機械零件設計概述

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1、第九章第九章 機械零件設計概論機械零件設計概論概論概論螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接軸轂聯(lián)接軸轂聯(lián)接帶傳動帶傳動齒輪傳動齒輪傳動蝸桿傳動蝸桿傳動鏈傳動鏈傳動軸軸滑動軸承滑動軸承滾動軸承滾動軸承聯(lián)軸器和離合器聯(lián)軸器和離合器本章教學內(nèi)容和基本要求1. 了解機械零件設計的基本要求；2. 理解機械零件的體積強度和表面強度；3. 了解機械零件常用材料及其選擇；4. 了解機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性及機械零部件的標準化、系列化和通用化。機械零件設計概論機械零件設計的基本要求及步驟機械零件的強度機械零件的接觸強度機械零件的耐磨性機械零件常用材料及其選擇公差與配合、表面粗糙度機械零件的工藝性及標準化機械零件設計的基本要求及步驟機械

2、零件設計的基本要求及步驟機械零件設計的基本要求機械零件的失效機械零件的設計步驟機械零件設計的基本要求 機械設計應滿足的要求是：機械設計應滿足的要求是：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、造型美觀等。概括的說，所設計的機械零件必須滿足以下幾點：工作可靠；成本低廉；維修簡單；造型美觀機械零件的失效失效失效 機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。工作能力工作能力 在不發(fā)生失效的情況下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為承載能力。失效形式失效形式工作能力計算準則工作能力計算準則失效形式 機械零

3、件有許多種失效形式，但歸納起來最主要的有以下幾種形式。強度強度失效：零件發(fā)生斷裂或塑性變形；剛度剛度失效：零件發(fā)生過大的彈性變形；耐磨性耐磨性失效：零件的工作表面產(chǎn)生過度磨損或損傷；穩(wěn)定性穩(wěn)定性失效：零件發(fā)生強烈的振動；溫度溫度失效：零件過熱。工作能力計算準則 對于各種不同的失效形式，相應地有各種工作能力判定條件。判定條件可概括為計算量許用量。 這種為防止失效而制定的判定條件，通常稱為。對于不同的失效形式，有以下幾種計算準則（判定條件）：工作能力計算準則強度失效 應力應力許用應力許用應力， 、 、S S; 剛度失效 變形量變形量許用變形量，許用變形量，y y、 、 ;耐磨性失效 壓強壓強 許用

4、壓強，許用壓強， ;穩(wěn)定性失效 計算量計算量 許用量，許用量，p1.15 ; 溫度失效 溫升溫升 許用溫升許用溫升或或滿足熱平衡計算準則，滿足熱平衡計算準則，T T或H1H2;機械零件的設計步驟 設計機械零件時，常根據(jù)一個或幾個可能發(fā)生的主要失效形式，運用相應的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。一般設計步驟如下：1.擬定零件的計算簡圖2.確定作用在零件上的載荷3.選擇合適的材料4.根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。應當注意：零件尺寸的計算值要根據(jù)工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。5.繪制加工圖并標注必要的技術條件。機械零件的設計步驟 以上所述為設計計算設計計

5、算。在實際工作中，也常采用相反的方式校核計算校核計算。這時先參照實物（或圖紙）和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬定零件結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再用相關的判定條件進行驗算。機械零件的強度機械零件的強度名義載荷名義載荷 理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。計算載荷計算載荷 在機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常引入載荷系數(shù)K的辦法來估計這些因素的影響。載荷系數(shù)與名義載荷的乘積，稱為計算載荷。名義應力名義應力 按照名義載荷用力學公式求得的應力。計算應力計算應力 按照計算載荷求得的應力。機械零件的強度機械零件的強度機械零件的強度是指其抵抗體積斷裂、塑性變形和表面損壞這類失效的能力，分為體積強度和表面強度，分別包括靜

6、強度和疲勞強度。體積強度：是指拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等涉及零件整個體積的強度。表面強度：是指擠壓、接觸等涉及零件表面層的強度。機械零件的強度機械零件的強度 機械零件按照強度條件判定時，常用的方式是比較危險截面處的計算應力（ 、 ）是否小于零件材料的許用應力（ 、）。 即 為安全系數(shù)。和極限剪應力；分別為零件極限正應力、式中，而，而SSSeeeelimlimlimlim機械零件的強度機械零件的強度1. 應力的種類2. 靜應力下的許用應力3. 變應力下的許用應力4. 安全系數(shù)應力的種類按照隨時間變化情況，可分為靜應力和變應力。靜應力：不隨時間變化的應力稱為靜應力，純粹的靜應力是沒有的，但如變

