第9章机械零件设计概论 基本内容:机械零件设计概述;机械零件的强度:机械零件的接触强度:机械零件的耐磨 性:机械制造常用材料及其选择;公差与配合、表面粗糙度:;机械零件的工艺 性和标准化。 基本要求:理解机械零件设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则、材料选择的 般要求;了解机械零件的结构工艺性、公差与配合及其标准的意义 重点:机械零件设计应满足的要求和一般步骤、机械零件的工作能力和计算准则。 学时:授课时数:2学时 第一讲 §9-1机械零件设计概述 基本概念 1、机械零件的失效一一机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象 2、机械零件的失效形式: 断裂或塑性变形 B、过大的弹性变形 C、磨损 D、强烈的振动 E、其他—一联接的松弛;摩擦传动的打滑等。 3、机械零件的工作能力一一在不发生失效的条件下,零件所能安全工作的限度 对载荷而言一—称为承载能力 对磨损而言—一称耐磨性 、机械零件设计应满足的基本要求 机械零件的设计既要工作可靠,又要成本低廉 三、机械零件设计的计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式,但归纳起来最主要的是强度、刚度、耐磨性、 稳定性和温度的影响等几个方面的问题
- 1 - 第 9 章 机械零件设计概论 基本内容：机械零件设计概述；机械零件的强度；机械零件的接触强度；机械零件的耐磨 性；机械制造常用材料及其选择；公差与配合、表面粗糙度；机械零件的工艺 性和标准化。 基本要求：理解机械零件设计的基本要求、机械零件的工作能力和计算准则、材料选择的 一般要求；了解机械零件的结构工艺性、公差与配合及其标准的意义。 重 点：机械零件设计应满足的要求和一般步骤、机械零件的工作能力和计算准则。 学 时：授课时数：2 学时 第一讲 §9-1 机械零件设计概述 一、基本概念 1、 机械零件的失效——机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象。 2、 机械零件的失效形式： A、 断裂或塑性变形 B、 过大的弹性变形 C、 磨损 D、 强烈的振动 E、 其他——联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 3、 机械零件的工作能力——在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。 对载荷而言——称为承载能力； 对磨损而言——称耐磨性。 二、机械零件设计应满足的基本要求 机械零件的设计既要工作可靠，又要成本低廉。 三、机械零件设计的计算准则 机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的是强度、刚度、耐磨性、 稳定性和温度的影响等几个方面的问题
当强度为主要问题时,按强度条件判定,即工作应力≤许用应力; 一一当刚度为主要问题时,按刚度条件判定,即变形量≤许用变形量:等 判定条件可概括为:计算量≤许用量 四、机械零件设计的一般步骤 机械零件的设计常按下列步骤进行: 1)拟定零件的计算简图 2)确定作用在零件上的载荷 3)选择合适的材料 4)根据零件可能出现的失效形式,选用相应的判定条件 5)确定零件的形状和主要尺寸 6)绘制工作图并标注必要的技术条件。 §9-2机械零件的强度(整体) 、计算准则 零件的强度判定条件中,常用的方式是比较危险截面处的计算应力是否小于零件材料 的许用应力。 σ≤[}o] r≤[}[ 二、载荷的种类 静载荷 变载荷(周期性、非周期性、冲击) 一一名义教荷:在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 计算教荷:载荷系数K与名义载荷的乘积 K是考虑零件受到的各种附加载荷的作用、载荷大小随时间的不均匀性、分布 的不均匀性等因素的影响
