第十一章 机械零件设计概论
§ 11－ 1 机械零件设计的基本要求和一般步骤
§ 11－ 2 机械零件的设计准则
§ 11－ 3 机械制造常用材料及其选择
§ 9－ 7 机械零件的工艺性及标准化
§ 11－ 1 机械零件设计的基本要求和一般步骤机械设计应满足的要求：
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 等 。
机械零件的失效：
机械零件曲于某种原因不能正常工作时,称为 失效 。
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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为,承载能力。
零件的失效形式,断裂或塑性变形 ; 过大的弹性变形 ;
工作表面的过度磨损或损伤 ; 发生强烈的振动；联接的松弛 ; 摩擦传动的打滑等 。 如轴,齿轮,轴瓦,轴颈,螺栓,带传动等 。
机械零件虽然有多种可能的失效形式,归纳起来最主要的为对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件,计算应力 <许用应力；
机械零件设计的步骤：
1)拟定零件的计算简图 ;
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件 。
防止失效的判定条件是：
计算量 <许用量 ----工作能力计算准则 。
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失效形式,选用相应的判定条件,确定零件的形状 ; 注意,零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值,设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁,规格加以圆整失效原因,强度,刚度,耐磨性,振动稳定性,温度等原因 。
刚度条件,变形量 <许用变形量；
§ 11－ 2 机械零件的设计准则
（一）强度准则
强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。
即：
σ≤σlim
考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数 (简称安全系数 )，即：
σ≤σlim/S 即 σ≤[σ]
（二）刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形量 y，小于或等于机器工作性能所允许的极限值 [y]（许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为：
y≤[y]
（三）寿命准则
（四）振动稳定性准则
（五）可靠性准则
§ 11－ 3 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。非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
1.铸铁,灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
2.钢,结构钢、工具钢、特殊钢 (不锈钢、耐热钢、
耐酸钢等 )、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
铸铁常用金属材料 钢铜合金
----含碳量 >2%
----含碳量 ≤ 2% 铁碳合金特点,良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。
较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用,应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
选用原则：
优选碳素钢，其次是 硅、锰、硼、钒类合金钢。
特点,与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。
可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法,锻造、冲压、焊接、铸造等。
应用,应用范围极其广泛。
表 11-1 常用材料的相对价格材 料 种 类 规 格 相对价格热轧圆刚碳素结构钢 Q235 （ φ 33~42） 1
铸 件优质碳素钢 （ φ 29~50） 1.5~1.8
合金结构钢（ φ 29~50） 1.7~2.5
滚动轴承钢（ φ 29~50） 3
合金工具钢（ φ 29~50） 3~20
4Cr9Si2耐热钢（ φ 29~50） 5
灰铸铁铸件 0.85
碳素钢铸件 1.7
铜合金、铝合金铸件 8~10
价格便宜且供应充分我国资源丰 富
3.铜合金
-铜锌合金，并含有少量的 锰,铝,镍特点,具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用,应用范围广泛。
种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）
-含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料
1,橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。
常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带 等。
硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
2,塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，
而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝 热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。
3.其它非金属材料,皮革、木材、纸板、棉、丝等。
选材因素,设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题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全面考虑。
用途,工作条件,物理,化学,机械工艺性能,经济 性。
零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。
为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。
表 11-2 常用钢铁材料的牌号及力学性能材 料 力 学 性 能 试件尺寸类 别 牌 号 强度极限 σ B 屈服极限 σ S 延伸率 % mm
Q215 335-410 215 31 碳素结构钢 Q235 375-460 235 26 d≤ 16 Q275 490-610 275 20
20 410 245 25 优质碳素结构钢 35 530 315 20 d≤ 25 45 600 355 16
35 SiMn 883 735 15 d≤ 25 合金结构钢 40Cr 981 785 9 d≤ 25 20CrMnTi 1079 834 10 d≤ 15 60Mn 981 785 8 d≤ 80
ZG270-500 500 270 18
铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d≤ 100
ZG42SiMn 600 380 12
HT150 145 -- --
灰铸铁 HT200 195 -- --
HT250 240 -- --
壁厚
10~20
QT400-15 400 250 15
球墨铸铁 QT500-7 500 320 7
QT600-3 600 370 3
壁厚
30~200
§ 11－ 4 机械零件的工艺性及标准化一,工艺性零件设计要求使用要求 ----具备所要求的工作能力；
制造要求 ----制造工艺可行，成本低；
零件工艺性良好的标志：
在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。
工艺性的基本要求：
1) 毛坯选择合理制备方法,选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。
毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。
单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。
大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。
2) 结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；
尽量减少加工面数和加工面积；
3) 合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。
决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，
尽量采用较低的精度和表面质量。
尽量采用标准件；
增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、
螺纹、键、齿轮模数等）的数量；
4) 尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。
力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。
尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。 欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工 艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。
二,标准化内容：
1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。
定义,标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。
2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；
3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、
加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。
基本特征,统一、简化。
意义：
1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；
2)设计方面可减少设计工作量；
3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。
标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。
标准层次,国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。
推荐性标准（ GB/T） ----鼓励企业自愿采用。
标准性质强制标准（ GB） ----必须强制执行；
作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。
