第9章機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論

1第九章

機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論2

零件→構(gòu)件→機(jī)構(gòu)→機(jī)器→機(jī)械機(jī)械原理：機(jī)器、機(jī)構(gòu)的組成、機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算、常用機(jī)構(gòu)。機(jī)械設(shè)計(jì)：通用機(jī)械零件、機(jī)器的設(shè)計(jì)零部件的分類專用零部件

：只在一定類型機(jī)器中使用的零件通用零部件

：各種機(jī)器中普遍使用的零部件，如齒輪、螺栓。標(biāo)準(zhǔn)件：制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并由專門工廠生產(chǎn)的零部件。如：滾動(dòng)軸承、螺栓等。曲軸4工作能力要求：強(qiáng)度、剛度、壽命、穩(wěn)定性、耐磨性；

結(jié)構(gòu)工藝性及經(jīng)濟(jì)性要求

質(zhì)量小及可靠性要求設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)應(yīng)滿足的基本要求5整體斷裂正常工作條件破壞過大的殘余變形零件的表面破壞零件在外載荷作用下，由于某一危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限產(chǎn)生的過大殘余變形而導(dǎo)致的失效。零件表面在受到各種腐蝕、磨損和接觸疲勞而產(chǎn)生的表面破壞失效。如：滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑得不到保障將產(chǎn)生過熱、膠合、磨損等形式的失效；帶傳動(dòng)在外載荷超過極限摩擦力時(shí)將發(fā)生打滑失效等。失效－機(jī)械零件不能正常工作§9－1機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則6齒輪輪齒斷裂

軸承內(nèi)圈斷裂整體斷裂零件在外載荷作用下，由于某一危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件的主要失效形式2機(jī)械零件的主要失效形式過大的殘余變形

當(dāng)作用于零件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余變形。齒輪齒面塑形變形軸承外圈塑性變形

機(jī)械零件的主要失效形式3機(jī)械零件的主要失效形式零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點(diǎn)蝕）。齒面接觸疲勞軸瓦磨損

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零件工作能力準(zhǔn)則主要有：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐熱性、振動(dòng)穩(wěn)定性等保證零件不產(chǎn)生失效所依據(jù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則零件工作能力計(jì)算準(zhǔn)則10機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般步驟設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)機(jī)器具體工作情況確定作用在零件上的名義載荷及計(jì)算載荷。名義載荷：用力學(xué)公式計(jì)算出的載荷。計(jì)算載荷：考慮實(shí)際工作條件影響的載荷。2、選擇零件材料。3、由失效形式確定計(jì)算準(zhǔn)則。并依此確定零件主要尺寸。4、根據(jù)工藝性進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。5、根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行詳細(xì)校核計(jì)算。6、繪制零件工作圖，寫出計(jì)算說明書。一、

強(qiáng)度（一）整體強(qiáng)度（二）表面強(qiáng)度剛度振動(dòng)穩(wěn)定性12一、強(qiáng)度（一）整體強(qiáng)度1、載荷和應(yīng)力：皮帶運(yùn)輸機(jī)（1）載荷

靜載荷13離心水泵恒壓容器靜載荷14變載荷—石油鉆桿、抽油桿、井架、汽車底盤等15（2）、應(yīng)力單位MPa=N/mm2

靜應(yīng)力—應(yīng)力不變拉桿的靜應(yīng)力16變應(yīng)力—應(yīng)力隨時(shí)間變化17變應(yīng)力的類型應(yīng)力循環(huán)特性r對(duì)稱循環(huán)r=-1,脈動(dòng)循環(huán)r=0任意循環(huán)18例：轉(zhuǎn)軸中彎曲應(yīng)力靜載荷→產(chǎn)生靜應(yīng)力變載荷→產(chǎn)生變應(yīng)力靜載荷→變應(yīng)力？19（1）靜強(qiáng)度

—靜應(yīng)力工作條件[σ][τ]—許用應(yīng)力S—安全系數(shù)2、強(qiáng)度—零件抵抗破壞的能力極限應(yīng)力極限應(yīng)力σ

lim塑性材料：σ

lim=σ

s屈服極限脆性材料：σ

lim=σ

B強(qiáng)度極限齒輪輪齒斷裂

低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線1線彈性階段2屈服階段3強(qiáng)化階段（冷作硬化）4頸縮階段(局部變形)比例極限屈服極限強(qiáng)度極限屈服頸縮21（2）疲勞強(qiáng)度

—變應(yīng)力條件下22

疲勞曲線σr—材料經(jīng)過N0次應(yīng)力循環(huán)，發(fā)生破壞的應(yīng)力值。N0—循環(huán)基數(shù)N0=106—107

