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1、洛阳高专用,第9章 机械零件设计概论,91 机械零件设计概论,92 机械零件的强度,93 机械零件的接触强度,94 机械零件的耐磨性,95 机械制造常用材料及其选择,96 公差与配合、表面粗糙度和优先数系,97 机械零件的工艺性及标准化,洛阳高专用,洛阳高专用,机械设计部分的特点：“四多”关系多、要求多、公式多、图表多学习时应注意：理论与实践结合 重视结构设计,洛阳高专用,91 机械零件设计概论,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。,1.机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。,
2、2.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。,一、基本概念,洛阳高专用,（）零件的失效形式 1.整体断裂 1）一次击裂：零件在一次性外力作用下，由于某 一危险剖面上的应力超过零件的 强度极限而发生的断裂。,3.强度-构件在载荷作用下抵抗破坏的能力4.刚度-构件在载荷作用下抵抗变形的能力5.稳定性-构件保持其原有平衡状态的能力6.耐磨性-作相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能力,二、机械零件的失效形式及计算准则,洛阳高专用,2）疲劳断裂：零件在变应力作用下，危险截面上的应力大于零件的疲劳极限而发生的断裂。2.过大的弹性变形;如机
3、床主轴。3.工作表面的过度磨损或损伤;4.正常工作条件被破坏引起的失效如带传动等。,机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等方面的影响。,（二）计算准则,洛阳高专用,强度条件：计算应力 许用应力；刚度条件：变形量许用变形量归纳为：防止失效的判定条件是：计算量 许用量-工作能力计算准则。,三、机械零件的设计方法,1.设计计算：根据主要的失效形式，运用相应的计算准则确定零件的形状和主要尺寸；2.校核计算：参照实物或经验数据，初步拟定零件的结构和尺寸，然后用相关的准则进行验算。,洛阳高专用,1)拟定零件的计算简图;2)确定作用在零件上的载荷;
4、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 5)绘制工作图并标注必要的技术条件。,四、机械零件的设计步骤,洛阳高专用,载荷系数K-考虑各种附加载荷因素的影响。,名义载荷-在理想的平稳工作条件下作用在零件上 的载荷。,92 机械零件的强度,计算载荷-载荷系数与名义载荷的乘积。,计算应力-按计算载荷计算所得之应力：,名义应力-按名义载荷计算所得之应力。,强度判 定条件：,、,、-许用应力,S-安全系数,lim、lim-极限应力，由实验方法测定。,然而
5、在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入,洛阳高专用,一、应力的种类（按应力随时间的变化特性分）,脉动循环变应力,r=0,静应力:=常数,变应力:随时间变化,平均应力:,应力幅:,循环变应力,变应力的循环特性:,对称循环变应力,r=-1,-脉动循环变应力,-对称循环变应力,-静应力,min,r=+1,静应力是变应力的特例,洛阳高专用,二、静应力下的许用应力,静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形,对于塑性材料，当应力达到屈服极限S时，零件将发生明显的塑性变形而影响其正常工作，即失效。故取屈服极限S 作为极限应力,许用应力为：,对于脆性材料，直到断裂也无明显的塑性变形，断裂是脆性
6、材料破坏的唯一标志，故取强度极限B 作为极限应力,许用应力为：,不管脆性材料或塑性材料，,洛阳高专用,三、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。疲劳断裂具有以下特征：,1)疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低;,2)疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;,3)疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。疲劳断裂是
7、与应力循环次数(即使用期限或寿命)有关的断裂此关系用疲劳曲线来描述。,洛阳高专用,1、疲劳曲线,由图可知：应力越小，试件能经受的循环次数就越多。试验表明，当 NN0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循环时试件将不会断裂。,应力与应力循环次数N 之间的关系曲线称为：疲劳曲线,N0-循环基数,N0 对应的应力称为：,当 N N0 时,有近似公式：,对应于循环次数N 的弯曲疲劳极限：,材料的疲劳极限,用-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。,式中：m为随应力状态不同的幂指数,洛阳高专用,2、许用应力,在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。再引人应力集中系数k、尺寸系数和表面状态系数等。,当
8、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：,0 为材料的脉动循环疲劳极限，S为安全系数。,有限寿命时，用-1N代入得：,洛阳高专用,四、安全系数 安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响,1）静应力下，塑性材料的零件：S=1.2.5 铸钢件：S=1.5,S,典型机械的 S 可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：,零件尺寸大，结构笨重。,S,可能不安全。,）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：S=34,3）变应力下，S=1.31.7材料不均匀，或计算不准时取：S=1.72.5,洛阳高专用,93 机械零件的接触强度,若两个零件高副接触，受载后，由于变形其接触处为
9、一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力。,失效形式常表现为：,疲劳点蚀,后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,洛阳高专用,由弹性力学可知，应力为：,对于钢或铸铁取泊松比：1=
10、2=0.3,则有简化公式。,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触，“-”用于内接触。,洛阳高专用,H-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;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量;E1、E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为：,洛阳高专用,94 机械零件的耐磨性,运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。零件抗磨损的能力称为耐磨性。,磨损,间隙、,精度、,效率、,振动、,冲击、,噪音,磨损的主要类型：,1）磨粒磨损,2）粘着磨损(胶合磨损),在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应力。当
11、载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，这种现象称为疲劳磨损或疲劳点蚀。,在摩擦过程申，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损，称为腐蚀磨损,硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损。硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使表面材料脱落而留下沟纹。,加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损(胶合磨损)。所谓材料转移是指接触表面擦
12、伤和撕脱，严重时摩擦表面能相互咬死。,3）疲劳磨损(疲劳点蚀),4）腐蚀磨损,洛阳高专用,实用耐磨计算是限制运动副的压强p，即:,p p p由实验或同类机器使用经验确定,相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间单位接触面积的发热量 f p v。在摩擦系数一定的情况下，可将 p v 值与许用的 p v 值进行比较。即:,p v p v,洛阳高专用,95 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。,铸铁,常用金属材料,钢,铜合金,-含碳量2%,-含碳量 2%,铁碳合金
