西工大機械原理第9章機械零件設計概論

第9章機械零件設計概論內(nèi)容

§9-1機械零件設計概述

§9-2機械零件的強度（重點）

§9-3機械零件的接觸強度（重點）

§9-4機械零件的耐磨性

§9-5機械制造常用材料及其選擇

§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系

§9-7機械零件的工藝性及標準化第一頁，共四十九頁?！?-1機械零件設計概述機械設計應滿足的要求：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。概括地說是：工作可靠、成本低廉。名詞術(shù)語：失效：

機械零件由于某種原因不能正常工作（完不成規(guī)定的功能或達不到設計要求的性能）時，稱為失效。第二頁，共四十九頁?！?-1機械零件設計概述失效的形式：因強度不夠發(fā)生斷裂或塑性變形；因剛度不夠而產(chǎn)生過大的彈性變形；因耐磨性不足或潤滑不良而使工作表面過度磨損或損傷；因失去振動穩(wěn)定性而發(fā)生強烈的振動（或共振）、聯(lián)接的松弛、摩擦傳動的打滑等。歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。同一種零件可能的失效形式往往有若干種。第三頁，共四十九頁。工作能力：在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度（或者說在一定條件下零件抵抗失效的能力）。通常，用載荷大小來衡量這個限度，所以習慣上稱為承載能力。工作能力計算準則：為防止機械零件發(fā)生某種失效而應滿足的條件。也可以理解為是機械零件不發(fā)生失效的“安全條件”，是設計零件時的理論依據(jù)。設計計算與校核計算：為了防止機械零件在工作中產(chǎn)生失效，設計時，需要以零件的工作能力計算準則為依據(jù)進行必要的計算，常用的計算方法（過程）有設計計算和校核計算兩種?！?-1機械零件設計概述第四頁，共四十九頁。設計計算：先分析零件的可能失效形式，根據(jù)該失效形式的計算準則通過計算確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸。校核計算：先確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后再驗算零件是否滿足計算準則。如不滿足，則應修改零件的尺寸。§9-1機械零件設計概述第五頁，共四十九頁。機械零件的設計步驟擬定零件的計算簡圖。確定作用在零件上的載荷。選擇合適的材料。根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。應當注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件?！?-1機械零件設計概述第六頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度一、載荷載荷：進行強度計算所依據(jù)的、作用于零件上的外力F、彎矩M、扭矩T以及沖擊能量等，統(tǒng)稱為載荷。機械零件實際承受的載荷：靜載荷：大小、作用位置和方向不隨時間變化或變化緩慢的載荷。變載荷：大小、作用位置或方向隨時間變化的載荷。動載荷：由于運動中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等引起的載荷。第七頁，共四十九頁。機械設計計算中的載荷：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（不考慮動載荷的影響）計算載荷：載荷系數(shù)K×名義載荷（代表機器或零件實際所受載荷）載荷系數(shù)：考慮機器運轉(zhuǎn)時動力參數(shù)的不穩(wěn)定，工作阻力變化等原因，使零件受到各種附加載荷而引入的影響系數(shù)K

?！?-2機械零件的強度第八頁，共四十九頁。應力設計計算的應力：名義應力：根據(jù)名義載荷求得的應力計算應力：根據(jù)計算載荷求得的應力機械零件的實際應力：靜應力——不隨時間變化的應力。變應力——隨時間變化的應力。非周期性變應力：應力的變化沒有周期性。循環(huán)變應力：應力的變化具有周期性。§9-2機械零件的強度σσttT第九頁，共四十九頁。§9-2機械零件的強度循環(huán)變應力的衡量指標：平均應力σm：一個應力循環(huán)中最大應力與最小應力的平均值。應力幅σa

