第9章機械零件設計概論1-9

第9章機械零件設計概論一、基本內容及學習要求二、學習指導三、典型實例分析四、復習題五、復習題參考答案

一、基本內容及學習要求1．基本內容（1）機械零件的工作能力和計算準則；（2）機械零件的強度（3）機械零件的接觸強度（4）機械零件的耐磨性（5）機械制造常用材料及其選擇（6）公差與配合（7）機械零件的制造工藝性及標準化；

2．學習要求

（1）掌握有關機械零件設計和計算的基本概念；（2）掌握機械制造中常用材料的性能及選用原則；（3）了解機械零件工藝性及標準化的意義一、基本內容及學習要求

第9章機械零件設計概論§9－1機械零件的工作能力和計算準則

1.機械、機構、零件等由于某種原因喪失正常工作能力的現(xiàn)象稱為失效；在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力或稱為承載能力。2.失效與損壞概念不同。以自行車為例，作為零件的車輪輻條損壞了幾根，并不影響乘騎，即自行車作為機器并未失效；如果其鏈條因磨損而掉鏈，此時自然不能乘騎了，即失效了

3.失效形式與斷裂破壞概念不同。機械零件由于強度不夠造成斷裂，屬于一種失效形式；除此之外，如機床主軸的剛度不足，零件表面過度磨損及其他各種破壞正常工作條件的因素，又如帶傳動打滑等均屬于失效形式。回目錄主要失效形式有：⑴斷裂：例如，齒輪輪齒根部的折斷、螺栓的斷裂等。⑵過大的殘余變形：零件受載后產(chǎn)生過量的彈性變形；零件的應力如果超過材料的屈服極限，零件將產(chǎn)生殘余塑性變形。⑶表面失效：磨損、腐蝕和接觸疲勞等都會導致零件表面失效。⑷破壞正常工作條件而引起的失效：例如，帶傳動發(fā)生打滑、齒輪傳動噪聲過大等。工作能力計算準則:針對各種不同的失效形式，相應地有各種工作能力判定條件，這種為防止失效而制定的判定條件稱為工作能力計算準則。主要有強度、剛度、耐磨性等。

§9－2機械零件的強度

一、名義載荷和計算載荷根據(jù)額定功率用力學公式計算出并作用在零件上的載荷

稱為名義載荷（如力F功率P轉矩T）。計算載荷與名義載荷之間的關系為：計算載荷等于名義載荷乘以載荷系數(shù)K。機械零件的設計計算一般按計算載荷二、強度條件零件在外載荷作用下所產(chǎn)生的最大應力σ不超過零件的許用應力[σ]。其表達式為工作應力≤許用應力，即σ≤［σ］

三、應力的種類（圖9－1）可分為靜應力和變應力：不隨時間變化的應力稱為靜應力；

隨時間變化的應力稱為變應力；具有周期性的變應力

稱為循環(huán)變應力。復習材料力學中學過的非對稱循環(huán)應力、脈動循環(huán)應力和對稱循環(huán)應力的分類及特征，能繪出應力－時間曲線，并能寫出最大應力、最小應力、平均應力、應力幅和循環(huán)特性。的計算公式。

四、許用應力

許用應力＝材料極限應力/安全系數(shù)，即［σ］＝σlim／S材料的極限應力應根據(jù)工作應力類型的不同來選擇。工作應力為靜應力時，極限應力對于塑性材料為屈服極限；對于脆性材料為強度極限，工作應力為變應力時，極限應力為其相應應力循環(huán)狀態(tài)的疲勞極限。

