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 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。 机械零件的失效形式： 断裂或塑性变形 过大的弹性变形 磨损 强烈的振动 其他——联接的松弛；摩擦传动的打滑等。 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； ——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： 拟定零件的计算简图 确定作用在零件上的载荷 选择合适的材料 根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件 确定零件的形状和主要尺寸 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。  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 ——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。 ——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： 疲劳断裂的最大应力低于屈服极限； 无明显塑性变形的脆性突然断裂； 断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区 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 （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——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）： 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。 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。 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： 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； 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——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。 §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。 间隙——孔的尺寸－轴的尺寸为“＋”时 过盈——孔的尺寸－轴的尺寸为“－”时 配合关系是在设计时确定的。 ▲配合的种类： 间隙配合 过盈配合 过渡配合 ▲配合公差 ——允许的间隙或过盈的变动量 对于间隙配合 间隙公差=│最大间隙－最小间隙│=│Xmax－Xmin│ 对于过盈配合 过盈公差=│最小过盈－最大过盈│=│Ymin－Ymax│ 对于过渡配合 过渡配合公差=│最大间隙－最大过盈│ ▲孔轴配合的表示方法 如φ100 H7/f8、 φ100 K6/h7 ▲配合制度 ——基孔制：把孔的公差带位置固定，改变轴的公差带的位置，而获得的不同性质的配合方法； 国家标准规定：基孔制的孔的下偏差为零，即基本偏差为H ——基轴制：把轴的公差带位置固定，改变孔的公差带的位置，而获得的不同性质的配合方法。 国家标准规定：基轴制的孔的上偏差为零，即基本偏差为h 基准孔和基准轴统称基准件 基孔制配合的表示方法：φ100 H7/f8 基轴制配合的表示方法：φ100 K6/h7 二、表面粗糙度 经过切削加工或其他方法所获得的零件表面，总存在着几何形状误差： ——宏观几何形状误差（形状误差） ——表面波纹度（波度） ——微观几何形状误差（表面粗糙度） ▲表面粗糙度对零件使用性能的影响 对摩擦和磨损的影响 对工作精度的影响 对配合性质的影响 对疲劳强度的影响 对耐腐蚀性的影响 对零件结合的密封性、流体流动的阻力以及对机器、仪器的外观质量的影响等。 ▲表面粗糙度的评定 评定表面粗糙度的参数有多种：通常比较常用的评定表面粗糙度的参数之一是轮廓算术平均偏差Ra 它是指在取样长度l内，被测轮廓上各点至 轮廓中线偏距绝对值的算术平均值 即 近似为 ——表面粗糙度的表示方法：标注符号 用除去材料的方法获得的表面，如车、铣、钻、磨等 用不除去材料的方法获得的表面，如铸、锻、冲压等 不拘加工方法获得的表面 ▲表面粗糙度的选择原则 ——应满足零件的功能要求和符合生产的经济性要求。 ——应与尺寸公差和形位公差相协调。 ——尺寸公差等级相同时轴比孔的Ra值小。 ——有下列要求时，宜选用较小的Ra值： l）降低应力集中，提高零件的疲劳强度； 2）提高接触强度； 3）降低摩擦； 4）减轻腐蚀； 5）提高密封性能。 三、优先数系 优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。这样可便于组织生产和降低成本。 GB321—80规定的优先数系有四种基本系列， R5系列，公比为101/5=1.6；RIO系列的数值为1、l.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10。 R10系列，公比为101/10=1.2 5； R20系列，公比为101/20=1.12； R40系列，公比为101/40= 1.0 6。例如， 其他系列的数值详见一般设计手册 §9-7 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性 在一定的生产规模和生产条件下，花费劳动量最小，加工费用最少（工时少、设备少）的零件，就认为具有良好的工艺性。 工艺性的基本要求： 毛坯选择合理 结构简单合理 规定适当的制造精度及表面粗糙度。 二、标准化 标准化——是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。 对产品实行标准化具有重大的意义： ——在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本； ——在设计方面可减少设计工作量，缩短设计周期； ——在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。 标准的分类： 我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。