：一個應力循環(huán)中，應力偏離平均應力的程度。變應力循環(huán)特性r：應力循環(huán)中最小應力與最大應力之比。Tσtσmaxσminσmσa第十頁，共四十九頁。循環(huán)變應力的類型：對稱循環(huán)變應力：r＝-1。脈動循環(huán)變應力：r＝0。靜應力：r＝1，可看作是變應力的特例。非對稱循環(huán)變應力：r≠0、±1§9-2機械零件的強度對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力應力時間應力時間應力時間第十一頁，共四十九頁。機械零件的強度條件：機械零件在整體或表面上的應力不得超過允許的限度。前者稱為整體強度，后者稱為表面接觸強度。機械零件整體強度條件為零件危險截面的計算應力不大于零件材料的許用應力：§9-2機械零件的強度四、靜應力條件下的許用應力塑性材料制成的零件，主要損壞形式為塑性變形，按不發(fā)生塑性變形條件進行強度計算，其極限應力為零件材料的屈服極限，許用應力：

第十二頁，共四十九頁。S安全系數(shù)。零件的斷裂可能引起重大的損失甚至人生事故，故安全系數(shù)取值較大，或按相關(guān)的安全系數(shù)表格選取。脆性材料制成的零件，主要損壞形式為斷裂，按不發(fā)生斷裂條件進行強度計算，極限應力為零件材料的強度極限，許用應力：§9-2機械零件的強度S為安全系數(shù)。零件發(fā)生塑性變形后，會影響零件的正常工作，但不會引起重大事故，所以安全系數(shù)取值可小些；對于塑性較差或鑄鋼，按相關(guān)安全系數(shù)表格選取。第十三頁，共四十九頁。五、變應力下的許用應力失效形式：變應力下，無論是塑性材料還是脆性材料，主要損壞形式都是疲勞斷裂。疲勞斷裂的特征：疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；疲勞裂口表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然脆性斷裂；疲勞斷裂是損傷的積累。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，所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)（即用期限或壽命）密切相關(guān)。§9-2機械零件的強度第十四頁，共四十九頁。③疲勞曲線：表示應力σ與應力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，如圖所示。從圖中可以看出，應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。§9-2機械零件的強度第十五頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度疲勞極限-1

——材料在對稱循環(huán)變應力下的彎曲疲勞機限。

N0稱為應力循環(huán)基數(shù)。對于特定的材料，具有標準值。疲勞曲線的左半部（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環(huán)特性的變應力作用下，任意循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限第十六頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度式中：——壽命系數(shù)；當N≥N0

時，取KN=1。

m為隨應力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)。第十七頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度④影響機械疲勞強度的因素：在變應力條件下，影響機械零件疲勞強度的因素很多，有應力集中系數(shù)、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等。主要為前三種。⑴應力集中的影響在零件剖面的幾何形狀突變之處（孔、圓角、鍵槽、螺紋等），零件受載時，會產(chǎn)生應力集中。常用有效應力集中系數(shù)Kσ來表示疲勞強度的真正降低程度。有效應力集中系數(shù)定義為：材料、尺寸和受載情況相同的一個無應力集中試樣與一個有應力集中試樣的疲勞極限的比值。第十八頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度⑵絕對尺寸的影響當其他條件相同時，零件剖面的絕對尺寸越大，疲勞強度越低，剖面絕對尺寸對疲勞極限的影響，用絕對尺寸系數(shù)εσ表示：⑶表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)對疲勞極限的影響用表面狀況系數(shù)β來表示：第十九頁，共四十九頁?！?-2機械零件的強度⑤許用應力：當應力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為:■當應力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為:Kσ應力集中系數(shù)；εσ尺寸系數(shù)；β表面狀態(tài)系數(shù)；σ0脈動循環(huán)疲勞極限第二十頁，共四十九頁。1）靜應力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5鑄鋼件：S=1.５～２.5典型機械的S可通過查表求得。無表可查時，按以下原則取：2）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應力下，S=1.3～1.7

材料不均勻，或計算不準時?。篠=1.7～2.5§9-2機械零件的強度六、安全系數(shù)第二十一頁，共四十九頁。§9-3機械零件的接觸強度接觸強度：若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載變形后，其表層產(chǎn)生很大的局部應力，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。承受接觸應力的零件的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。疲勞點蝕：機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的接觸變應力，在載荷重復作用下，金屬表層內(nèi)產(chǎn)生初始疲勞裂紋、裂紋擴展至最終金屬脫落的破壞現(xiàn)象。第二十二頁，共四十九頁。兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值由赫茲（H.Hertz）公式計算：§9-3機械零件的接觸強度令及對于鋼或鑄鐵，取μ1=μ2=μ=0.3，則上式簡化為：第二十三頁，共四十九頁?！?-3機械零件的接觸強度零件受接觸變應力作用時接觸強度條件為