13、,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。,H T Q T K T（+该材料的强度极限）,洛阳高专用,2.钢,按用途分,结构钢：各种机械零件、工程结构构件,工具钢：量具、刃具、模具,特殊钢：如不锈钢、耐热钢、耐酸钢,按化学成份分,炭素钢,合金钢,按冶金质量分,普通钢：含硫、磷杂质较多,优质钢：含硫、磷杂质较少,低炭钢 含碳量 0.25%,中炭钢 含碳量0.250.5%,高炭钢 含碳量0.55%,钢有如下分类办法：,洛阳高专用,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
14、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。,选用原则：“价格便宜且供应充分,我国资源丰富”优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。,牌号：1)对于普通炭素结构钢，用屈服极限来描述，如牌号Q215表示屈服极限S215MPa 的普通炭素结构钢;2)对于优质炭素结构钢，用两位数字来描述，如20两位数字表示该材料含炭量的万分之几，如45表示含炭量为45优质炭素结构钢，读为45号钢；3）合金钢，直接在优质炭素结构钢后加合金元素,如40Cr,洛阳高专用,洛阳高专用,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
15、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。,洛阳高专用,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
16、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。,洛阳高专用,洛阳高专用,洛阳高专用,最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；,最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；,尺寸误差：实际尺寸与理论设计尺寸之差；,上偏差：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es,下偏差：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei,尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺
17、寸之差；即 允许的尺寸变动量。,公差=Lmax-Lmin,=ES-EI,=es-ei,洛阳高专用,零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；,公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；,国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示：,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,轴：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：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。,洛阳高
18、专用,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,轴：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,呈正态分布,洛阳高专用,配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间 的关系；,间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；,间隙：代数差为“+”，孔轴;,过盈：代数差为“-”，孔轴;,公差等级：国标规定了20个等级，用阿拉伯数字：0 01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
19、 16 17 18表示。,标记方法：公差带符号后跟阿拉伯数字表示。如：H7。,常用公差等级的应用,4、5级用于特别精密的零件；,6、7、8级用于重要的零件；,8、9级用于中速及中等精度要求的零件；,10、11级用于低速、低精度的零件。可直接采棒材、管材、精密锻件而不用切削加工。,洛阳高专用,配合类型,间隙配合,过渡配合,过盈配合,孔轴，用于可动联接，如活动铰链；,孔轴，用于静联接，如火车轮与轴。,可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；,最大间隙:Xmax=孔max-轴min,最小间隙:Xmin=孔min-轴max,最大过盈:Ymax=孔min-轴
20、max,最小过盈：Ymin=孔max-轴min,洛阳高专用,间隙配合,过盈配合,过渡配合,Xmin=0,Ymin=0,洛阳高专用,配合基准制,基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0，代号为:H，通过改变轴的公差带来获得各种不同的配合特性。,基孔制配合,基轴制配合,应用广泛，可减少孔加工刀具,洛阳高专用,基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0，代号为:h，通过改变孔的公差带来获得各种不同的配合特性。,洛阳高专用,基孔制常用与优先配合的选用,洛阳高专用,基轴制常用与优先配合的选用,洛阳高专用,二、表面粗糙度,中线,定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度,特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸
21、不平的刀痕。,评定参数：轮廓算术平均偏差-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：,洛阳高专用,Ra愈小，零件的加工成本愈高。,洛阳高专用,表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：,1.对摩擦磨损的影响,零件表面愈粗糙，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。,2.对疲劳强度的影响,零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。,3.对耐腐蚀的影响,4.对结合处密封性能的影响,5.对振动和噪声的影响等等,零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。,零件表面愈光滑，密封性能愈好。,零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚
22、动轴承。,洛阳高专用,三、优先数系,优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。,产品的主要参数如型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。,GB321-80规定了四个优先数系的基本系列：,洛阳高专用,洛阳高专用,97 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,
23、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。,洛阳高专用,2)结构简单合理,最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面及其组合；,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
24、应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使用少或无切削加工，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。,洛阳高专用,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
25、检验、包装储运等环节的标准化。,洛阳高专用,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。,
