第9章機械零件設計概論

1、第第9章章 機械零件設計概論機械零件設計概論91 機械零件設計概論機械零件設計概論92 機械零件的強度機械零件的強度93 機械零件的接觸強度機械零件的接觸強度94 機械零件的耐磨性機械零件的耐磨性95 機械制造常用材料及其選擇機械制造常用材料及其選擇96 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數系公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數系97 機械零件的工藝性及標準化機械零件的工藝性及標準化91 機械零件設計概論機械零件設計概論機械設計應滿足的要求：機械設計應滿足的要求：在滿足預期功能的前提下，在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本性能好、效率高、成本低低，在預定使用期限內，在預定使用期限內安全可靠，操作方

2、便、維修安全可靠，操作方便、維修簡單簡單和和造型美觀造型美觀等。等。機械零件的失效：機械零件的失效： 機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。失效。工作能力工作能力-在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：又稱為：承載能力。承載能力。零件的失效形式零件的失效形式: 斷裂或塑性變形斷裂或塑性變形; 過大的彈性變形過大的彈性變形; 工作表面的過度磨損或損傷工作表面的過度磨損或損傷; 發(fā)生強烈的振動；聯接發(fā)生強烈的振動；聯接的松

3、弛的松弛; 摩擦傳動的打滑等。摩擦傳動的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為對于各種不同的失效形式，也各有相應的工作能力判定條件強度條件：強度條件：計算應力計算應力許用應力；許用應力；機械零件設計的步驟：機械零件設計的步驟： 1)擬定零件的計算簡圖擬定零件的計算簡圖; 5) 繪制工作圖并標注必要的技術條件。繪制工作圖并標注必要的技術條件。 防止失效的判定條件是：防止失效的判定條件是： 計算量計算量許用量許用量 -工作能力計算準則。工作能力計算準則。2) 確定作用在零件上的載荷確定作用在零件上的載荷; 3) 選擇合適的材料選擇合適的

4、材料; 4) 根據零件可能出現的失效形式，選用相應的判定根據零件可能出現的失效形式，選用相應的判定 條件，確定零件的形狀條件，確定零件的形狀 ; 注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數值，設計者還要根據制造零件的工藝要求和標誰、規(guī)格加以圓整 失效原因失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等 原因。原因。剛度條件：剛度條件：變形量變形量N0以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。應力應力與應力循環(huán)次數與應力循環(huán)次數N N 之間之間的關系曲線稱為：的關系曲線稱為：疲勞曲線疲勞曲線當當NNNN0 0 時時, ,試件將不會斷裂。試件

5、將不會斷裂。N N0 0 -循環(huán)基數循環(huán)基數N N0 0 對應的應力稱為：對應的應力稱為：CNNmmN011當當NNN2%-含碳量含碳量 2%鐵碳合金鐵碳合金特點：特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。廉。應用：應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原則：選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、

6、韌性和塑性。與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性。可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用：應用范圍極其廣泛。應用范圍極其廣泛。表表9-2 9-2 常用材料的相對價格常用材料的相對價格材材 料料 種種 類類 規(guī)規(guī) 格格 相對價格相對價格熱軋圓剛熱軋圓剛 碳素結構鋼碳素結構鋼Q235 （ 3342） 1鑄鑄 件件優(yōu)質碳素鋼優(yōu)質碳素鋼 （ 2950） 1.51.8 合金結構鋼（合金結構鋼（ 2950） 1.72.5 滾動軸承鋼（滾動軸承鋼（ 2950） 3 合

7、金工具鋼（合金工具鋼（ 2950） 320 4Cr9Si2耐熱鋼（耐熱鋼（ 2950） 5 灰鑄鐵鑄件灰鑄鐵鑄件 0.85 碳素鋼鑄件碳素鋼鑄件 1.7 銅合金、鋁合金鑄件銅合金、鋁合金鑄件 810 價格便宜且供應充分 我國資源豐富 3.3.銅合金銅合金- -銅鋅合金，并含有少量的銅鋅合金，并含有少量的錳、錳、鋁鋁、鎳鎳特點：特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應用：應用：應用范圍廣泛。應用范圍廣泛。種類種類青銅青銅黃銅黃銅軸承合金（

