第九章機械零件設(shè)計概論

第九章機械零件設(shè)計概論機械零件設(shè)計概述機械零件的強度機械零件的耐磨性機械制造常用材料及其選擇公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系本章主要內(nèi)容：§9-1機械零件設(shè)計概述一、基本概念二、機械零件主要的失效形式三、設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求四、機械零件設(shè)計的一般準則五、機械零件設(shè)計方法六、機械零件設(shè)計的一般步驟主要內(nèi)容基本概念失效：機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。工作能力：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。通常是對載荷而言的，又稱為承載能力。1.失效和工作能力2.基本概念回顧（1）強度：構(gòu)件抵抗破壞的能力。（2）剛度：構(gòu)件抵抗變形的能力。（3）穩(wěn)定性：構(gòu)件在載荷作用下保持原有平衡狀態(tài)的能力（4）應(yīng)變：單位長度的伸長或縮短稱為線應(yīng)變，角度的變化稱為剪應(yīng)變，是度量一點處變形程度的兩個基本量，無量綱（5）應(yīng)力：某一截面內(nèi)某一點的內(nèi)力稱為該點的應(yīng)力。應(yīng)力垂直于截面的分量稱為正應(yīng)力σ；切于截面的分量稱為剪應(yīng)力τ。(MPa)（6）屈服極限σs、強度極限σb（

MPa）（7）彈性模量E：σ=Eε（

MPa）機械零件的主要失效形式機械零件常見的失效形式有：整體斷裂、過大的殘余變形、零件的表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效等。（一）整體斷裂整體斷裂是指零件在載荷作用下，其危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限而導(dǎo)致的斷裂，或在變應(yīng)力作用下，危險截面發(fā)生的疲勞斷裂。齒輪輪齒斷裂軸承內(nèi)圈斷裂機械零件的主要失效形式（二）過大的殘余變形當作用于零件上的應(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械零件的主要失效形式（三）零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞（點蝕）。軸瓦磨損齒面接觸疲勞機械零件的主要失效形式（四）破壞正常工作條件引起的失效有些零件只有在一定的工作條件下才能正常的工作，如：

液體摩擦的滑動軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常工作，否則會引起膠合或磨損。

帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作，否則會發(fā)生打滑。高速轉(zhuǎn)動的零件，只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當?shù)拈g隔才能正常工作，否則會引起共振。零件在工作時會發(fā)生哪一種失效，這與零件的工作環(huán)境、載荷性質(zhì)等很多因素有關(guān)。有統(tǒng)計結(jié)果表明，一般機械零件的失效主要是由于疲勞、磨損、腐蝕等因素引起。對絕大多數(shù)零件來說，都應(yīng)當力求減小其質(zhì)量。減小質(zhì)量有兩方面的好處：一方面可以節(jié)約材料；另一方面，對于運動零件來說，可以減小慣性，改善機器的動力性能。為了減小質(zhì)量，可采取如下措施：采用緩沖裝置來降低零件上所受的沖擊載荷；采用安全裝置來限制作用在主要零件上的最大載荷；從零件上應(yīng)力較小處消減部分材料，以改善零件受力的均勻性，從而提高材料的利用率；采用與工作載荷相反方向的預(yù)載荷，以降低零件上的工作載荷；采用輕型薄壁的沖壓件或焊接件來代替鑄、鍛零件，以及采用強重比高的材料等。

設(shè)計機械零件時應(yīng)滿足的基本要求(一)避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求

1.強度(三)經(jīng)濟性要求(五)可靠性的要求(二)零件的結(jié)構(gòu)工藝性要求零件在工作中發(fā)生斷裂或不允許的殘余變形統(tǒng)屬于強度不足。上述失效形式，除了用于安全裝置中預(yù)定適時破壞的零件外，對任何零件都是應(yīng)當避免的。因此具有適當?shù)膹姸仁窃O(shè)計零件時必須要滿足的基本條件。為了提高機械零件的強度，在設(shè)計時原則上可以采用以下措施：采用強度高的材料，使零件具有足夠的截面尺寸；合理地設(shè)計零件的截面形狀，以增大截面的慣性矩；采用熱處理和化學(xué)熱處理方法，以提高材料的機械強度特性；提高運動零件的制造精度，以降低工作時的動載荷；合理地配置機器中各零件的相互位置，以降低作用于零件上的載荷。