- 2 - ——当强度为主要问题时，按强度条件判定，即工作应力≤许用应力； ——当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量；等。 判定条件可概括为：计算量≤许用量。 四、机械零件设计的一般步骤 机械零件的设计常按下列步骤进行： 1） 拟定零件的计算简图 2） 确定作用在零件上的载荷 3） 选择合适的材料 4） 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件 5） 确定零件的形状和主要尺寸 6） 绘制工作图并标注必要的技术条件。 §9-2 机械零件的强度（整体） 一、计算准则 零件的强度判定条件中，常用的方式是比较危险截面处的计算应力是否小于零件材料 的许用应力。 S S lim lim = = ， ， 二、载荷的种类 ——静载荷 ——变载荷（周期性、非周期性、冲击） ——名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 ——计算载荷：载荷系数 K 与名义载荷的乘积 K 是考虑零件受到的各种附加载荷的作用、载荷大小随时间的不均匀性、分布 的不均匀性等因素的影响
在机械零件的设计计算中,用计算载荷作为作用在零件上的实际载荷进行计算的。 三、应力的种类 一静应力 名义应力 变应力:周期性、非周期性 计算应力 静应力 非对称循环变应力 对称循环变应力 脉动循 环变应力 变应力的参数:σmax、0mmn、σa、σm、r、T 各参数之间的关系: σnx+a1 2 G nHx 四、工作应力的计算 对于在简单应力状态下工作的零件,可根据F/A、M/W、T/Wn,进行计算: 对于在复杂应力状态下工作的零件,则应根据材料力学中所述的强度理论进行计算 五、静应力下的许用应力 许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。 材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的
- 3 - 在机械零件的设计计算中，用计算载荷作为作用在零件上的实际载荷进行计算的。 三、应力的种类 ——静应力 ——名义应力 ——变应力：周期性、非周期性 ——计算应力 静应力 非对称循环变应力 对称循环变应力 脉动循 环变应力 变应力的参数：σmax、σmin、σa、σm、r、T 各参数之间的关系： 四、工作应力的计算 对于在简单应力状态下工作的零件，可根据 F／A、M／W、T／Wn，进行计算； 对于在复杂应力状态下工作的零件，则应根据材料力学中所述的强度理论进行计算。 五、静应力下的许用应力 许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。 材料的极限应力一般都是在简单应力状态下用实验方法测出的
△静应力下,零件的损坏形式:断裂或塑性变形 一一对于塑性材料:按不发生塑性变形的条件进行计算。其许用应力为 S 对于脆性材料:应取强度极限的作为极限应力,其许用应力为 —一对于组织均匀的脆性材料,如淬火后低温回火的高强度钢,还应考虑应力集中 的影响 灰铸铁虽属脆性材料,但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在,其内部组织的不均匀性 已远大于外部应力集中的影响,故计算时不考虑应力集中。 表9-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。 六、变应力下的许用应力 △变应力下,零件的损坏形式是疲劳断裂。与静应力下零件的断裂不同。 一一疲劳断裂具有以下特征 1)疲劳断裂的最大应力低于屈服极限 什的枝背区 2)无明显塑性变形的脆性突然断裂 前沿线 3)断口上明显地有两个区域:光滑区、粗糙区 粗糙的断裂区 4)疲劳断裂是损伤的积累的结果
- 4 - △静应力下，零件的损坏形式：断裂或塑性变形。 ——对于塑性材料：按不发生塑性变形的条件进行计算。其许用应力为 ——对于脆性材料：应取强度极限的作为极限应力，其许用应力为 ——对于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢，还应考虑应力集中 的影响。 灰铸铁虽属脆性材料，但由于本身有夹渣、气孔及石墨存在，其内部组织的不均匀性 已远大于外部应力集中的影响，故计算时不考虑应力集中。 表 9－1 列举了一些常用钢铁材料的极限应力。 六、变应力下的许用应力 △变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与静应力下零件的断裂不同。 ——疲劳断裂具有以下特征： 1） 疲劳断裂的最大应力低于屈服极限； 2） 无明显塑性变形的脆性突然断裂； 3） 断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区 4） 疲劳断裂是损伤的积累的结果