1.靜應力下的許用應力對塑性材料取材料的屈服極限σs

作為極限應力［σ］＝σs／s對脆性材料取材料的強度極限σB作為極限應力

［σ］＝σB／s

2.變應力下的許用應力對稱循環(huán)疲勞極限取σ－1作為極限應力［σ-1］＝σ-1／s脈動循環(huán)疲勞極限取σ0作為極限應力［σ0］＝σ0／s

五、安全系數(shù)安全系數(shù)取得過大將使結構笨重；安全系數(shù)取得過小可能不夠安全。S>1要按教材給的系數(shù)取?！?－3機械零件的接觸強度因為高副機構是以點、線接觸來傳遞載荷，由于局部彈性變形而形成了小的接觸區(qū)，在很小的接觸區(qū)表層產(chǎn)生很大的應力稱為接觸應力。在接觸應力作用下零件的強度稱為接觸強度。比如：齒輪、滾動軸承等。最大接觸應力為：接觸疲勞強度條件為：σH≤［σH］則［σH］＝σHlim／SHσHlim——接觸疲勞極限SH——安全系數(shù)

§9－4機械零件的耐磨性零件抗磨損的能力稱為耐磨性1.磨粒磨損；2.粘著磨損；3疲勞磨損；

4腐蝕磨損。（含碳量小于2%,大于0.7%的鐵、碳合金）鋼：碳素鋼碳素結構鋼碳素工具鋼：T7、T8普通碳素結構鋼如Q235、Q275等優(yōu)質碳素結構鋼低碳鋼C＜0.25%如20合金鋼合金結構鋼合金工具鋼、高速工具鋼、硬質合金工具鋼特類鋼不銹鋼，如2Cr13、滾動軸承鋼，如GGr9SiMn、耐熱鋼，如3Gr18Ni25Si2等。合金結構鋼如35CrMn2，40CrNiMoA(優(yōu)質）低金結構鋼如12Mn彈簧鋼如60Si2MnA中碳鋼0.6%＜C＜0.25%如45高碳鋼0.6%＜C如60鋼

§9－5機械制造常用材料及其選擇一、金屬材料

（一）鋼鋼具有很高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善機械性能和加工性能。鋼可以進行鍛造、沖壓、焊接等應用相當廣泛。鋼和鑄鐵的區(qū)別主要是含碳量不同。含碳量小于2％的稱為鋼。含碳量大于2％的稱為鑄鐵。鋼可分為碳素鋼和結構鋼。碳素鋼的性質主要取決于含碳量，含碳量越高鋼的強度越高，但塑性越低。為了改善鋼的性能特意加入了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。

1.普通碳素結構鋼GB700-88牌號：Q＋數(shù)字例如：Q235表示屈服強度σs＝235MPa。這種鋼主要用于受力不大，而且基本上承受靜載荷的機械零件和建筑材料?？芍圃熹摪?、角鋼、槽鋼、圓鋼、鉚釘?shù)取Ｒ姳?－1

2.優(yōu)質碳素結構鋼GB699-88按含碳量的多少可分為（1）低碳鋼（10、15、20、25）含碳量小于0.25％適用于沖壓、焊接加工，常用來制造螺釘、螺母、墊圈等。（2）中碳鋼（30、35、40、45、50）含碳量為0.3％～0.5％常用來制造軸類、齒輪、絲杠等。

（3）高碳鋼（55、60、65、70）含碳量為0.55％～0.7％用來制造各種彈簧、鋼絲繩等。例如：45鋼表示含碳量0.45％的優(yōu)質碳素結構鋼。見表9－13.合金結構鋼GB3077-88

牌號：數(shù)字＋化學元素＋數(shù)字

注意：當合金元素的含量＜1.5%時，牌號中只標明元素符號而不標含量。例如：40Cr表示含碳量0.4％，含鉻小于1.5％，鉻能提高強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能。常用來制造中小型軸、齒輪以及各類工程結構。見表9－1

4.鑄鋼GB1152-89將鋼熔化后澆注到鑄模中，以便獲得一定形狀和尺寸的毛坯。適用形狀復雜、尺寸較大、機械性能要求較高的機械零件。比如像重載大型齒輪、軋鋼機、機架、減速器、齒輪箱等。鑄鋼分為：碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩類。例如：ZG270－500表示屈服強度σs＝270MpaσB＝500Mpa碳素鑄鋼。

