9.1重点内容提要 9.1.1教学基本要求 本章简明扼要地介绍了机械零件设计计算中遇到的共性问题,涉及到机械设计中的许用常用概念和基 础知识。 1.了解机械零件设计的基本要求和设计步骤。 2.掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则,能正确地进行强度计算。 3.了解接触强度及其设计准则。 4.了解机械零件磨损的主要类型、耐磨性设计准则。 5.掌握机械制造常用材料及其选择原则 6.掌握零件尺寸公差与配合、表面相糙度的概念和应用,了解优先数系及优先数。 7.了解机械零件工艺性的基本要求及标准化的概念。 9.1.2机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是:在满足预期功能的前提下,性能好、效率高、成本低,在预定使用期限内 安全可靠,操作方便、维修简单和造型美观。概括地说是:工作可靠、成本低廉。 机械零件的设计步骤: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主要失效形式,选用相应的设计计算准则,确定零件的形状和主要尺寸;⑤绘制工 作图并标注必要的技术条件。 机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。零件的失效形式很多:因强度不够发生断裂或塑 性变形;因刚度不够而产生过大的弹性变形:因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤;或 因长细比(也称柔度)过大稳定性不足而发生失稳;:也还可能因失去振动稳定性而发生强烈的振动(或共 振)、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响 等几个方面的问题。 当然,因当明确的是,同一零件在不同的条件下会发生不同的失效形式。这就要求它们具有足够的强 度和刚度、良好的耐磨性、耐热性和振动稳定性。对于不同的失效形式,相应地有各种工作能力判定条件 但概括起来均可表示为:计算量≤许用量。这种为防止失效而制定的判定条件,称为工作能力计算准则。 9.1.3机械零件的强度 1.载荷 名义载荷:在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。名义载荷是利用工程力学公式 求得的载荷。 计算载荷:考虑各种附加载荷、比较接近实际的载荷。是载荷系数(或工作情况系数)与名义载荷的乘 积。 2.应力 名义应力:用材料力学公式按名义载荷求得的应力。 计算应力:用材料力学公式按计算载荷求得的应力。 机械设计中强度计算用计算应力。但是在复杂的应力状态下工作的零件,应根据材料力学中所述的强 度理论确定其强度条件。 按时间和应力之间的关系又可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力称为静应力:随时间变化的
9.1 重点内容提要 9.1.1 教学基本要求 本章简明扼要地介绍了机械零件设计计算中遇到的共性问题,涉及到机械设计中的许用常用概念和基 础知识。 1. 了解机械零件设计的基本要求和设计步骤。 2.掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则,能正确地进行强度计算。 3.了解接触强度及其设计准则。 4.了解机械零件磨损的主要类型、耐磨性设计准则。 5.掌握机械制造常用材料及其选择原则。 6.掌握零件尺寸公差与配合、表面粗糙度的概念和应用,了解优先数系及优先数。 7.了解机械零件工艺性的基本要求及标准化的概念。 9.1.2 机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是:在满足预期功能的前提下,性能好、效率高、成本低,在预定使用期限内 安全可靠,操作方便、维修简单和造型美观。概括地说是:工作可靠、成本低廉。 机械零件的设计步骤: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主要失效形式,选用相应的设计计算准则,确定零件的形状和主要尺寸;⑤绘制工 作图并标注必要的技术条件。 机械零件由于某种原因不能正常工作时,称为失效。零件的失效形式很多:因强度不够发生断裂或塑 性变形;因刚度不够而产生过大的弹性变形;因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤;或 因长细比(也称柔度)过大稳定性不足而发生失稳;也还可能因失去振动稳定性而发生强烈的振动(或共 振)、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响 等几个方面的问题。 