2.剛度3.壽命零件在工作時所產(chǎn)生的彈性變形不超過允許的限度，就叫做滿足了剛度要求。顯然，只有當彈性變形過大就要影響機器工作性能的零件，才需要滿足這項要求。對于這類零件，設(shè)計時除了要做強度計算外，還必須作剛度計算。為了提高零件的整體剛度，可采用如下措施：增大零件截面尺寸或增大截面的慣性矩；縮短支承跨距或采用多支點結(jié)構(gòu)，以減小撓曲變形。

有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求，但在工作一定時間后，卻可能由于某些原因失效。這個零件正常動作延續(xù)的時間就叫做零件的壽命。影響零件壽命的主要原因有：材料的疲勞，材料的腐蝕以及相對運動零件接觸表面的磨損三個方面。大部分機械零件均在變應(yīng)力條件下工作，因而疲勞破壞是引起零件失效的主要原因。近代對零件進行精確的強度計算時，都要考慮到零件材料的疲勞問題。影響零件材料疲勞強度的主要因素是：應(yīng)力集中、零件尺寸大小、零件表面品質(zhì)及環(huán)境狀況。在設(shè)計零件時，應(yīng)努力從這幾方面采取措施，以提高零件抵抗疲勞破壞的能力。零件處于腐蝕性介質(zhì)中工作時，就可能使材料遭受腐蝕。對于這些零件，應(yīng)選用耐腐蝕材料或采用各種防腐蝕的表面保護，例如發(fā)藍、表面鍍層、噴涂漆膜及表面陽極化處理等，以提高零件的耐腐蝕性能。

零件具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性是指在既定的生產(chǎn)條件下，能夠方便而經(jīng)濟地生產(chǎn)出來，并便于裝配成機器這一特性。所以零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)從毛坯制造、機械加工過程及裝配等幾個環(huán)節(jié)加以綜合考慮。工藝性是和機器生產(chǎn)批量大小及具體的生產(chǎn)條件相關(guān)的。為了改善零件的工藝性，就應(yīng)當熟悉當前的生產(chǎn)水平及條件。對零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性影響的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，在整個設(shè)計工作中占有很大的比重，因而必須予以足夠重視。

零件的經(jīng)濟性首先表現(xiàn)在零件本身的生產(chǎn)成本上。要降低零件的成本，首先要降低材料消耗；采用少余量或無余量的毛坯或簡化零件結(jié)構(gòu)，以減少加工工時。工藝性良好的結(jié)構(gòu)就意味著加工及裝配費用低，所以工藝性對經(jīng)濟性有著直接的影響。采用廉價而供應(yīng)充足的材料以代替貴重材料；對于大型零件采用組合結(jié)構(gòu)以代替整體結(jié)構(gòu)，都可以在降低材料費用方面起到積極的作用。另外盡可能采用標準化的零部件就可在經(jīng)濟性方面取得很大效益。

(四)質(zhì)量小的要求零件的可靠度的定義與機器可靠度的定義是相同的，即在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定環(huán)境條件下，零件能夠正常地完成其功能的概率。對于絕大多數(shù)機械來說，失效的發(fā)生都是隨機性的。因此，為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當在工作條件和零件的性能兩個方面使其隨機變化盡可能地小。此外，在使用中加強維護和對工作條件進行監(jiān)測，也可以提高零件的可靠性。

強度準則：

剛度準則設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準則：

壽命準則

振動穩(wěn)定性準則

可靠性準則確保零件不發(fā)生斷裂破壞或過大的塑性變形，是最基的設(shè)計準則。：確保零件不發(fā)生過大的彈性變形。：通常與零件的疲勞、磨損、腐蝕相關(guān)。：高速運轉(zhuǎn)機械的設(shè)計應(yīng)注重此項準則。：當計及隨機因素影響時，仍應(yīng)確保上述各項準則。機械零件的設(shè)計準則機械零件的設(shè)計方法