7、化緩慢，就可以看作是靜應力（如圖a)。變應力：隨時間變化的應力稱為變應力。具有周期性的變應力稱為循環(huán)變應力，如圖b為一般的非對稱性循環(huán)變應力，圖中T為應力循環(huán)周期。應力的種類maxminminmaxminmax22ram循環(huán)特性應力幅值平均應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力：當時1,minmaxr且0,minmaxma（如圖c)脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力：時、當000minmaxr)(2maxdma如圖且靜應力可看作是變應力的特例，靜應力可看作是變應力的特例，。循環(huán)特性其1,minmaxr靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。對于塑性材料，可按不發(fā)生塑性變形的條件

8、進行計算。這時應取材料的屈服極限作為零件的極限應力，故許用應力為：s Ss對于用脆性材料制成的零件，應取強度極限作為極限應力，其許用應力為：B SB變應力下的許用應力變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：1)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；2)不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷裂均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3)疲勞斷裂是損傷的積累，它的初始現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，直至余下的未斷開的截面積不足以承受外載荷時，零件就突然斷裂。在零件的斷口上可清晰的看到這種情況。變應力下的許用

9、應力疲勞曲線疲勞曲線疲勞曲線：表示應力與循環(huán)應力次數(shù)N之間的關系曲線稱為疲勞曲線。如圖所示，可以看出，應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。變應力下的許用應力疲勞極限疲勞曲線的左半部（NN0)，可近似地用下列方程式表示：循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)材料的疲勞極限材料的疲勞極限CNNmmN011式中，-1N為對應循環(huán)次數(shù)N的疲勞極限；m為隨材料和應力狀態(tài)而不同的冪指數(shù)，例如彎曲時m=9?？汕蟮脤谘h(huán)次數(shù)N的彎曲疲勞極限為：1011NmNkNN。時，取壽命系數(shù)，當式中：10NNkNNk變應力下的許用應力許用應力變應力下，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸、表面狀態(tài)等

10、影響，為此引入有效應力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)等。當應力是對稱循環(huán)變化時，許用應力為：Sk11當應力是脈動循環(huán)變化時，許用應力為：Sk00式中，S為安全系數(shù)；0為材料的脈動循環(huán)疲勞極限；k 、 、數(shù)值可在材料力學或相關設計手冊中查得。注：注：以上為“無限壽命”下零件的許用應力。若零件在整個使用期限內(nèi)，其循環(huán)次數(shù)N -1，故采用-1N可得到較大許用應力，從而減小零件的尺寸和重量。(1)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。如果安全系數(shù)定得過大將會使結(jié)構(gòu)笨重；如果過小，則不夠安全。在各個不同的機械制造部門，通過長期的生產(chǎn)試件，都制定有合適本部門的安全系數(shù)（或許用應力）的表格。

11、這類表格雖然適用面較窄，但具有簡單、具體、可靠等優(yōu)點。本課程主要采用查表法查表法選取安全系數(shù)（或許用應力）。當沒有專門的表格時，可參考下述原則選擇：安全系數(shù)1)靜應力下，塑性材料以屈服極限為極限應力。由于塑性材料可以緩和過大的局部應力，故安全系數(shù)S=1.21.5，對于塑性較差的材料或鑄鋼可取S=1.52.5。2)靜應力下，脆性材料以強度極限為極限應力，這時應取較大的安全系數(shù)。例如，對于高強度或鑄鐵件可取S=34。3)變應力下，以疲勞極限作為極限應力S=1.31.7，若材料不夠均勻、計算不夠精確時，可取S=1.72.5。載荷及應力計算的準確性安全系數(shù)亦可以用部分系數(shù)法來確定，即用幾個系數(shù)的連乘積

12、來表示總的安全系數(shù)：S=S1 . S2 . S3材料力學性能的均勻性零件的重要性機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度零件受載時是在較大體積內(nèi)產(chǎn)生應力，這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為整體強度（體積強度）若兩零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，通常該面積甚小但表層產(chǎn)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力接觸應力，這時零件強度稱為接觸強度接觸強度（是表面強度的一種）。機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度疲勞點蝕疲勞點蝕機械零件的接觸應力通常是隨時間做周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20m處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展終于使表層金屬成小片狀剝落下來，