圖

疲勞曲線（2）疲勞強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)疲勞極限疲勞曲線23疲勞強(qiáng)度條件例如對(duì)稱循環(huán)：尺寸系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)表面狀態(tài)系數(shù)許用應(yīng)力24（二）機(jī)械零件的表面強(qiáng)度

1機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度失效形式1）靜應(yīng)力:表面壓碎——脆性材料,

表面塑性變形——塑性材料

2）變應(yīng)力：疲勞點(diǎn)蝕

——齒輪、滾動(dòng)軸承的常見失效形式。疲勞點(diǎn)蝕25（二）機(jī)械零件的表面強(qiáng)度

1機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度接觸應(yīng)力計(jì)算依據(jù)：彈性力學(xué)的赫茲公式

兩圓柱體接觸說明：1）σHmax與F不呈線性關(guān)系2）ρΣ越大，σHmax越小3）內(nèi)接觸時(shí)ρΣ較小，σHmax較小鋼或鑄鐵26表面接觸強(qiáng)度條件Hlim

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料的接觸疲勞極限

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2表面磨損強(qiáng)度耐磨性計(jì)算準(zhǔn)則：滑動(dòng)速度低，載荷大時(shí)：壓強(qiáng)p≤[p]中速時(shí)：pv≤[pv]高速時(shí)：pv≤[pv]；v≤[v]磨損：運(yùn)動(dòng)副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象（零件表面破壞）零件磨損的三個(gè)階段

假設(shè)應(yīng)力在擠壓面上是均勻分布的得實(shí)用擠壓應(yīng)力公式*注意擠壓面面積的計(jì)算FF3表面擠壓強(qiáng)度失效形式：壓潰、表面塑性變形表面擠壓強(qiáng)度條件軸向拉伸桿件：式中：[△l]為軸向拉伸的許可伸長(zhǎng)量或縮短量平面彎曲梁：式中：[y]為許用撓度；[θ]為許用轉(zhuǎn)角。扭轉(zhuǎn)變形圓軸：式中：[θmax]為許用扭轉(zhuǎn)角。lｙ≤［ｙ］θ≤［θ］二、剛度

剛度是反映零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。30影響剛度的因素及其改進(jìn)措施材料對(duì)剛度的影響彈性模量大則剛度大結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響截面形狀：增大截面面積，采用中空、工字鋼、槽鋼、T形截面等慣性矩大的截面支撐方式：采用合適的支撐方式，減少最大彎矩；采用加強(qiáng)筋在裝配中適當(dāng)增加預(yù)緊力l31三振動(dòng)穩(wěn)定性振動(dòng)：機(jī)械零件周期性產(chǎn)生彈性變形的現(xiàn)象。共振：當(dāng)作用在零件上的周期性外力的變化頻率接近或等于零件自身的自激振動(dòng)頻率時(shí)，便發(fā)生共振，導(dǎo)致零件失效。這種現(xiàn)象稱之為“失去振動(dòng)穩(wěn)定性”。

振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：fp＜0.85ffp>1.15f式中：f――零件的自激振動(dòng)頻率

fp――外力變化的頻率.典型零部件：軸等機(jī)械零件材料的選用原則1：鋁(LY12)、銅(ZCuSn10P1)…...黑色金屬有色金屬鑄鐵鋼高分子材料復(fù)合材料陶瓷金屬材料非金屬材料：塑料、橡膠、合成纖維

：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼…(如：08F

45

60

1Cr18）

：灰鑄鐵、球墨鑄鐵…(如：HT300QT500-5)：強(qiáng)如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強(qiáng)度高、彈性模量大、質(zhì)量輕§9-2常用材料及其選擇常見材料(一)、黑色金屬

鋼的分類：1）含碳量

（按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）低碳鋼(ωc≤0.25%)中碳鋼(0.25%≤ωc≤