当然,因当明确的是,同一零件在不同的条件下会发生不同的失效形式。这就要求它们具有足够的强 度和刚度、良好的耐磨性、耐热性和振动稳定性。对于不同的失效形式,相应地有各种工作能力判定条件 但概括起来均可表示为:计算量≤许用量。这种为防止失效而制定的判定条件,称为工作能力计算准则。 9.1.3 机械零件的强度 1.载荷 名义载荷: 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。名义载荷是利用工程力学公式 求得的载荷。 计算载荷: 考虑各种附加载荷、比较接近实际的载荷。是载荷系数(或工作情况系数)与名义载荷的乘 积。 2.应力 名义应力:用材料力学公式按名义载荷求得的应力。 计算应力:用材料力学公式按计算载荷求得的应力。 机械设计中强度计算用计算应力。但是在复杂的应力状态下工作的零件,应根据材料力学中所述的强 度理论确定其强度条件。 按时间和应力之间的关系又可分为静应力和变应力。不随时间变化的应力称为静应力;随时间变化的
应力称为变应力:具有周期性的变应力称为循环变应力。表征变应力的特征参数有:最大应力·“、最 小应力0恤.平均应力.=oa+oa)/2、应力幅。=(ca-0a)2和应力循环特性"=0恤fom。 对称循环变应力的循环特性Y=一1,特点是:·=一c“。 脉动循环变应力的循环特性?=0,特点是:·“=0, 静应力可看作是特殊的变应力,”=1,特点是:c=c“=c-。 3.机械零件的强度条件 强度是指机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度,后者称为表面接 触强度。 机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力·不大于零件材料的许用应力[问]: a<[ (9-1) (1)静应力下,对于塑性材料制成的零件,主要损坏形式为塑性变形,按不发生塑性变形条件进行强度 计算,其极限应力口为零件材料的屈服极限·:,许用应力: 号号 (9-2) S:安全系数。零件发生塑变后,会影响零件的正常工作,但不会引起重大事故,所以安全系数 取值可小些,一般取=1.25:对于望性较差或铸钢取=1,~2,5,或按相关安全系数表格选取。 (2)静应力下,对于脆性材料制成的零件,主要损坏形式为断裂,按不发生断裂条件进行强度计算,极 限应力“为零件材料的强度极限口▣,许用应力: 号号 (9-3) S:安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故,故安全系数取值较大,一般取 S=3~4,或按相关的安全系数表格选取。 (3)变应力下,无论是塑性材料还是脆性材料,主要损坏形式都是疲劳断裂,其极限应力·为疲劳极 限。并号引入有效应力集中系数。、尺寸系数“。、表面状态系数8,以分别考虑截面突变、绝对尺寸 和表面状态等对极限应力的影响。 对称循环变应力(Y=-)的疲劳极限用:1表示;脉动循环变应力(?=0)的疲劳极限用~表 示无限寿命下零件的许用应力分别为: []= .8c-4 kS (9-4) [a]=5oRa k. (9-5) 循环N次的有限寿命下,疲劳极限应力用FW、“v表示,其许用应力分别为:
应力称为变应力;具有周期性的变应力称为循环变应力。表征变应力的特征参数有:最大应力 、最 小应力 、平均应力 、应力幅 和应力循环特性 。 对称循环变应力的循环特性 ,特点是: 。 脉动循环变应力的循环特性 ,特点是: 。 静应力可看作是特殊的变应力, ,特点是: 。 3.机械零件的强度条件 强度是指机械零件在整体或表面上的应力不得超过允许的限度。前者称为整体强度,后者称为表面接 触强度。 机械零件整体强度条件为零件危险截面的计算应力 不大于零件材料的许用应力 : (9-1) ( 1)静应力下,对于塑性材料制成的零件,主要损坏形式为塑性变形,按不发生塑性变形条件进行强度 计算,其极限应力 为零件材料的屈服极限 ,许用应力: (9-2) :安全系数。零件发生塑变后,会影响零件的正常工作,但不会引起重大事故,所以安全系数 取值可小些,一般取 ;对于塑性较差或铸钢取 ,或按相关安全系数表格选取 。 ( 2)静应力下,对于脆性材料制成的零件,主要损坏形式为断裂,按不发生断裂条件进行强度计算,极 限应力 为零件材料的强度极限 ,许用应力: (9-3) :安全系数。零件的断裂可能引起重大的损失甚至人生事故,故安全系数取值较大,一般取 ,或按相关的安全系数表格选取。 ( 3)变应力下,无论是塑性材料还是脆性材料,主要损坏形式都是疲劳断裂,其极限应力 为疲劳极 限。并引入有效应力集中系数 、尺寸系数 、表面状态系数 ,以分别考虑截面突变、绝对尺寸 和表面状态等对极限应力的影响。 对称循环变应力( )的疲劳极限用 表示;脉动循环变应力( )的疲劳极限用 表 示.无限寿命下零件的许用应力分别为: (9-4) (9-5) 循环 次的有限寿命下,疲劳极限应力用 、 表示,其许用应力分别为:
la]-aMa-w kaS (9-6) [a]=5aBw k.S (9-7) S:安全系数。可取8=1.32.5,或按相关安全系数表格选取。 疲劳断裂的特征:①疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低;②疲 劳裂口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂;③疲劳断裂是损伤的积累。 疲劳断裂是微裂纹扩展到一定程度后,发生的突然断裂,与循环次数N(也称为寿命)密切相关。 图9.1表示在对称循环(”=一1)变应力下,其循环次数W与断裂的循环应力·,之间的关系曲线,称 为疲劳曲线。 有限寿命L无限寿命 N 图9.1 对应于循环基数的应力称为材料的疲劳极限·1;对应于任意循环次数 (N,)的应力称为有限寿 N. -1w=6-1 命为N的疲劳极限c-…。它们之间有如下关系: N (9-8) 9.1.4机械零件的接触强度 若两零件在受载前是点接触或线接触,受载后,由于变形其接触处为一小面积,产生较大的局部应 力,这种应力称为接触应力。机械零件的接触应力通常是变应力,经多次循环,在零件表层形成疲劳点蚀 失效。滚动轴承和齿轮等零件常因接触疲劳点蚀而失效。接触应力·“按弹性力学的赫兹公式计算: 本-+1- 8,(9-9) 对于钢或铁可简化为: 0a=0.418, (9-10) 接触强度条件: cg≤[a](9-11) 许用应力:
(9-6) (9-7) :安全系数。可取 ,或按相关安全系数表格选取。 疲劳断裂的特征:①疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低;②疲 劳裂口表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂;③疲劳断裂是损伤的积累。 疲劳断裂是微裂纹扩展到一定程度后,发生的突然断裂,与循环次数 (也称为寿命)密切相关。 图 9.1表示在对称循环( )变应力下,其循环次数 与断裂的循环应力 之间的关系曲线,称 为疲劳曲线。 图 9.1 对应于循环基数 的应力称为材料的疲劳极限 ;对应于任意循环次数 的应力称为有限寿 命为 的疲劳极限 。它们之间有如下关系: (9-8) 9.1.4 机械零件的接触强度 若两零件在受载前是点接触或线接触,受载后,由于变形其接触处为一小面积,产生较大的局部应 力,这种应力称为接触应力。机械零件的接触应力通常是变应力,经多次循环,在零件表层形成疲劳点蚀 失效。滚动轴承和齿轮等零件常因接触疲劳点蚀而失效。接触应力 按弹性力学的赫兹公式计算: (9-9) 对于钢或铁可简化为: (9-10) 接触强度条件: (9-11) 许用应力:
toul=u SH(9-12) 相接触两零件的接触应力大小是相同有,但由于两零件的材料及热处理工艺不同,其许用接触应力一 般不相同。 9.1.5机械零件的耐磨性 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损的主要类型有:①磨粒 磨损:在摩擦过程中,外界硬质颗粒或摩擦表面的凸峰起摩擦表面材料脱落的现象;②粘着磨损(胶 合):由于摩擦表面不平,在相对滑动和一定载荷作用下,接触点处发生塑性流动,甚至引发摩擦表面局 部软化或熔化,导致接触区粘着、摩擦表面擦伤或撕脱现象。③疲劳磨损(点蚀):在滚动或兼有滑动和 滚动的摩擦表面,在受到重复接触应力下,在零件表面形成的小坑现象;④腐蚀磨损:在摩擦过程中,与 周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。 耐磨性条件:限制摩擦表面的压强,相对速度较高时,还应限制单位时间单位接触面积的发热量。 pp] (9-15) m≤[wJ] (9-14) 9.1.6机械制造常用材料及其选择 机械设计中零件常用材料有黑色金属、有色金属和非金属,其中以黑色金属的铸铁、钢和有色金属中 的铜合金最为常用。 1.铸铁:含碳量大于2%的铁碳合金。最常用的铸铁是灰铸铁(如HT150、HT200、HT250等)和球 墨铸铁(QT400-15、QT500-7等)。铸铁的液态流动性好,可铸成复杂的零件,但性脆,不易辗压和 锻造。铸铁的减振性、耐磨性、切削性能良好,且成本低廉。 2.钢:含碳量小于2%的铁碳合合金。钢具有较高的韧性和塑性,可用锻造、冲压、焊接或铸造、切削 等方法制造各种零件,其零件的强度高,并可通过热处理方法改善其机械力学性能和加工性能。 