由于疲劳断裂裂纹扩展到一定程度后才发生的突然断裂,所以疲劳断裂与应力循环次 数(使用期限或寿命)密切相关。因而许用应力就不能根据屈服极限或强度极限来确定。 1.疲劳曲线 在循环特性r下的变应力,经过N次循环后,材料 不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σrN或τrN 如图所示为表示应力σ与应力循环次数N之间的关系曲线 (0一N或,τ一N曲线)由实验方法得出 从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知,当循环次数N超过某一数值No以后,曲线 趋向水平,即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂。 疲劳曲线可以分成两个区域:NNo为无限寿命区。 No—一称为循环基数,对应于No时的极限应力称为材料的疲劳极限,通常用σr表 △在有限寿命区:103(104)<N≤No范围内 疲劳曲线方程式一一根据初等幂函数 ONN= ONo=c INo=C 当r=1时 NN=σ-n1N=C 式中m—随材料和应力状态而不同的幂指数,例如弯曲时m=9 0rN一对应于循环次数N的疲劳极限 从上式可求得对应于循环次数N的弯曲疲劳极限 2.许用应力
- 5 - 由于疲劳断裂裂纹扩展到一定程度后才发生的突然断裂，所以疲劳断裂与应力循环次 数（使用期限或寿命）密切相关。因而许用应力就不能根据屈服极限或强度极限来确定。 1．疲劳曲线 在循环特性 r 下的变应力，经过 N 次循环后，材料 不发生破坏的应力最大值称为疲劳极限σrN 或τrN。 如图所示为表示应力σ与应力循环次数 N 之间的关系曲线 （σ一 N 或，τ一 N 曲线）由实验方法得出。 从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数 N 超过某一数值 No 以后，曲线 趋向水平，即可以认为在“无限次”循环时试件将不会断裂。 疲劳曲线可以分成两个区域：N＜No 为有限寿命区；N＞No 为无限寿命区。 No——称为循环基数，对应于 No 时的极限应力称为材料的疲劳极限，通常用σr 表 示。 △在有限寿命区： 103 （104）＜N≤No 范围内 疲劳曲线方程式——根据初等幂函数 当 r=-1 时 式中 m——随材料和应力状态而不同的幂指数，例如弯曲时 m=9。 σr N——对应于循环次数 N 的疲劳极限 从上式可求得对应于循环次数 N 的弯曲疲劳极限 2．许用应力
▲影响机械零件疲劳强度的因素: (1)应力集中一一用有效应力集中系数Ko、Kτ表示 (2)绝对尺寸一一用尺寸系数a和Er来表示。 (3)表面状态—一用表面状态系数Ba和Br来表示。 ▲许用应力 变应力下,应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑应力集中、绝对尺寸和 表面状态等影响 —当应力是对称循环变化时,许用应力为0-1] Eafo-l k 当应力是脉动循环变化时,许用应力为 G k 式中:S为安全系数。 七、安全系数 安全系数定得合理与否对零件的工作能力贺尺寸有很大影响。 一般可参考下述原则选择(或查有关机械设计手册 1)静应力下,塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部 应力,故可取安全系数S=1.2~1.5:对于塑性较差的材料或铸钢件可取S=1.5 2)静应力下,脆性材料以强度极限为极限应力,这时应取较大的安全系数。例如, 对于高强度钢或铸铁件可取S=3~4 3)变应力下,以疲劳极限作为极限应力,可取S=1.3~1.7:若材料不够均匀、计 算不够精确时可取S=1.7~2.5 一一安全系数也可用部分系数法来确定,即用几个系数的连乘积来表示总的安全系
- 6 - ▲影响机械零件疲劳强度的因素： （1）应力集中——用有效应力集中系数 Kσ、Kτ表示 （2）绝对尺寸——用尺寸系数εα和ετ来表示。 （3）表面状态——用表面状态系数βα和βτ来表示。 ▲许用应力 变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑应力集中、绝对尺寸和 表面状态等影响。 ——当应力是对称循环变化时，许用应力为 ——当应力是脉动循环变化时，许用应力为 式中：S 为安全系数。 七、安全系数 安全系数定得合理与否对零件的工作能力贺尺寸有很大影响。 一般可参考下述原则选择（或查有关机械设计手册）： 1） 静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部 应力，故可取安全系数 S=1．2～1．5；对于塑性较差的材料或铸钢件可取 S=1．5～ 2．5。 2） 静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如， 对于高强度钢或铸铁件可取 S=3～4。 3） 变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取 S=1．3～1．7；若材料不够均匀、计 算不够精确时可取 S=1．7～2．5。 ——安全系数也可用部分系数法来确定，即用几个系数的连乘积来表示总的安全系 数：