理論設(shè)計

經(jīng)驗設(shè)計

模型實驗設(shè)計機械零件的設(shè)計方法通常分為常規(guī)設(shè)計方法和現(xiàn)代設(shè)計方法兩大類?，F(xiàn)代設(shè)計方法是指在近二、三十年發(fā)展起來的更為完善、科學(xué)、計算精度高、設(shè)計與計算速度更快的機械設(shè)計方法。如機械優(yōu)化設(shè)計、機械可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、魯棒設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計等等。常規(guī)設(shè)計方法是指采用一定的理論分析和計算，結(jié)合人們在長期的設(shè)計和生產(chǎn)實踐中總結(jié)出的方法、公式、圖表等進行設(shè)計的方法。它又可分為：機械零件設(shè)計的一般步驟選擇零件類型、結(jié)構(gòu)機械零件的設(shè)計一般要經(jīng)過以下幾個步驟：計算零件上的載荷確定計算準則選擇零件的材料確定零件的基本尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計校核計算畫出零件工作圖寫出計算說明書§9-2機械零件的強度一、名義載荷和計算載荷在理想平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷。機器運轉(zhuǎn)過程中會受到各種附加載荷的作用，考慮這些因素的影響，實際計算過程中用名義載荷乘系數(shù)的方法來粗略代替零件所承受的載荷，稱為計算載荷，引入的系數(shù)稱為載荷系數(shù),用K表示。二、應(yīng)力的種類三、強度準則確保零件不發(fā)生斷裂和過大塑性變形的條件。是指零件中的應(yīng)力不得超過零件材料的許用應(yīng)力。在簡單應(yīng)力條件下，強度條件為：σ≤［σ］，［σ］＝σlim／Sτ≤［τ］，［τ］＝τlim／S其中σlim、τlim為材料的極限正應(yīng)力和切應(yīng)力；S為安全系數(shù)。靜應(yīng)力作用下，對于塑性材料σlim＝σS（屈服極限）對于脆性材料σlim＝σB（強度極限）下一頁應(yīng)力的描述和類型一、應(yīng)力的描述和類型sm─平均應(yīng)力；sa─應(yīng)力幅值smax─最大應(yīng)力；smin─最小應(yīng)力r─應(yīng)力比（循環(huán)特性）描述規(guī)律性的交變應(yīng)力可有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。r=－1對稱循環(huán)變應(yīng)力r=0脈動循環(huán)變應(yīng)力r=1靜應(yīng)力返回四、變應(yīng)力下零件失效形式和許用應(yīng)力1.變應(yīng)力條件零件的失效形式變應(yīng)力條件下零件的主要失效形式為疲勞斷裂。其特點為：（1）疲勞斷裂最大應(yīng)力遠小于靜應(yīng)力下的強度極限，甚至低于屈服極限；（2）其斷口表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性斷裂；分為明顯的兩個區(qū)域。（3）疲勞斷裂是損傷的積累（疲勞），與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)，源于零件表面或表層的微裂紋。2.疲勞曲線（s－N曲線）應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。疲勞曲線是用標準試件進行疲勞試驗得到的。試件經(jīng)過一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不發(fā)生疲勞的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，用σrN表示，對稱循環(huán)變應(yīng)力下的彎曲疲勞極限用σ－1表示。σNN0σ－1Nσ－1