8、巴氏合金）軸承合金（巴氏合金）- -含錫青銅、不含錫青銅含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料二、非金屬材料1. 1. 橡膠橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 2. 2. 塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，所以近年來在

9、性、絕緣性、減摩性、摩擦系數大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。機械制造中其應用日益廣泛。 3.3.其它非金屬材料：其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素選材因素：設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經濟問題設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。 用途、用途、工作條件工作條件、物理物理、化學化學、機械工藝性能機械工藝性能、經濟經濟性。性。零件材料零件材料各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。和機械設計手冊

10、中查得。為了材料供應和生產管理上的方便，應盡量縮減材料為了材料供應和生產管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。的品種。表表9-1 9-1 常用鋼鐵材料的牌號及力學性能常用鋼鐵材料的牌號及力學性能材材 料料 力力 學學 性性 能能 試件尺寸試件尺寸類類 別別 牌牌 號號 強度極限強度極限B B 屈服極限屈服極限S S 延伸率延伸率% mm% mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素結構鋼結構鋼Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 優(yōu)質碳素優(yōu)質碳素結構鋼結構鋼35 530 315 20 d 25 45 600

11、 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金結構鋼結構鋼 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 鑄鑄 鋼鋼ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰鑄鐵灰鑄鐵HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨鑄鐵球墨鑄鐵QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3

12、 壁厚壁厚3020096 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數一、一、 公差與配合公差與配合互換性：互換性：零件在裝配時，不需要選擇和附加加工的就零件在裝配時，不需要選擇和附加加工的就 能滿足預期技術與使用要求的特性。能滿足預期技術與使用要求的特性?；境叽纾夯境叽纾河稍O計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。由設計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。實際尺寸：實際尺寸：制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量 有誤差，所以實際尺寸并非真值。相對于有誤差，所以實際尺寸并非真值。相對于 基本尺寸而言，總是有誤差。基本尺寸而言，總是有誤差?；?/p>

13、大或小基本尺寸基本尺寸軸軸2525實際尺寸實際尺寸25.125.1軸軸24.924.9軸軸實際尺寸實際尺寸實際尺寸實際尺寸基本尺寸基本尺寸實際尺寸實際尺寸24.924.9孔孔25.125.1孔孔2525孔孔軸軸L LL Lmaxmax軸軸L Lminmin軸軸L Lminmin孔孔LL孔孔最小極限尺寸：最小極限尺寸：零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；最大極限尺寸：最大極限尺寸：零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；尺寸誤差尺寸誤差 ：實際尺寸與理論設計尺寸之差；實際尺寸與理論設計尺寸之差；上偏差上偏差 ：最大極限尺寸與基本尺寸之差

14、；符號：最大極限尺寸與基本尺寸之差；符號：ES,esES,es下偏差下偏差 ：最小極限尺寸與基本尺寸之差；符號：最小極限尺寸與基本尺寸之差；符號：EI,eiEI,eiesesESESeieiEIEI尺寸公差：尺寸公差：最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；即最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；即 允許的尺寸變動量。允許的尺寸變動量。ES-EIES-EIes-eies-ei公差公差= =L Lmaxmax- - L LmaxmaxL Lmaxmax孔孔=ES-EI=ES-EI =es-ei=es-ei零線：零線：代表基本尺寸所在位置的一條直線；代表基本尺寸所在位置的一條直線；公差帶：公差帶：由代表上、下偏

15、差的兩條直線所限定的區(qū)域；由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域；軸軸L LL Lmaxmax軸軸L Lminmin軸軸零線零線+ +0 0- -零線零線L LESESEIEI孔公差帶孔公差帶eseseiei軸公差帶軸公差帶國標規(guī)定：孔與軸各有國標規(guī)定：孔與軸各有2828個，分別用如下符號表示：個，分別用如下符號表示：孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCU V W X Y Z ZA ZB ZC軸：軸：a b c cd