0.6%)高碳鋼(0.6%<ωc≤

2.11%)2）化學(xué)成份（按合金成份）合金鋼（除Fe、C外，還有其它合金元素）碳素鋼3）鋼的品質(zhì)（按有害雜質(zhì)S、P含量）普通鋼（ωs≤0.05%;ωp≤0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼（ωs≤0.04%;ωp≤0.04%）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%）4）鋼的用途（按行業(yè)使用）結(jié)構(gòu)鋼（建筑、機(jī)械制造用）工具鋼（工具、刀具、模具等用）特殊性能鋼（防腐蝕、高溫、導(dǎo)磁等場(chǎng)合用）了解鋼的使用特點(diǎn)及應(yīng)用、牌號(hào)：牌號(hào)：1、碳鋼與合金鋼1）碳鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼字母Q+屈服強(qiáng)度(Mpa)+質(zhì)量等級(jí)。表示普碳結(jié)構(gòu)鋼共分195、215、235、255、275五種。共有A,B,C,D四個(gè)級(jí)別，A級(jí)最差。如：Q235A；Q215B；普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用鋼板、鋼筋螺釘、鉚釘建筑構(gòu)件鋼橋梁銼刀碳素工具鋼量規(guī)鉆頭優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)：由兩位數(shù)字組成表示碳的平均萬分含量（常用：08～85）如45（表示ωC0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）當(dāng)ωMn=0.7～1.2%時(shí)，在數(shù)字后加Mn齒輪螺栓優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用30—55鋼：強(qiáng)度較高，有一定的塑性和韌度，經(jīng)熱處理后，用于齒輪、軸、螺栓等重要零件。曲軸彈簧優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼65—85鋼：有較高的強(qiáng)度、硬度和彈性，塑性和韌性較低，常用于彈簧和耐磨零件。2）合金鋼牌號(hào)：數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字表示碳的平均萬分含量合金元素平均百分含量：<1.5%不標(biāo)記，表示所含合金元素的名稱如：20Cr（表示ωc=0.2%,ωCr<1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼)如：38CrMnAl（表示ωc=0.38%,ωCr、ωMnωAl的含量均<1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼)如：60Si2Mn（表示ωc=0.6%,ωSi=1.5～2.49%，的ωMn<1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼)撥叉變速齒輪合金滲碳鋼20Cr、20MnTi、20Cr2Ni4：有較高的韌度，經(jīng)熱處理后表面硬而耐磨，用于受沖擊載荷的重要零件。40Cr、40CrMn、38CrMnAl

：有較高的綜合力學(xué)性能，用于受力復(fù)雜的重要零件。滾動(dòng)軸承鋼

牌號(hào)：字母G+合金元素+數(shù)字表示滾動(dòng)軸承用鋼表示所含主要合金元素的名稱如：GCr9（表示ωCr=0.9%的滾動(dòng)軸承鋼)只標(biāo)出鉻元素平均千分含量，其它不標(biāo)記，如：GCr15SiMn（表示ωCr=1.5%的滾動(dòng)軸承鋼)成份：ωC=1～1.15%,加入了Mn、Si等合金元素，熱處理后使用。滾珠軸承滾動(dòng)軸承鋼破碎機(jī)顎板履帶鐵軌分道叉挖掘機(jī)斗齒耐磨鋼化學(xué)元素有硅、錳、鉻、鉬、釩、鎢、鎳、鈦、硼、銅、稀土

如ZG230—450（表示含碳量屈服點(diǎn)為σs=230MPa,抗拉強(qiáng)度為的σb=450Mpa的碳素鑄鋼）；2、鑄鋼牌號(hào)：字母ZG+數(shù)字—數(shù)字表示鑄鋼表示抗拉強(qiáng)度σb（Mpa）表示屈服點(diǎn)σs（Mpa）重型機(jī)械齒輪

鑄鋼

特點(diǎn)與應(yīng)用：

由于鑄造特性，一般用于制造形狀復(fù)雜，難以切削加工、尺寸大，難以鍛造加工的重要零件，如：大型齒輪、缸體、變速箱機(jī)架等。3、灰口鑄鐵牌號(hào)：字母HT+數(shù)字表示灰口鑄鐵表示最低抗拉強(qiáng)度σb（Mpa）HT150特點(diǎn)與應(yīng)用：強(qiáng)度、塑性、韌性不如鋼，軟而脆?？箟簭?qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低。有良好的耐磨性、減震性和切削性；常用于床身、機(jī)架、底座、箱體、殼體、導(dǎo)軌、缸體、活塞環(huán)、帶輪等零件。如：QT400—18特點(diǎn)與應(yīng)用：球狀石墨對(duì)基體的割裂作用小，綜合力學(xué)性能較高，并具有良好的減震性和耐磨性

受力復(fù)雜、強(qiáng)度韌性和耐磨性較高的零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、蝸桿、伐門、機(jī)座、汽車后橋等。4、球墨鑄鐵牌號(hào)：字母QT+數(shù)字—數(shù)字表示球墨鑄鐵表示最低抗拉強(qiáng)度σb（Mpa）表示最低伸長(zhǎng)率δ（%）1銅及銅合金（1）純銅（紫銅）牌號(hào)：T1、T2、T3、T4、----序號(hào)越大，純度越低特點(diǎn)及應(yīng)用：良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、極好的塑性和耐蝕性。主要用于電線、電纜、電子元件及導(dǎo)熱器件等。（二）、有色金屬（a）黃銅（銅鋅合金）普通黃銅：H××平均含銅量的百分?jǐn)?shù)特點(diǎn)良好的耐蝕性應(yīng)用：彈殼、散熱器、墊片、油管（2）銅合金（b）青銅錫青銅鑄錫青銅ZCuSn10P1