σH≤[σH]而[σH]=σHlim/SH式中σHlim為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。對于鋼，經(jīng)驗公式為：安全系數(shù)SH可取為等于或稍大于1。第二十四頁，共四十九頁?！?-4機械零件的耐磨性術(shù)語和概念：磨損：運動副的摩擦導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損的影響：磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態(tài),影響機器的效率，降低工作的可靠性，促使機器提前報廢。磨損率：單位時間（或單位行程、轉(zhuǎn)等）材料的損失量。耐磨性：零件抗磨損的能力。與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。正常磨損：除非運動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避兔的。但是只要磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能保持一定壽命。所以，在預定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。據(jù)統(tǒng)計，約有80％的損壞零件是因磨損而報廢的。第二十五頁，共四十九頁。磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損典型宏觀磨損過程：一個機械零件的磨損過程大體可分為磨合、穩(wěn)定磨損、劇烈磨損三個階段。磨合（跑合）階段：是指新零件在運轉(zhuǎn)初期的磨損。新的摩擦副表面比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強大，因此運轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強減小，磨損的速度逐漸減慢?！?-4機械零件的耐磨性第二十六頁，共四十九頁。穩(wěn)定磨損階段：這個階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長短直接影響機器的壽命。

劇烈磨損階段：零件經(jīng)長時間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動加大，導致磨損加劇，最終導致零件報廢。注：應該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。§9-4機械零件的耐磨性第二十七頁，共四十九頁。磨損的類型

按磨損的機理不同，機械零件的磨損大體分為四種基本類型：1.磨粒磨損，也稱磨料磨損是外界的硬顆?；虼植诘挠脖砻嬖谙鄬\動中，對摩擦表面的擦傷所引起的磨損。2.粘著磨損，也稱膠合摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運動中，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘著磨損。3.疲勞磨損，即疲勞點蝕是高副（點、線接觸）機械零件的常見磨損形式?！?-4機械零件的耐磨性第二十八頁，共四十九頁。4.腐蝕磨損摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現(xiàn)象，這種情況下產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等其他形式。減小磨損的主要方法

（1）潤滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。（2）合理選擇摩擦副材料（3）進行表面處理（4）注意控制摩擦副的工作條件等§9-4機械零件的耐磨性第二十九頁，共四十九頁。耐磨性計算實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即p≤[p]式中[p]

是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv值與許用[pv]值進行比較，即

pv≤[pv]

