9機械零件設計概論

1、Foundation of Machine Design 第九章 機械零件設計概論1第九章 機械零件設計概論91 機械零件設計概述95 機械制造常用材料及其選擇93 機械零件的接觸強度97 機械零件的工藝性和標準化94 機械零件的耐磨性92 機械零件的強度 96 公差與配合及表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系291 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。機械零件的失效： 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：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

2、上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。3曲軸整體斷裂實況4斷口放大5斷口對6強度準則：計算應力許用應力；防止失效的判定條件是： 計算量許用量-工作能力計算準則。失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、 溫度等原因。剛度準則：變形量許用變形量；7機械零件設計的步驟： 1) 擬定零件的計算簡圖; 5) 繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件。 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，選用相應的判定 條件，確定零件的形狀 ; 注意，零件尺寸的計算值一般并

3、不是 最終值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標誰、規(guī)格加以圓整 。 先參照實物(或圖紙)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再用有關的判定條件進行驗算。校核計算:8載荷系數(shù)（K）-考慮各種附加載荷因素的影響。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。92 機械零件的強度 計算載荷-載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計算應力-按計算載荷計算所得之應力：名義應力-按名義載荷計算所得之應力。強度判定條件：、 、-許用應力，S-安全系數(shù)lim、lim -極限應力，由實驗方法測定。一、載荷和應力Fc=K Fn9應力的種類：靜應力和變應力ot =常數(shù) max脈動循環(huán)變應力r =0m靜應力:

4、=常數(shù)變應力: 隨時間變化平均應力:應力幅:Tmaxminaam循環(huán)變應力ot變應力的循環(huán)特性:maxminaa對稱循環(huán)變應力r =-1ot-脈動循環(huán)變應力-對稱循環(huán)變應力 -1= 0 +1-靜應力otaaminr =+1靜應力是變應力的特例10二、靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料，取屈服極限S 作為極限應力,許用應力為：脆性材料：取強度極限B 作為極限應力,許用應力為：11螺栓聯(lián)接滑移被聯(lián)接件斷裂被聯(lián)件相對滑移被聯(lián)件拉斷12軋鋼機壓下螺旋絲杠斷牙宏觀絲杠斷牙部位絲杠斷牙局部放大13輪齒塑性變形14整體塑性變形15表9-1 常用鋼鐵材料的牌號及力學性能材

5、料 力 學 性 能 試件尺寸類 別 牌 號 強度極限B 屈服極限S 延伸率% mmQ215 335-410 215 31 碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金結(jié)構(gòu)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 鋼ZG310-570 570 3

6、10 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰鑄鐵HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨鑄鐵QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚3020016三、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。疲勞斷裂具有以下特征： 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; 疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。17內(nèi)部缺陷引起疲勞斷軸：初始裂紋起源于軸內(nèi)部，裂紋由

7、內(nèi)至外擴展裂紋源區(qū)擴展區(qū)瞬斷區(qū)裂紋擴展方向18它的初期現(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，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。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。所以疲勞斷裂是與應力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關的斷裂。 裂紋源區(qū)疲勞擴展區(qū)最終瞬斷區(qū)曲軸疲勞斷裂斷口特征191、疲勞曲線NO-1N0-1NN由圖可知：應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當NN0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。應力與應力循環(huán)次數(shù)N 之間的關系曲線稱為：疲勞曲線當

8、N N0 時,試件將不會斷裂。N0 -循環(huán)次數(shù)N0 對應的應力稱為：根據(jù)材料力學可知：對應于N 的彎曲疲勞極限：疲勞極限用-1表示材料在對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限。202、影響機械零件疲勞強度的主要因素在變應力下，影響機械零件疲勞強度的因素很多，有應力集中、零件尺寸、表面狀況、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等。(1)應力集中系數(shù) k。材料、尺寸和受載情況都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。k= -1 / (-1)k21鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區(qū)最終瞬斷區(qū)22(2)絕對尺寸影響。直徑為d的試樣的疲勞極限與直徑為d0=610mm的試樣的疲勞極限的