13、而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點蝕疲勞點蝕。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，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，因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度接觸應力接觸應力由彈性力學的分析可知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時（如圖示)，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值為：222121211111EEbFnHEEE12111112121及令外接觸外接觸內(nèi)接觸內(nèi)接觸對于鋼或鑄鐵取泊松比1= 2= =0.3，則上式可簡化為：bEFbEFnnH

14、418. 01212赫茲公式機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度接觸應力接觸應力外接觸外接觸內(nèi)接觸內(nèi)接觸bEFbEFnnH418. 01212式中：力；最大接觸應力或赫茲應H接觸長度；b用于內(nèi)接觸正號用于外接觸，負號綜合曲率半徑，,122121彈性模量分別為兩圓柱體材料的綜合彈性模量，212121,2EEEEEEEE。作用在圓柱體上的載荷nF機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度接觸疲勞強度的判定條件接觸疲勞強度的判定條件HHHHSlim試驗測得的材料的接觸疲勞極限安全系數(shù)1對于鋼，經(jīng)驗公式為：MPaHBSH7076. 2lim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。機械零件的耐磨

15、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)象稱為磨損磨損，磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態(tài)。 零件抗磨損的能力稱為耐磨性耐磨性。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免的。但只要磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能夠保持一定壽命。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。 出現(xiàn)劇烈磨損時，運動副的間隙將增大，能使機械的精度喪失、效率下降，使振動、沖擊和噪聲增大。這時應該立即停車檢修，更換失效的零件。機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性磨損現(xiàn)象是相當復雜的，有物理、化學和機械等方面原因。下面對機械中磨損的主要類型做一簡要介紹：1. 磨粒

16、磨損2. 粘著磨損（膠合）3. 疲勞磨損（點蝕）4. 腐蝕磨損磨粒磨損 硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔系耐狗澹谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆粒可能是零件本身磨損造成的金屬微粒，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。粘著磨損 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，接觸處的壓強很高，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)象稱為粘著磨損粘著磨損（膠合）。 所謂材料轉(zhuǎn)移是指接觸表面擦傷和撕脫，嚴重時摩擦表面能相互咬死。疲勞磨損 在滾動或兼有滑動和滾動高副中如凸輪、齒輪

17、、軸承等，受載時材料表面會有很大的接觸應力，當載荷重復循環(huán)作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損疲勞磨損或點蝕點蝕。腐蝕磨損及工作能力計算準則 在摩擦過程中，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損腐蝕磨損。 實用耐磨計算是限制運動副的壓強，即pp 式中p是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。機械零件常用材料及其選擇機械零件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，在機械制造中也具有獨特的使用價值。金屬材料：鑄鐵、鋼、銅合金非金屬材料：橡膠、塑料材料選擇原則金屬材料鑄鐵 鑄鐵和鋼都是鐵、

18、碳合金，它們的區(qū)別在于含碳量的不同。含碳量小于2%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2%的則稱為鑄鐵。 鑄鐵具有適當?shù)囊兹坌浴⒘己玫囊簯B(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。此外，鑄鐵還具有減震性、耐磨性、較好的切削性和低廉的成本，因此在機械制造中應用廣泛。 常用的鑄鐵有：灰鑄鐵灰鑄鐵、球墨鑄鐵球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等，其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。金屬材料鋼 與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性，可用于熱處理方法改善其力學性能和加工性能。按照用途，鋼可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼；按照化學成分，鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼（0.7%）：含碳量0.25%、0

19、.1-0.2%、0.3-0.5%、0.55-0.7%。合金鋼合金鋼：鎳提高強度而不降低韌性；鉻能提高硬度、高溫強度、耐腐蝕性和耐磨性（高碳鋼）；錳、鉬提高耐磨性、強度和韌性；釩提高韌性、強度；硅提高彈性極限和耐磨性，但會降低韌性。鑄鋼鑄鋼：鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差，在普通砂型鑄造時，壁厚常不小于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的過渡部分均應比鑄鐵件稍大。金屬材料銅合金 銅合金有青銅和黃銅之分，此外還有軸承合金。 黃銅是銅和鋅的合金，并含有少量的錳、鋁、鎳等，具有很好的塑性和流動性，可進行輾壓和鍛造； 青銅可分含錫青銅和不含錫的青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好，