如ZG35SiMn表示含碳量0.35％，含硅、錳在小于1.5％合金鑄鋼。表9－1（二）鑄鐵鑄鐵是脆性材料，不能進行鍛造，但它比較容易溶解，具有良好的液態(tài)流動性，可以鑄造成許多形狀復雜的零件。另外它的切削性能好，耐磨，成本低，應用非常廣泛。常用有以下兩種。1.灰口鑄鐵GB9439-88例如：HT200表示抗拉強度σB＝200Mpa

常用來制造皮帶輪、輕載低速大齒輪、機座、箱體等。見表9－1

2.球墨鑄鐵GB1348-88球墨鑄鐵的強度、塑性和韌性都比較高，常用來代替鋼材制造曲軸、齒輪、連桿和凸輪軸等重要零件。牌號：QT450－10表示σB＝450Mpa最低延伸率δ＝10％見表9－1。（三）有色金屬在工業(yè)上把鐵以外的金屬統(tǒng)稱為有色金屬。它具有導電性、導熱性、耐腐蝕性和減摩性等。1.黃銅黃銅是銅和鋅組成的合金。主要制造墊片、襯套、管子，管接頭等耐腐蝕零件。牌號：H62表示黃銅：銅（Cu）含量62％，余量38％鋅（Zn）。例如：ZHPb48－3－2表示48％銅，3％鉛，2％鐵，余量為47％鋅的鑄造黃銅。

2.青銅GB1176-87

牌號ZCuSn5Pb5Zn5表示鑄錫青銅，含5％錫，5％鉛，5％鋅，余量85％的銅?？芍圃燧S瓦、蝸輪及耐磨、耐蝕性等零件。二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性、能緩和沖擊、吸收振動，還具有耐磨、絕緣等性能。

常用在彈性元件、聯(lián)軸器、傳動膠帶、輪胎、密封墊圈等。2.塑料比重小、成本低，注塑成型方便等，可以制造齒輪、軸承村、摩擦片等。3.復合材料是由兩種以上金屬或非金屬材料復合而成的一種新型材料。用來制造壓力容器、車輛外殼等。

三、鋼的熱處理簡介熱處理

將鋼在固體狀態(tài)下進行不同溫度的加熱、保溫和冷卻的工藝方法叫熱處理，目的是提高零件的力學性能和改善其工藝性能。1.退火2.正火3.淬火4.回火5.調質6.表面處理

三、鋼的熱處理熱處理是將金屬材料在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式三個階段，改變金屬內部的組織結構來得到所需的使用要求。1.退火退火目的：降低硬度，便于切削加工；細化晶粒，改善組織，提高機械性能；消除內應力，防止鋼件變形與開裂。2.正火正火目的：使鋼件組織細化，提高強度和韌性；減少內應力，改善切削性能。3.淬火提高硬度和強度；但韌性下降，內應力增加，往往會使鋼件變形或開裂。因此淬火后要經(jīng)過回火熱處理以消除內應力，提高零件的韌性。

3.淬火提高硬度和強度；但韌性下降，內應力增加，往往會使鋼件變形或開裂。因此淬火后要經(jīng)過回火熱處理以消除內應力，提高零件的韌性。4.回火根據(jù)回火加熱溫度不同可分為（1）低溫回火：加熱溫度在150°～200°?？梢詼p少內應力和脆性，仍然保持淬火鋼的高硬度和耐磨性。適用刀具、量具等。（2）中溫回火：加熱溫度在350°～500°。淬火鋼經(jīng)中溫回火后，提高了彈性，但硬度下降，適用彈簧、模具等。（3）高溫回火：加熱溫度在500°～600°。淬火鋼經(jīng)高溫回火后，可以獲得強度、硬度、塑性和韌性等都較好的綜合性機械性能。

生產(chǎn)上習慣把淬火后經(jīng)高溫回火的熱處理工藝稱為調質。45號鋼調質用的最多。如軸、齒輪等。5.表面淬火表面淬火是將鋼件表面迅速加熱到淬火溫度，不等熱量傳到芯部就快速冷卻，通常是噴水冷卻。經(jīng)過表面淬火的零件，表面具有很高的硬度和耐磨性，而芯部仍然保持原來韌性比較好的組織。表面淬火的材料一般用中碳鋼或中碳合金鋼。淬硬層深度在2~6mm適用中小型零件以及大型重載荷受沖擊等零件。6.化學熱處理滲碳是向零件表層滲入碳原子的過程，滲碳層厚度為0.4～1.6mm。