較高的抗蝕性、耐磨性

蝸輪、軸瓦、軸套等耐磨零件。鋁青銅：

QAL10-4-4較高的強(qiáng)度、抗蝕性、耐磨性、耐熱性和焊接性齒輪、蝸輪、軸套、船舶等零件。2軸承合金

--巴比特（

Babbitt）合金

（或巴氏合金）中國(guó)的錫基軸承合金牌號(hào)用“Ch”符號(hào)表示。牌號(hào)前冠以“Z”,表示是鑄造合金。如含有Sbll%和Cu6%的錫基軸承合金牌號(hào)為“ZChSnSb11-6”。制造滑動(dòng)軸承（軸瓦）（三）、非金屬材料

（1）工程塑料密度小，耐蝕性好，絕緣，加工性好。

機(jī)械強(qiáng)度差，剛性差，耐熱性低。

散熱性差，易老化，易燃。

聚酰胺（尼龍）聚乙烯（PE）塑料可制作食品包裝袋、奶瓶、容器等。聚氯乙烯（PVC）塑料可用于建筑材料。聚丙烯（PP）可用于水暖結(jié)構(gòu)件。聚苯乙烯（PS）可用于制造儀表外殼。塑料齒輪

（2）橡膠

彈性好，緩沖、減振，絕緣性好，耐磨損，耐化學(xué)腐蝕，耐放射性。

主要用于彈性材料、密封材料、減振材料、傳動(dòng)材料。

o彈性圈柱銷聯(lián)軸器小結(jié)——含碳量小于2.11%的鐵碳合金1）以含碳量ωC%<0.25%（低），0.25~0.6%（中），>0.6%（高）2）以化學(xué)成份碳素鋼，合金鋼3）以鋼的品質(zhì)

普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼4）以鋼的用途結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼鋼結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235A；Q215B；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：45；65Mn；合金結(jié)構(gòu)鋼：20Cr;38CrMnAl;60Si2Mn;(GCr9)鑄鋼鑄造碳鋼：ZG230—450；ZG270—500；*常用鋼種的牌號(hào)及識(shí)別：——含碳量大于2.11%的鐵碳合金白口鑄鐵無牌號(hào)標(biāo)記灰口鑄鐵HT150；HT200；可鍛鑄鐵KTH300—06；KTZ450—04；球墨鑄鐵QT400—18；QT600—3鑄鐵熱處理的實(shí)質(zhì)

馬氏體貝氏體索氏體屈氏體珠光體鐵素體和滲碳體

二將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。二熱處理熱處理611）退火—隨爐冷卻—消除鍛造、焊接內(nèi)應(yīng)力。2）正火—空氣冷卻，硬度強(qiáng)度提高，消除內(nèi)應(yīng)力方面不如退火。3）淬火—水冷或油冷，硬度強(qiáng)度提高，脆性增加、存在較大內(nèi)應(yīng)力4）回火—淬火后又加熱冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力和脆性。仍保持較高硬度、強(qiáng)度。調(diào)質(zhì)＝淬火＋高溫回火強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性都較好的綜合力學(xué)性能。1普通熱處理正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度2、表面熱處理

（1）表面淬火在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表面層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。

滲碳—低碳鋼表面滲入碳元素—耐磨滲氮—鋼材表面滲入氮碳元素—耐磨氰化—碳氮共滲—耐磨

（2）化學(xué)熱處理改變表層的化學(xué)成分和組織1、使用要求（1）零件的受載情況（2）零件的工作情況（3）對(duì)零件尺寸和重量的限制（4）零件的重要程度三、機(jī)械材料的選用原則

2、工藝要求考慮（1）工藝方法（2）生產(chǎn)條件（3）毛坯的制取方法

對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、薄壁、高度或深度小的零件，如生產(chǎn)批量較大時(shí)，可考慮壓力加工成形。大批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)考慮材料的切削性能要好（易斷屑、刀具磨損小、表面光滑等）?？紤]材料的熱處理工藝性能。

3、經(jīng)濟(jì)要求（1）材料本身的相對(duì)價(jià)格。（2）局部品質(zhì)的原則。（3）材料的加工費(fèi)用。（4）材料的利用率。（5）節(jié)約稀有材料、材料的供應(yīng)狀況。我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格

材料

相對(duì)價(jià)格

材料

相對(duì)價(jià)格

碳素結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

易切鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼(除鉻一鎳)

鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼(中合金