§9-4機械零件的耐磨性第三十頁，共四十九頁?！?-5機械制造常用材料及其選擇一、常用材料第三十一頁，共四十九頁。高分子材料：復合材料：陶瓷：塑料、橡膠、合成纖維強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕非金屬§9-5機械制造常用材料及其選擇第三十二頁，共四十九頁。詳細說明二、機械零件材料的選用需要考慮的因素載荷及應力的大小和性質(zhì)零件的工作情況零件的尺寸及重量零件的結(jié)構(gòu)及加工性材料的經(jīng)濟性材料的供應狀況§9-5機械制造常用材料及其選擇在做設計的時候，根據(jù)實際情況，在保證經(jīng)濟最優(yōu)的情況下，查閱《機械工程材料》等手冊，選取合適的材料。第三十三頁，共四十九頁。§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系極限與配合互換性：機器是由獨立制造的零件裝配而成的。為了降低生產(chǎn)成本，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，希望制造的零件具有這樣的性質(zhì)：裝配時不加選擇及附加的加工，就能達到預期的裝配技術(shù)要求。該性質(zhì)稱為互換性?；Q性的好處：具有互換性的機器，當它們的零、部件損壞時，就能夠迅速地用新的替換，縮短修理時間，節(jié)約修理費用，保證機器工作的連續(xù)性和持久性，提高機器的使用率?；Q性的實現(xiàn)，其設計與制造必須實現(xiàn)標準化。第三十四頁，共四十九頁。公差機械零件的幾何形體通常是通過加工得到的。然而任何加工方法都不可能把零件加工得絕對準確，在尺寸、形狀和相互位置這三個方總是存在著一定的加工誤差。欲保證其幾何精度，就必須將加工誤差控制在一定的范圍內(nèi)。把零件的幾何參數(shù)值規(guī)定在允許范圍內(nèi)的變動量——稱為公差?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第三十五頁，共四十九頁?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系基本尺寸：零件設計時所設的尺寸。（見圖）最大、最小極限尺寸：加工出來的零件尺寸范圍通常要滿足在規(guī)定的范圍內(nèi)，則最大允許的尺寸叫做最大極限尺寸；最小允許的尺寸叫做最小極限尺寸。公差：兩極限尺寸之間的差值。公差帶：零件尺寸在公差范圍內(nèi)變化的區(qū)域。上偏差與下偏差：最大極限尺寸與基本尺寸之差稱為上偏差，孔ES，軸es；最小極限尺寸與基本尺寸之差稱為下偏差，孔EI，軸ei?；酒睿嚎拷境叽绲哪莻€偏差。規(guī)定：孔的EI為基本偏差，軸的es為基本偏差。零件尺寸的表達：第三十六頁，共四十九頁。配合：同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合稱為配合。根據(jù)孔、軸公差帶的相對位置，配合分為：過盈配合；過渡配合；間隙配合。配合制度有基孔制和基軸制兩種?；字频目资腔鶞士?，其下偏差為零，代號為H，各種配合特性靠改變軸的公差帶位置來實現(xiàn)。基軸制的軸是基準軸，其上偏差為零，代號為h，各種配合特性靠改變孔的公差帶位置來實現(xiàn)。(見圖)§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第三十七頁，共四十九頁?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系國標規(guī)定，孔與軸的公差帶位置各有28個，用字母表示；公差等級20個，用數(shù)字表示，數(shù)字越小，精度越高。（IT1～IT18，IT01，IT0）如H7表示孔的公差帶為H，公差等級為7；k8表示軸的公差帶為k，公差等級為8。機械制造中常用的公差等級為4～11級。精密零件的尺寸公差等級用4、5，重要零件的公差等級用6、7，中等精度零件用8、9，低精度零件用10、11。第三十八頁，共四十九頁?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系動畫第三十九頁，共四十九頁。表面粗糙度表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加工后在零件表面留下的微細而凸凹不平的刀痕。表面粗糙度的評定參數(shù)之一是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，它是指在取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值（圖9-12），即近似為§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第四十頁，共四十九頁。表9-3列出了供優(yōu)先選用的表面粗糙度Ra值及與其對應的加工方法。§9-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第四十一頁，共四十九頁?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第四十二頁，共四十九頁。優(yōu)先數(shù)系優(yōu)先數(shù)系是用來使型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理的分級。這樣可便于組織生產(chǎn)和降低成本。GB321—80規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系有四種基本系列，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分別為1.6、1.25、1.12、1.06。優(yōu)先數(shù)系中任何一個數(shù)值稱為優(yōu)先數(shù)。優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系是一種科學的數(shù)值制度，在確定量值的分級時，必須最大限度地采用上述優(yōu)先數(shù)及優(yōu)先數(shù)系?！?-6極限與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系第四十三頁，共四十九頁?！?-7機械零件的工藝性及標準化工藝性在具體生產(chǎn)條件下，如所設計的機械零件便于加工而加工費用又很低，則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關(guān)工藝性的基本要求是；毛坯選擇合理：機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技求條件有關(guān)，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。第四十四頁，共四十九頁。結(jié)構(gòu)簡單合理：設計零件的結(jié)構(gòu)形狀時，最好采用最簡單的表面及其組合，同時還應當盡量使加工表面數(shù)目最少和加工面積最小。規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙龋毫慵募庸べM用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據(jù)時，不應當追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也應當根據(jù)配合表面的實際需要，作出適當?shù)囊?guī)定。§9-7機械零件的工藝性及標準化第四十五頁，共四十九頁。標準化標準化：就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標準。標準化的益處：標準化有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕設計工作量，便于零部件的互換和組織專業(yè)化的大生產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本。產(chǎn)品標準化本身包括系列