滲碳材料一般用低碳鋼或低碳合金鋼。零件經(jīng)滲碳后表面為高碳組織具有很高的硬度和耐磨性。而芯部為低碳組織，保持原有的韌性。常用于處理汽車、拖拉機中的齒輪、凸輪等?！?－6公差與配合一、公差機器是由零件裝配而成的。大批量生產(chǎn)要求零件具有互換性。這樣在裝配時可以不加選擇和附加加工，就能達到預期的技術要求。為了實現(xiàn)零件的互換性，必須保證零件的尺寸、幾何形狀和相互位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做的絕對精確，但必須使尺寸介于兩個允許的極限尺寸之間，這兩個極限尺寸之差稱為公差。

現(xiàn)以孔與軸為例簡單介紹公差與配合。如圖所示：設計給定的尺寸稱為基本尺寸。零線代表基本尺寸的位置。由代表上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶。在國家標準中，公差帶包括“公差帶大小”與“公差帶位置”兩個參數(shù)。公差帶大小由標準公差確定，公差帶位置由基本偏差確定。

例如f8－表示軸的公差帶代號，軸的基本偏差代號f。標準公差IT8公差等級8級，

國家標準規(guī)定孔與軸的公差帶位置各有28個，分別用大小寫字母表示。還規(guī)定了20個公差等級，用阿拉伯數(shù)字表示。

例如：H7表示孔的公差帶代號，基本偏差代號為H，標準公差IT7公差等級。機械制造中常用的公差等級是4～11級。從機械設計手冊查。

二、配合

同一基本尺寸的孔與軸裝配在一起稱為配合。

根據(jù)公差帶的相對位置，配合分為：間隙配合——孔比軸大，用于可動聯(lián)接。過盈配合——孔比軸小，用于靜聯(lián)接。過渡配合——可能具有間隙，也可能具有過盈，用于要求具有良好的同軸性而又便于裝拆的靜連接。

配合制度有基孔制和基軸制。

基孔制——孔是基準孔，下偏差為零，代號H。它的各種配合特性是改變軸的公差帶來實現(xiàn)的（9－11）。

基軸制——軸是基準軸，上偏差為零，代號h。各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實現(xiàn)的。

例1：Φ28f7查表：上偏差－20μm下偏差－41μm查表方法：先查Φ28標準公差IT7=21μm；再查Φ28基本偏差f的上偏差es=－20μm然后計算下偏差ei=es-IT=-20-21=-41得到上偏差－20μm下偏差－41μm

復習機械制圖。例2：

二、學習指導

9－6機械零件的制造工藝性及標準化－、機械零件的工藝性零件的工藝性是指在既定的生產(chǎn)條件和規(guī)模下，能用較少的勞動和較低的成本把零件制造和裝配出來。為此，設計者必須了解零件的制造工藝，能從材料選擇、毛坯制造、機械加工、裝配以及維修等環(huán)節(jié)考慮有關的工藝問題。1.毛坯選擇合理2.結構簡單合理3.規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙?/p>

二、機械設計中的標準化

零件的標準化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化是我國實行的一項重要的技術經(jīng)濟政策。標準化的意義在于：減輕設計工作量，有利于把主要精力用于關鍵零部件的創(chuàng)新設計；可安排專門工廠集中生產(chǎn)標準零部件有利于降低成本，提高互換性；有利于改進和提高產(chǎn)品質量，擴大和開發(fā)新產(chǎn)品，便于修理和更換。

我國現(xiàn)行標準分為國家標準（GB）、部頒標準如JB和企業(yè)標準三級。出口產(chǎn)品應采用國際標準（ISO）。

四、復習題1．是非題⑴受靜載荷作用的零件中產(chǎn)生的應力稱為靜應力-----------()⑵零件本身重量在零件中產(chǎn)生的應力，因為重力的方向是一定的，所以產(chǎn)生的應力都是靜應力----