按照用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。 机械零件常用的钢有碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。 碳素结构钢:含碳量小于0.25%的钢称为低碳钢:含碳量在0.3%~0.5%的钢称为中碳钢;含碳量在 0.55%~0.7%的钢称为高碳钢。低碳钢的强度低、塑性好,具有良好的可焊性,且通过渗碳淬火可提高 零件表面硬度:中碳钢具有较好的综合机械性能,强度较高,又有一定的塑性的韧性。高碳钢且有很高的 强度和弹性。碳素结构钢又分为普通碳素结构钢如(Q235、Q275等)和优质碳素结构钢(如35,45 等)· 合金结构钢:加入一些合金元素的钢称为合金钢。具有优良的综合机械性能,用来制造重要的机械零件。 常用的合金钢有35SiMn、40Cr、65Mn等。 铸钢:铸钢的可铸性好,但比铸铁的流动性差,主要用于制造大型机械零件,常用的铸钢有ZG270- 500、ZG42SiMn等。 3.铜合金:主要有青铜(含锡青铜和不含锡青铜)和黄铜。青铜的流动性、减磨性和抗腐蚀性较好,可 用于辗压、铸造。 4.非金属材料:主要有橡胶、塑料等。 机械设计中,选择零件材料的原则是:满足使用要求和工艺要求的前提下,经济最优
(9-12) 相接触两零件的接触应力大小是相同有,但由于两零件的材料及热处理工艺不同,其许用接触应力一 般不相同。 9.1.5 机械零件的耐磨性 摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。磨损的主要类型有:①磨粒 磨损:在摩擦过程中,外界硬质颗粒或摩擦表面的凸峰引起摩擦表面材料脱落的现象;②粘着磨损(胶 合):由于摩擦表面不平,在相对滑动和一定载荷作用下,接触点处发生塑性流动,甚至引发摩擦表面局 部软化或熔化,导致接触区粘着、摩擦表面擦伤或撕脱现象。③疲劳磨损(点蚀):在滚动或兼有滑动和 滚动的摩擦表面,在受到重复接触应力下,在零件表面形成的小坑现象;④腐蚀磨损:在摩擦过程中,与 周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。 耐磨性条件:限制摩擦表面的压强,相对速度较高时,还应限制单位时间单位接触面积的发热量。 (9-15) (9-14) 9.1.6 机械制造常用材料及其选择 机械设计中零件常用材料有黑色金属、有色金属和非金属,其中以黑色金属的铸铁、钢和有色金属中 的铜合金最为常用。 1.铸铁:含碳量大于2%的铁碳合金。最常用的铸铁是灰铸铁(如HT150、HT200、HT250等)和球 墨铸铁(QT400-15、QT500-7等)。铸铁的液态流动性好,可铸成复杂的零件,但性脆,不易辗压和 锻造。铸铁的减振性、耐磨性、切削性能良好,且成本低廉。 2.钢:含碳量小于2%的铁碳合合金。钢具有较高的韧性和塑性,可用锻造、冲压、焊接或铸造、切削 等方法制造各种零件,其零件的强度高,并可通过热处理方法改善其机械力学性能和加工性能。 按照用途可分为结构钢、工具钢和特种钢。 机械零件常用的钢有碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。 碳素结构钢:含碳量小于 0.25%的钢称为低碳钢;含碳量在0.3%~0.5%的钢称为中碳钢;含碳量在 0.55%~0.7%的钢称为高碳钢。低碳钢的强度低、塑性好,具有良好的可焊性,且通过渗碳淬火可提高 零件表面硬度;中碳钢具有较好的综合机械性能,强度较高,又有一定的塑性的韧性。高碳钢且有很高的 强度和弹性。碳素结构钢又分为普通碳素结构钢如(Q235、Q275等)和优质碳素结构钢(如35,45 等). 合金结构钢:加入一些合金元素的钢称为合金钢。具有优良的综合机械性能,用来制造重要的机械零件。 常用的合金钢有 35SiMn、40Cr、65Mn等。 铸钢:铸钢的可铸性好,但比铸铁的流动性差,主要用于制造大型机械零件,常用的铸钢有ZG270- 500、ZG42SiMn等。 3.铜合金:主要有青铜(含锡青铜和不含锡青铜)和黄铜。青铜的流动性、减磨性和抗腐蚀性较好,可 用于辗压、铸造。 4.非金属材料:主要有橡胶、塑料等。 机械设计中,选择零件材料的原则是:满足使用要求和工艺要求的前提下,经济最优