式中S1——考虑载荷及应力计算的准确性 S2—考虑材料的力学性能的均匀性 S3——考虑零件的重要性。关于各项系数的具体数值可参阅有关书刊。 §93机械零件的接触强度(表面强度) 依靠表面接触工作的零件,如齿轮传动、滚动轴承、摩擦离合器等,它们的工作能力 不仅与整体强度有关,还与接触表面的强度有关。 初始疲劳裂纹断裂 剥落的金属 一失效形式:接触疲劳磨损(疲劳点蚀) Q 发生原因: 扩展的裂纹 后果:零件的工作表面受到破坏 降低了降低了工作能力,并引起振动和噪声。 一接触应力的计算(H. Hertz公式) 由弹性力学,当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时,其接触面积为一狭长矩形, 最大接触应力发生在接触区中线上,其值为 πb p2 图98两圆柱体的接触应力 1±1=及E+E,=2龙,对于钢或铸铁取泊松比p=p2==03, q=2x(1-5·bD=0418√bp 式中;σH一最大接触应力或赫兹应力; b——接触长度 Fn一一作用在圆柱体上的载荷 p1p2 P2土p1
- 7 - S=S1·S2·S3 式中 S1——考虑载荷及应力计算的准确性； S2——考虑材料的力学性能的均匀性； S3——考虑零件的重要性。关于各项系数的具体数值可参阅有关书刊。 §9-3 机械零件的接触强度（表面强度） 依靠表面接触工作的零件，如齿轮传动、滚动轴承、摩擦离合器等，它们的工作能力 不仅与整体强度有关，还与接触表面的强度有关。 ——失效形式：接触疲劳磨损（疲劳点蚀） 发生原因： 后果：零件的工作表面受到破坏 降低了降低了工作能力，并引起振动和噪声。 ——接触应力的计算（H．Hertz 公式） 由弹性力学，当两个轴线平行的圆柱体相互接触并受压时，其接触面积为一狭长矩形， 最大接触应力发生在接触区中线上，其值为 式中；σH——最大接触应力或赫兹应力； b ——接触长度； Fn ——作用在圆柱体上的载荷；
一一综合曲率半径, E= 2EE2 E—一综合弹性模量 e+E El、E2—一分别为两圆柱体材料的弹性模量 一一接触疲劳强度的判定条件为 ≤[oH],而[o] 式中:σⅢim-一为由实验测得的材料的接触疲劳极限,对于钢,其经验公式为 CHlm =2.76HBS-70 MPa SH—许用安全系数,由于接触应力是局部性的应力,且应力的增长与载荷Fn并不成 直线关系,而要缓慢得多,故安全系数SH可取等于或稍大于1。 §9-4机被零件的耐磨性 零件抗磨损的能力称为耐磨性 实用耐磨计算 1、限制运动副的压强p 式中[p—一是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强 2、限制运动副单位时间单位接触面积的发热量pv。在摩擦系数一定的情况下, pv≤[pv 第二讲 §95机械制造常用材料及其选择 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁,其次是有色金属合金和非金属材料。 一、金属材料 1.铸铁 铸铁和钢都是铁碳合金,它们的区别主要在于含碳量的不同 含碳量小于2%的铁碳合金称为钢,含碳量大于2%的称为铸铁。 常用的铸铁有
- 8 - P ——综合曲率半径， E——综合弹性模量， E1、E2——分别为两圆柱体材料的弹性模量。 ——接触疲劳强度的判定条件为 式中：σHlim——为由实验测得的材料的接触疲劳极限，对于钢，其经验公式为 SH——许用安全系数，由于接触应力是局部性的应力，且应力的增长与载荷 Fn 并不成 直线关系，而要缓慢得多，故安全系数 SH 可取等于或稍大于 1。 §9-4 机械零件的耐磨性 ——零件抗磨损的能力称为耐磨性。 实用耐磨计算： 1、限制运动副的压强 p p≤[p] 式中 [p]——是由实验或同类机器使用经验确定的许用压强。 2、限制运动副单位时间单位接触面积的发热量 pv。在摩擦系数一定的情况下， pv≤[pv] 第二讲 §9-5 机械制造常用材料及其选择 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金和非金属材料。 一、金属材料 1．铸铁 铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。 含碳量小于 2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于 2％的称为铸铁。 常用的铸铁有：