§ 11－ 1 机械零件设计的基本要求和一般步骤
§ 11－ 2 机械零件的设计准则
§ 11－ 3 机械制造常用材料及其选择
§ 9－ 7 机械零件的工艺性及标准化
§ 11－ 1 机械零件设计的基本要求和一般步骤机械设计应满足的要求：
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 等 。
机械零件的失效：
机械零件曲于某种原因不能正常工作时,称为 失效 。
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。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为,承载能力。
零件的失效形式,断裂或塑性变形 ; 过大的弹性变形 ;
工作表面的过度磨损或损伤 ; 发生强烈的振动；联接的松弛 ; 摩擦传动的打滑等 。 如轴,齿轮,轴瓦,轴颈,螺栓,带传动等 。
机械零件虽然有多种可能的失效形式,归纳起来最主要的为对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件强度条件,计算应力 <许用应力；
机械零件设计的步骤：
1)拟定零件的计算简图 ;
5) 绘制工作图并标注必要的技术条件 。
防止失效的判定条件是：
计算量 <许用量 ----工作能力计算准则 。
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失效形式,选用相应的判定条件,确定零件的形状 ; 注意,零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值,设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁,规格加以圆整失效原因,强度,刚度,耐磨性,振动稳定性,温度等原因 。
刚度条件,变形量 <许用变形量；
§ 11－ 2 机械零件的设计准则
（一）强度准则
强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。
即：
σ≤σlim
考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数 (简称安全系数 )，即：
σ≤σlim/S 即 σ≤[σ]
（二）刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形量 y，小于或等于机器工作性能所允许的极限值 [y]（许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为：
y≤[y]
（三）寿命准则
（四）振动稳定性准则
（五）可靠性准则
§ 11－ 3 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。非金属材料如塑料、橡胶等 。
一、金属材料
1.铸铁,灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
2.钢,结构钢、工具钢、特殊钢 (不锈钢、耐热钢、
耐酸钢等 )、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。
铸铁常用金属材料 钢铜合金
----含碳量 >2%
----含碳量 ≤ 2% 铁碳合金特点,良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。
较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。
应用,应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。
选用原则：
优选碳素钢，其次是 硅、锰、硼、钒类合金钢。
特点,与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。
可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法,锻造、冲压、焊接、铸造等。
应用,应用范围极其广泛。
表 11-1 常用材料的相对价格材 料 种 类 规 格 相对价格热轧圆刚碳素结构钢 Q235 （ φ 33~42） 1
铸 件优质碳素钢 （ φ 29~50） 1.5~1.8
合金结构钢（ φ 29~50） 1.7~2.5
滚动轴承钢（ φ 29~50） 3
合金工具钢（ φ 29~50） 3~20
4Cr9Si2耐热钢（ φ 29~50） 5
灰铸铁铸件 0.85
碳素钢铸件 1.7
铜合金、铝合金铸件 8~10
价格便宜且供应充分我国资源丰 富
3.铜合金
-铜锌合金，并含有少量的 锰,铝,镍特点,具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。
零件毛坯获取方法：辗压、铸造。
应用,应用范围广泛。
种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）
-含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料
1,橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。
常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带 等。
硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。
2,塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，
而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝 热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。
3.其它非金属材料,皮革、木材、纸板、棉、丝等。
选材因素,设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题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全面考虑。
用途,工作条件,物理,化学,机械工艺性能,经济 性。
零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。
为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。
表 11-2 常用钢铁材料的牌号及力学性能材 料 力 学 性 能 试件尺寸类 别 牌 号 强度极限 σ B 屈服极限 σ S 延伸率 % mm
Q215 335-410 215 31 碳素结构钢 Q235 375-460 235 26 d≤ 16 Q275 490-610 275 20
20 410 245 25 优质碳素结构钢 35 530 315 20 d≤ 25 45 600 355 16
35 SiMn 883 735 15 d≤ 25 合金结构钢 40Cr 981 785 9 d≤ 25 20CrMnTi 1079 834 10 d≤ 15 60Mn 981 785 8 d≤ 80
ZG270-500 500 270 18
铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d≤ 100
ZG42SiMn 600 380 12
HT150 145 -- --
灰铸铁 HT200 195 -- --
HT250 240 -- --
壁厚
10~20
QT400-15 400 250 15
球墨铸铁 QT500-7 500 320 7
QT600-3 600 370 3
壁厚
30~200
§ 11－ 4 机械零件的工艺性及标准化一,工艺性零件设计要求使用要求 ----具备所要求的工作能力；
制造要求 ----制造工艺可行，成本低；
零件工艺性良好的标志：
在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。
工艺性的基本要求：
1) 毛坯选择合理制备方法,选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。
毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。
单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。
大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。
2) 结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；
尽量减少加工面数和加工面积；
3) 合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。
决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，
尽量采用较低的精度和表面质量。
尽量采用标准件；
增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、
螺纹、键、齿轮模数等）的数量；
4) 尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。
力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。
尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。 欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工 艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。
二,标准化内容：
1)产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。
定义,标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。
2)零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；
3)产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、
加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。
基本特征,统一、简化。
意义：
1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；
2)设计方面可减少设计工作量；
3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。
标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。
标准层次,国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。
推荐性标准（ GB/T） ----鼓励企业自愿采用。
标准性质强制标准（ GB） ----必须强制执行；
作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。