9.1.7公差与配合、表面粗糙度和优先数系 1.尺寸公差与配合 零件的尺寸不可能做得绝对精确,但必须介于两个允许的极限尺寸之间,这两个极限尺寸之差称为公 差。一般用零线表示基本尺寸的位置,由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。国标规 定,孔与轴的公差带位置各有28个,用字母表示;公差等级20个,用数字表示。如H7表示孔的公差带 为H,公差等级为7:k8表示轴的公差带为k,公差等级为8。机械制造中常用的公差等级为4~11级。精 密零件的尺寸公差等级用4、5,重要零件的公差等级用6、7,中等精度零件用8、9,低精度零件用 10、11. 同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据孔和轴的公差带相对位置,配合分为三大类:间隙配合 (孔大轴小)、过渡配合(可能是间隙、可能是过盈)、过盈配合(孔小轴大)。配合制度有基孔制和基 轴制两种。基子孔制是指孔是基准孔,下偏差为零,靠改变轴的公差带实现不同配合特性。基轴制是指轴是 基准轴,上偏差为零,靠改变孔的公差带实现不同配合特性。工程中主要采用基孔制,但特殊情况下必须 采用基轴制,如轴承座孔与滚动轴承的配合。 2.表面粗糙度 表面粗糙度是指零件微观凹凸不平度。任何加工方法都会在零件表面留下刀痕,使表面凹凸不平,具 有一定的粗糙度。评定粗糙度的参数之一是轮廓算术平均偏差值尺。偏差值凡越小,表示凹凸不平度越 小,零件表面越光洁。常用的R值为0.8~12.5。 3.优先数系 优洗数系是用来使量值如直径、转速等得到合理的分级。国标规定的优洗数系有四种基本系列:必 系列(公比1.6)、R10系列(公比12.5)R20(公比1.12)R40(公比1.06),系列中的任何一个 数值均称为优先数。 9.1.8机械零件的工艺性及标准化 1.机械零件的工艺性 机械零件便于加工且加工成本低,就称此零件具有良好的工艺性。在零件设计阶段就必须注意零件的 工艺性。有关工艺性的基本要求有:①毛坯选择合理;②结构简单合理:③恰 当的精度和表面粗糙度。 2.标准化 标准化的含义:品种规格的系列化、零部件通用化、质量标准化。 标准化的意义:在制造上可以实行专业化大批量生产,既可提高产品质量又可降低成本;在设计方面可降 低设计成本;在管理维修方面可减少存量和便于更换损坏的零件。 具体标准有国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准
9.1.7 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 1.尺寸公差与配合 零件的尺寸不可能做得绝对精确,但必须介于两个允许的极限尺寸之间,这两个极限尺寸之差称为公 差。一般用零线表示基本尺寸的位置,由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。国标规 定,孔与轴的公差带位置各有 28个,用字母表示;公差等级20个,用数字表示。如H7表示孔的公差带 为H,公差等级为7;k8表示轴的公差带为k,公差等级为8。机械制造中常用的公差等级为4~11级。精 密零件的尺寸公差等级用4、5,重要零件的公差等级用6、7,中等精度零件用8、9,低精度零件用 10、11。 同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据孔和轴的公差带相对位置,配合分为三大类:间隙配合 (孔大轴小)、过渡配合(可能是间隙、可能是过盈)、过盈配合(孔小轴大)。配合制度有基孔制和基 轴制两种。基孔制是指孔是基准孔,下偏差为零,靠改变轴的公差带实现不同配合特性。基轴制是指轴是 基准轴,上偏差为零,靠改变孔的公差带实现不同配合特性。工程中主要采用基孔制,但特殊情况下必须 采用基轴制,如轴承座孔与滚动轴承的配合。 2.表面粗糙度 表面粗糙度是指零件微观凹凸不平度。任何加工方法都会在零件表面留下刀痕,使表面凹凸不平,具 有一定的粗糙度。评定粗糙度的参数之一是轮廓算术平均偏差值 。偏差值 越小,表示凹凸不平度越 小,零件表面越光洁。常用的 值为0.8~12.5 。 3.优先数系 优先数系是用来使量值如直径、转速等得到合理的分级。国标规定的优先数系有四种基本系列: 系列(公比1.6)、 系列(公比12.5) (公比1.12) (公比1.06) 。系列中的任何一个 数值均称为优先数。 9.1.8 机械零件的工艺性及标准化 1.机械零件的工艺性 机械零件便于加工且加工成本低,就称此零件具有良好的工艺性。在零件设计阶段就必须注意零件的 工艺性。有关工艺性的基本要求有:①毛坯选择合理;②结构简单合理;③恰 当的精度和表面粗糙度。 2.标准化 标准化的含义:品种规格的系列化、零部件通用化、质量标准化。 标准化的意义:在制造上可以实行专业化大批量生产,既可提高产品质量又可降低成本;在设计方面可降 低设计成本;在管理维修方面可减少存量和便于更换损坏的零件。 具体标准有国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准