9、比值。(3)表面狀態(tài)影響。試樣在某種表面狀態(tài)下的疲勞極限與精拋光試樣(未經(jīng)過強化處理)的疲勞極限的比值。= (-1)d / (-1)d0= (-1) / (-1)0233、許用應力在變應力下，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時考慮零件的切口和溝槽等截面的突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影響，引入應力集中系數(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： 當應力是脈動循環(huán)變化時，許用應力為： 0 為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可從機械設計手冊中查得。有限壽命時，用-1N代入得：24四、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1）靜應力下，塑性材料的

10、零件：S =1.2.5 鑄鋼件：S =1.5S典型機械的 S 可通過查表求得。 無表可查時，按以下原則取： 零件尺寸大，結(jié)構(gòu)笨重。S 可能不安全。2）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵： S =343）變應力下， S =1.31.7材料不均勻，或計算不準時?。?S =1.72.525例. 一車軸如圖所示，已知Fr =F =110kN，軸的材料為Q275鋼，B =550MPa，-1=240MPa，規(guī)定的安全系數(shù)Smin=1.5。試校核A-A截面的疲勞強度。26解：1. 車軸轉(zhuǎn)動時，載荷F的大小和方向不變，因此，軸內(nèi)彎曲應力是對稱循環(huán)變應力，循環(huán)特性為-1。2. A-A截面的彎曲應力為彎矩截面系

11、數(shù)彎曲應力3. 求各項系數(shù)(手冊中查取)由查得彎曲時的應力集中系數(shù)27尺寸系數(shù)按表面粗糙度1.6及，查得表面狀態(tài)系數(shù)4. 疲勞強度校核彎曲時的疲勞安全系數(shù)289-3 機械零件的接觸強度 一 、定義： 當兩零件以高副接觸（即點、線相接觸）時，其接觸 的表層局部會引起較大的應力。這種局部應力稱為接觸應力。二、疲勞點蝕1、產(chǎn)生的原因：接觸應力多數(shù)是交變應力。在交變應力的重復作用下，在零件表層內(nèi)1525微米的地方產(chǎn)生初始裂紋，裂紋逐漸擴展，最后形成零件表層材料的片狀脫落，形成一個個小凹坑，這種現(xiàn)象稱為點蝕。實驗證明:（1）潤滑油會加劇點蝕的形成。（2）如接觸表面無潤滑油，則磨損的速度遠遠超出裂紋的擴展

12、速度，即主要失效形式為磨損。292、點蝕的后果：1）使零件表面的接觸面積減小，承載能力下降；2）零件表面的平滑度下降，傳動中會產(chǎn)生振動 和噪音。疲勞點蝕常是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效形式。30接觸疲勞強度的判定條件為:式中1和2 分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑, 其中正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸。三、計算公式（赫茲公式）對于點、線接觸的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。一般S=1或略大于1由圖看出，作用在兩圓柱體上的接觸應力具有大小相等，方向相反。且左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點。b21FnHH1Fnb2HH319-4 機械零件的耐磨性耐磨性：零件抗磨損的能力稱為耐磨性

13、。磨損的主要類型：2）磨粒磨損：硬質(zhì)顆粒或摩擦表面上硬的凸峰在摩擦過程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。1）正常磨損：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。磨損：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 間隙精度效率振動沖擊噪音據(jù)統(tǒng)計，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。 32輪齒磨損334）疲勞磨損(點蝕)：在高副中，受載時材料表層有很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或點蝕。5）腐蝕磨損：在摩擦過程中與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損。耐磨計算是限制運動副的壓強： p

14、 p 相對運動速度較高時，還應該考慮運動幅單位時間接觸面積的發(fā)熱量：p v p v3）粘著磨損(膠合)：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。34冷膠合：低速重載，接觸零件擠壓粘著，相對運動撕裂。35齒面熱膠合：潤滑不良引起36綜合失效：齒面磨損、斷齒、疲勞斷軸3795 機械制造常用材料及其選擇一、金屬材料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金-含碳量2%-含碳量 2%鐵碳合金特點：良好的液態(tài)流動

15、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）、成本低廉。應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵 次之。38選用原則： 優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。393.銅合金- 銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：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。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應用：應用

16、范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）- 含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1. 橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(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。 40軸瓦412.塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。 3.其它非金屬材料 陶瓷、尼龍、皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經(jīng)濟性零件材料各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。4296 公差

