化晶粒和預備熱處理鑄件、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，細化晶粒，淬火前的預備熱處理，以減少淬火缺陷改善低碳鋼低碳合金鋼切削性；中碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前預備熱處理；對要求不高的零件作最終熱處理，如大齒輪、軸等淬火及回火提高硬度、強度和耐磨性?；鼗鹉康氖翘岣咚苄院晚g性，降低或消除殘余應力低溫回火（150~300oC）用于碳鋼或合金工具鋼消除內(nèi)應力和化學熱處理或表面淬火零件的后續(xù)處理。高溫回火（350~650oC）即調(diào)質(zhì)，用于重要零件如齒輪、曲軸等調(diào)質(zhì)

得到較高的綜合力學性能表面淬火使表面具有較高硬度和耐磨性及有利的殘余應力分布，內(nèi)部有足夠的強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、鏈輪等滲碳淬火提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度，并保持原來材料的塑性和韌性齒輪、軸、活塞銷、鏈、萬向聯(lián)軸器等要求表面硬度大而內(nèi)部韌性大的重載零件滲氮能獲得比滲碳淬火更高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性能，滲氮后不再淬火，變形小

要求硬度和耐磨性高和不易磨削的零件和精密零件，如齒輪（尤其是內(nèi)齒輪）、主軸、鏜桿、精密絲杠、量具、模具等9.8機械零件的制造工藝性良好的工藝性：在一定的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)條件下，花費勞動量最小、加工費用最少的零件。

1．毛坯的制取（1）型材

圓鋼、方鋼、鋼管、鋼板等，均可直接作毛坯