20、也可輾壓和鍛造； 軸承合金主要用于制作滑動軸承的軸承襯。非金屬材料1.橡膠橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用于作聯(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 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同的塑料具有不同的特點，如耐腐蝕型、絕熱型、絕緣型、減摩型等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結(jié)而成的塑料稱為結(jié)合塑料，可用來制作儀表支架、手柄等受力不大的零件。材料選擇原則設計機械零件時，選擇合適的材料是一項非常復雜的技術經(jīng)濟問題。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機

21、械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行綜合考慮。要求設計人員在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經(jīng)驗。具體選擇要求：使用要求、工藝要求、經(jīng)濟要求。公差與配合、表面粗糙度公差與配合、表面粗糙度v公差與配合v表面粗糙度v優(yōu)先數(shù)系公差與配合 機器是由零件裝配而成的。大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互互換性換性。 為了實現(xiàn)零件的互換性，必須保證零件的尺寸尺寸、幾何形幾何形狀狀和相對位置相對位置以及表面粗糙度表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它可以介于兩個允許的極限尺寸極限尺寸之間，這兩個極限尺寸之差稱之為公差公差?；Q性的含義：機器或儀器中同一規(guī)格的一批零件或部件任取其中一件不需要任何挑選或輔助互換性的含義：機器或

22、儀器中同一規(guī)格的一批零件或部件任取其中一件不需要任何挑選或輔助加工加工(如鉗工修理如鉗工修理)就能進行裝配并能保證滿足機器或儀器的使用性能要求的一種特性就能進行裝配并能保證滿足機器或儀器的使用性能要求的一種特性 互換性應同時具備兩個條件即不需挑選不經(jīng)修理就能進行裝配；裝配以后能滿足使用要互換性應同時具備兩個條件即不需挑選不經(jīng)修理就能進行裝配；裝配以后能滿足使用要求。求。公差與配合現(xiàn)以孔與軸為例，簡要介紹相配圓柱表面的公差與配合。如下現(xiàn)以孔與軸為例，簡要介紹相配圓柱表面的公差與配合。如下圖所示，設計給定的尺寸為基本尺寸。零線代表基本尺寸的位置。圖所示，設計給定的尺寸為基本尺寸。零線代表基本尺寸的

23、位置。由代表上下兩邊長的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶公差帶。同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合稱為配合配合。根據(jù)公差帶的相對位置，配合分為間隙間隙配合配合(如如a)、過渡配合過渡配合(如如b)和過盈配合過盈配合(如如c)三大類。(a)(b)(c)公差與配合國家標準規(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。配合制度有基孔制基孔制和基軸基軸制制兩種。基孔制的孔是基準孔，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帶來實現(xiàn)的（如下圖示）?；S制的軸是基準軸，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帶

24、來實現(xiàn)的。表面粗糙度yp-輪廓峰高yv-輪廓峰高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)之一是輪廓算術平均偏差，它是指在取樣長度內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術平均值，即：lladxylR01niiaynR11近似為優(yōu)先數(shù)系優(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，以降低生產(chǎn)制造成本和便于組織生產(chǎn)。 四種基本系列：R5（公比為1.6）、R10(公比為1.25)、R20 (公比為1.12) 、R40 (公比為1.06) 。 R10系列數(shù)值：1、1.25、1.6、2、

25、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10。機械零件的工藝性及標準化機械零件的工藝性及標準化工藝性標準化機械零件的工藝性機械零件的工藝性在具體生產(chǎn)條件下，使所設計的機械零件便于加工而且加工費用很低，則這樣的零件就稱為有良好的工藝性有良好的工藝性。有關工藝性的基本要求是：1. 毛坯選擇合理毛坯選擇合理：機械制造中毛坯制備方法包括直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓、焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技術條件有關，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。2. 結(jié)構(gòu)簡單合理：結(jié)構(gòu)簡單合理：所設計零件的結(jié)構(gòu)形狀最好采用最簡單的表面（如平面、圓柱面、螺旋面）及其組合，同時還應當盡量使加工表面的數(shù)目最少和加工面積最小。3. 規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙纫?guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙葯C械零件的機械零件的標準化標準化標準化是指以制定標準和貫徹標準為主要內(nèi)容的全部活動過程。產(chǎn)品標準化本身包括三個方面的含義：產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化零部件的通用化零部件的通用化產(chǎn)品質(zhì)量的標準化產(chǎn)品質(zhì)量的標準化對產(chǎn)品實行標準化具有重大的意義意義：在制造上可以實行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量又能降低成本；在設計方面可以減少設計工作量；在管理維修方面可以減少庫存量和便于更換損壞的零件。習題P.129 題題9-7、題、題9-11p.130 題題9-15