17、與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)一、公差與配合互換性：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(shù)與使用要求的特性?；境叽纾河稍O計圖紙給定的零件理論尺寸,為確定值。實際尺寸：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 基本尺寸而言，總是有誤差。或大或小實際尺寸25.1軸實際尺寸實際尺寸基本尺寸實際尺寸24.9孔25.1孔25孔基本尺寸軸25軸24.943最小極限尺寸：零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；最大極限尺寸：零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；尺寸誤差 ：實際尺寸與理論設計尺寸之差；上偏差 ：最大極限尺寸與基本尺寸之差；符號：ES,es下偏差 ：最小

18、極限尺寸與基本尺寸之差；符號：EI,eiesESeiEI尺寸公差：最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；即 允許的尺寸變動量。ES-EIes-ei公差=Lmax- Lmax=ES-EI=es-eiLmin孔L孔Lmax孔軸LLmax軸Lmin軸44軸LLmax軸Lmin軸零線：代表基本尺寸所在位置的一條直線；公差帶：由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域；零線ESEI孔公差帶esei軸公差帶國標規(guī)定：孔與軸各有28個，分別用如下符號表示：孔：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 ZC軸：a b c cd d e ef

19、f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc基本偏差：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。+0-零線L45孔：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 ZC軸：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 zc基本偏差系列呈正態(tài)分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnp

20、rstuvxyzzazbzcjs軸+0-基本尺寸46配合：基本尺寸相同，相互結(jié)合的孔與軸公差帶之間 的關系；間隙或過盈：孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數(shù)差；間隙：代數(shù)差為“+”， 孔軸; 過盈：代數(shù)差為“-”， 孔軸，用于可動聯(lián)接，如活動鉸鏈； 孔軸，用于靜聯(lián)接，如火車輪與軸。 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的靜聯(lián)接，如齒輪與軸；最大間隙: Xmax = 孔max-軸min最小間隙: Xmin = 孔min-軸max 最大過盈: Ymax = 孔min-軸max 最小過盈： Ymin = 孔max-軸min 48間隙配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差

21、帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶過盈配合過渡配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶YmaxXmaxYmaxXmaxYmaxXmaxYmaxYmaxXminXmaxXmin= 0Ymin= 0軸公差帶XmaxYmin49H零線D孔公差kjshgefrpms間隙配合過渡配合過盈配合配合基準制基孔制配合：孔是基準孔，下偏差EI=0， 代號為:H， 通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性?；字婆浜匣S制配合應用廣泛 ，可減少孔加工刀具 50零線hD軸公差KJSHGEFRPMS間隙配合過渡配合過盈配合基軸制配合：軸是基準軸，上偏差es=0， 代號為:h ， 通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特

22、性。51基孔制常用與優(yōu)先配合的選用52基軸制常用與優(yōu)先配合的選用53二、 表面粗糙度輪廓峰谷線輪廓峰頂線輪廓峰高yp輪廓谷深yv中線lyx定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度特征：加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕。評定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差-取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術(shù)平均值：540.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3 用不同加工方法得到的Ra 加工方法表面粗糙度 Ra m精 粗刨削鉆孔鉸孔精 粗鏜孔精 粗車精 粗磨精 粗研磨滾、銑精 粗Ra愈小，零件的加工成本

23、愈高。55表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：1. 對摩擦磨損的影響摩擦系數(shù)Ra零件表面愈粗糙，摩擦系數(shù)愈大。但光滑到一定程度時，潤滑油被擠出，產(chǎn)生親和力反而使摩擦系數(shù)增大。2. 對疲勞強度的影響零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產(chǎn)生應力集中，使疲勞強度降低。3. 對耐腐蝕的影響4. 對結(jié)合處密封性能的影響5. 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(chǎn)生腐蝕滲透。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。56三、 優(yōu)先數(shù)系 優(yōu)先數(shù)系是國際上統(tǒng)一的數(shù)值分級制度，是一種無量綱的分級系數(shù)，適用于各種量值的分級。在確定產(chǎn)品的參數(shù)或參數(shù)系列時，應該最大限

24、度采用。 產(chǎn)品的主要參數(shù)如：型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等按優(yōu)先數(shù)系形成系列，便于組織生產(chǎn)和降低成本，以實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化和系列化。優(yōu)先數(shù)系是一個以公比為：qr= 10 的十進等比級數(shù)，rGB321-80規(guī)定了四個優(yōu)先數(shù)系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 4057優(yōu)先數(shù)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 1.50 1.60 1.70 1.801.9