灰铸铁一—HT100、HT150、H1200、HT350等 球墨铸铁——QT400-18、QT450-10 可锻铸铁——KTH300-06、KTH350-10 合金铸铁一—CuCr-Mo等 与铸铁相比,钢具有高的强度、韧性和塑性,并可用热处理方法改善其力学性能和 加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得,因此其应用极为广 碳素结构钢——Q215、Q235等 优质碳素钢一一低碳钢10、15、20、25等 中碳钢30、40、45等 高碳钢55、60、65等 合金钢一一钢中添加合金元素,改善钢的性能。 l8 CrMnMo、20Cr、20CrMn、20 CrMnti、38 SiMnMo、40Cr等 铸钢 般工程用铸钢ZG200-400、ZG310-570 合金铸钢ZG40Mn、ZG35siMn 3.铜合金 铜合金有青铜与黄铜之分。 此外,还有轴承合金(或称巴氏合金)主要用于制作滑动轴承的轴承衬。 、非金属材料 1.橡胶 2.塑料等 三、材料的选择 设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济 因素等进行综合考虑
- 9 - 灰铸铁——HT100、HT150、HT200、HT350 等 球墨铸铁——QT400-18、QT450-10 可锻铸铁——KTH300-06、KTH350-10 合金铸铁——Cu-Cr-Mo 等。 2．钢 与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和 加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广 泛。 碳素结构钢—— Q215、Q235 等 优质碳素钢——低碳钢 10、15、20、25 等 中碳钢 30、40、45 等 高碳钢 55、60、65 等 合金钢——钢中添加合金元素，改善钢的性能。 18CrMnMo、20Cr、20CrMn、20CrMnTi、38SiMnMo、40Cr 等 铸钢 ——一般工程用铸钢 ZG200－400、ZG310－570 合金铸钢 ZG40Mn、ZG35SiMn 3．铜合金 铜合金有青铜与黄铜之分。 此外，还有轴承合金（或称巴氏合金） 主要用于制作滑动轴承的轴承衬。 二、非金属材料 1．橡胶 2．塑料等 三、材料的选择： 设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济 因素等进行综合考虑
§96公差与配合、表面粗糙度和优先数系 、公差与配合 ▲公差——零件的几何参数值在允许范围内的变动量 ▲公差带图 由零线和公差带组成的表示尺寸关系的图。 ▲标准公差一一国标规定的、用以确定公差带大小的任一公差 共有20个公差等级:IT01、IT0、IT1、IT18 ▲基本偏差—一国标规定的、用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差。 国家标准对孔和轴分别规定了28种基本偏差并以一定字母表示。如图所示 其中H、h为零偏差 陆让电 ▲轴与孔公差带的表示方法 轴h7、f6孔H7、N6 ▲配合—一基本尺寸相同的、相互结合的孔与轴公差带之间的关系。 当孔与轴公差带相对位置不同时,将有松紧不同的配合性质,即有大小不同的 间隙或过盈
- 10 - §9-6 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 一、公差与配合 ▲公差——零件的几何参数值在允许范围内的变动量 ▲公差带图 由零线和公差带组成的表示尺寸关系的图。 ▲标准公差——国标规定的、用以确定公差带大小的任一公差。 共有 20 个公差等级：IT01、IT0、IT1、……IT18 ▲基本偏差——国标规定的、用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差。 国家标准对孔和轴分别规定了 28 种基本偏差并以一定字母表示。如图所示 其中 H、h 为零偏差 ▲轴与孔公差带的表示方法 轴 h7、f6 孔 H7、N6 ▲配 合——基本尺寸相同的、相互结合的孔与轴公差带之间的关系。 当孔与轴公差带相对位置不同时，将有松紧不同的配合性质，即有大小不同的 间隙或过盈