16、 d e ef f fg g h js k m n p r s t a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zcu v w x y z za zb zc基本偏差：基本偏差：標準表列的，用于確定公差帶相對于零線標準表列的，用于確定公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差，一般為靠近零線的那個偏差。位置的上偏差或下偏差，一般為靠近零線的那個偏差。BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔孔+ +0 0- -基本尺寸基本尺寸bccddeefaffgg hkmnp rs tuvxyzzazbzcjs

17、軸軸+ +0 0- -基本尺寸基本尺寸孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCZA ZB ZC軸：軸：a b c cd d e ef f fg g h a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z js k m n p r s t u v w x y z za zb zcza zb zc基本偏差系列基本偏差系列呈正態(tài)分布配合：配合：基本

18、尺寸相同，相互結合的孔與軸公差帶之間基本尺寸相同，相互結合的孔與軸公差帶之間 的關系；的關系；間隙或過盈：間隙或過盈：孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數差；孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數差；間隙：間隙：代數差為代數差為“+”+”， 孔孔 軸軸; ; 過盈：過盈：代數差為代數差為“-”-”， 孔孔 軸，用于可動聯接，如活動鉸鏈；軸，用于可動聯接，如活動鉸鏈； 孔孔 軸，用于靜聯接，如火車輪與軸。軸，用于靜聯接，如火車輪與軸。 可能有間隙，也可能具有過盈。用于可能有間隙，也可能具有過盈。用于要求具有良好的同軸性而又便于拆裝要求具有良好的同軸性而又便于拆裝的靜聯接，如齒輪與軸；的靜聯接，如齒輪與

19、軸；最大間隙最大間隙: : X Xmaxmax = = 孔孔maxmax- -軸軸minmin最小間隙最小間隙: : X Xminmin = = 孔孔minmin- -軸軸max max 最大過盈最大過盈: : Y Ymaxmax = = 孔孔minmin- -軸軸max max 最小過盈：最小過盈： Y Yminmin = = 孔孔maxmax- -軸軸min min 間隙間隙配合配合孔公差帶孔公差帶軸公差帶軸公差帶孔公差帶孔公差帶軸公差帶軸公差帶孔公差帶孔公差帶軸公差帶軸公差帶孔公差帶孔公差帶軸公差帶軸公差帶過盈過盈配合配合過渡配合過渡配合孔公差帶孔公差帶軸公差帶軸公差帶孔公差帶孔公差帶軸

20、公差帶軸公差帶孔公差帶孔公差帶Y YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxY YmaxmaxX XminminX XmaxmaxX Xminmin= 0= 0Y Yminmin= 0= 0軸公差帶軸公差帶X XmaxmaxY Yminmin零線零線DH孔公差孔公差kjshgefrpms間隙配合間隙配合過渡配合過渡配合過盈配合過盈配合配合配合基準制基準制基孔制配合：基孔制配合：孔是基準孔，下偏差孔是基準孔，下偏差EI=0EI=0， 代號為代號為:H :H ， 通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性。通過改變軸的

21、公差帶來或得各種不同的配合特性?；字婆浜匣字婆浜匣S制配合基軸制配合應用廣泛應用廣泛 ，可減少孔加工刀具，可減少孔加工刀具 零線零線hD軸軸公差公差KJSHGEFRPMS間隙配合間隙配合過渡配合過渡配合過盈配合過盈配合基軸制配合：基軸制配合：軸是基準軸，上偏差軸是基準軸，上偏差eses=0=0， 代號為代號為:h :h ， 通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性。通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性。基孔制常用與優(yōu)先配合的選用基孔制常用與優(yōu)先配合的選用基軸制常用與優(yōu)先配合的選用基軸制常用與優(yōu)先配合的選用二、二、 表面粗糙度表面粗糙度輪廓峰谷線輪廓峰谷線輪廓峰頂線輪廓峰頂線輪廓峰高

22、輪廓峰高yp輪廓谷深輪廓谷深yv中線中線lyx定義：定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度表面粗糙度特征：特征：加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕。加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕。評定參數：評定參數：輪廓算術平均偏差輪廓算術平均偏差-取樣長度取樣長度l l內，被測內，被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術平均值：輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術平均值：dxylRla01niiaynR11近似為：0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表表9-3 用不同加工

23、方法得到的用不同加工方法得到的Ra 加工方法加工方法表面粗糙度表面粗糙度 Ra m精精 粗粗刨削刨削鉆孔鉆孔鉸孔鉸孔精精 粗粗鏜孔鏜孔精精 粗粗車車精精 粗粗磨磨精精 粗粗研磨研磨滾、銑滾、銑精精 粗粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。愈小，零件的加工成本愈高。表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：1. 對摩擦磨損的影響對摩擦磨損的影響摩擦系數摩擦系數Ra零件表面愈粗糙，摩擦系數愈大。但光滑到一定程度時，潤滑油被擠出，產生親和力反而使摩擦系數增大。2. 對疲勞強度的影響對疲勞強度的影響零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產生應力集

24、中，使疲勞強度降低。易產生應力集中，使疲勞強度降低。3. 對耐腐蝕的影響對耐腐蝕的影響4. 對結合處密封性能的影響對結合處密封性能的影響5. 對振動和噪聲的影響等等對振動和噪聲的影響等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產生腐蝕滲透。零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產生腐蝕滲透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振動和噪聲愈大。如滾動軸承。零件表面愈粗糙，振動和噪聲愈大。如滾動軸承。三、三、 優(yōu)先數系優(yōu)先數系優(yōu)先數系是國際上統(tǒng)一的數值分級制度，是一種無量綱優(yōu)先數系是國際上統(tǒng)一的數值分級制度，是一種無量綱的分級系數，適用于各種量值的分級。在確定產品的參的分

25、級系數，適用于各種量值的分級。在確定產品的參數或參數系列時，應該最大限度采用。數或參數系列時，應該最大限度采用。產品的主要參數如：型號、直徑、轉速、承載量和功率產品的主要參數如：型號、直徑、轉速、承載量和功率等按優(yōu)先數系形成系列，便于組織生產和降低成本，以等按優(yōu)先數系形成系列，便于組織生產和降低成本，以實現產品的標準化和系列化。實現產品的標準化和系列化。優(yōu)先數系是一個以公比為：優(yōu)先數系是一個以公比為：qr= 10 的十進等比級數，的十進等比級數，rGB321-80規(guī)定了四個優(yōu)先數系的基本系列：規(guī)定了四個優(yōu)先數系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25

26、10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40優(yōu)先數系的基本系列優(yōu)先數系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.

27、50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 優(yōu)先數優(yōu)先數-表中任意一個數值。表中任意一個數值。 大于大于10的優(yōu)先數，可將表數值分別乘以的優(yōu)先數，可將表數值分別乘以10、100、1000 。 97 機械零件的工藝性及標準化機械零件的工藝性及標準化一、一、工藝性工藝性零件設零件設計要求計要求使用要求

28、使用要求-具備所要求的工作能力；具備所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工藝可行，成本低；制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標志：零件工藝性良好的標志：在具體的生產條件下，零件要便于加工而加工費用又在具體的生產條件下，零件要便于加工而加工費用又很低。很低。工藝性的基本要求：工藝性的基本要求：1) 毛坯選擇合理毛坯選擇合理制備方法：制備方法：選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。選用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型

29、材或焊件。大批量生產時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。大批量生產時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2) 結構簡單合理結構簡單合理最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；盡量減少加工面數和加工面積；盡量減少加工面數和加工面積；3) 合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應在滿足使用要求的前提下，決不能盲目追求高精度，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質量。盡量采用較低的精度和表面質量。盡量采用標準件；盡量采用標準件；增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數等）的數量；螺紋、鍵、齒輪模數等）的數量；4) 盡量減小零件的加工量盡量減小零件的加工量毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料