對于大部分中、低碳鋼當N≥N0時，試件的疲勞極限不再隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而降低，N0稱為循環(huán)基數(shù)(通常為107），對應(yīng)疲勞極限用σr表示。機械零件的疲勞大多發(fā)生在N0之前，曲線可用下式描述：對于對稱循環(huán)變應(yīng)力，則有：有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限srN的關(guān)系為：s－N疲勞曲線疲勞曲線σNN0σ－1Nσ－1Nm稱為壽命指數(shù)，對于鋼受拉、彎和切應(yīng)力時m=9，接觸應(yīng)力m=6,青銅受彎m=9，接觸應(yīng)力m=8變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力條件下應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力，但因為材料疲勞極限是使用標準試件進行疲勞試驗得出來的，因此對零件進行疲勞設(shè)計時，還要考慮零件的實際狀況，尤其是零件的應(yīng)力集中、尺寸大小和表面質(zhì)量對材料的影響。因此引入有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β。對于對稱循環(huán)變應(yīng)力：強度條件：σ≤［σ］，［σ］＝σlim／S對于脈動循環(huán)變應(yīng)力：五、安全系數(shù)查表法,也可按照P117原則選擇安全系數(shù),部分系數(shù)法無限壽命零件的許用應(yīng)力§9-4機械零件的耐磨性選取減磨性和耐磨性好的材料，降低零件的表面粗糙度，充分潤滑，改善密封等。2.機械中磨損的主要類型：磨粒磨損粘著磨損（膠合）疲勞磨損（點蝕）腐蝕磨損磨損量q時間t磨合磨損階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段工況惡劣磨損過程3.耐磨性計算：1.基本概念磨損影響因素很多，除疲勞磨損外，尚無可靠的計算方法。實用的耐磨性計算是限制摩擦副的壓強p，當摩擦表面相對速度較高時為了控制摩擦表面的發(fā)熱量，還要限制摩擦副的pv值。即：p≤[p]pv≤[pv]3.提高耐磨性的措施：磨損：運動副中摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。耐磨性：零件的抗磨損能力稱為耐磨性?！?-5機械制造常用材料及其選擇鋼碳素鋼合金結(jié)構(gòu)鋼中碳鋼低碳鋼高碳鋼強度極限和屈服極限低,塑性好,適用于沖壓,焊接加工,C%≤0.25%綜合力學(xué)性能好，常用于制造螺栓、螺母、齒輪、鍵和軸等具有很高的強度和彈性,常用于制造彈簧、鋼絲繩、銼,C%≥0.60%碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼不保證化學(xué)成分，不能熱處理用于受力不大且基本上承受靜載荷的一般零件牌號用鋼的屈服強度表示如Q235、Q255鎳能提高強度而不降低鋼的韌性；鉻能提高硬度、高溫強度、耐腐蝕性和提高高碳鋼的耐磨性；錳能提高鋼的耐磨性、強度和韌性；鉬比錳的影響更大；釩能提高韌性及強度；硅可提高彈性極限和耐磨性，但降低韌性，合金鋼的性能不僅取決于化學(xué)成分，更大程度取決于熱處理。牌號用鋼中平均碳的體積分數(shù)的的兩位數(shù)后加注主要合金元素符號及其含量數(shù)字，合金元素含量≤1.5%不用標注數(shù)字鑄鋼主要用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承受重載荷，力學(xué)性能要求較高的情況下，如大型齒輪，水輪機葉片等。牌號用“ZG”后加注兩組數(shù)字，如ZG310-570,表示屈服點為310Mpa，抗拉強度為570MPa機械制造常用材料及其選擇鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵切削性能好，不易受沖擊載荷，常用于制造受壓狀態(tài)下工作的零件牌號用“HT”后加注表示抗拉強度的數(shù)字,如HT200，抗拉強度為200MPa力學(xué)性能顯著提高，制造工藝復(fù)雜，牌號用“QT”后加注兩組數(shù)字，如QT400-15,表示抗拉強度的抗拉強度為400Mpa,伸長率為15%銅合金黃銅青銅Zn較高的耐腐蝕性鋁錫鉛減摩性、耐磨性、導(dǎo)熱性好，常用來制造蝸輪、對開螺母、滑動軸承中軸瓦耐磨性、耐腐蝕性好，制造蝸輪和腐蝕條件下齒輪導(dǎo)熱性和抗疲勞強度高，制造高速、重載的滑動軸承的軸瓦高分子材料復(fù)合材料陶瓷：塑料、橡膠、合成纖維：強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石：強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕非金屬材料二、機械零件材料的選用原則載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì)零件的工作情況零件的結(jié)構(gòu)及加工性材料的經(jīng)濟性零件的尺寸及重量從強度的觀點來考慮應(yīng)在充分了解材料的機械性能的前提下來進行選擇；脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件。在有些沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料；金屬材料的性能一般可以通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。零件的工作情況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損的程度等。在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)有良好的防銹和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼、銅合金等；工作溫度對材料的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料和線膨脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，或者配合松動；另一方面要考慮材料的機械性能隨溫度而變化的情況。零件在工作中有可能發(fā)生磨損之處，要提高其表面硬度，以增加耐磨性。應(yīng)選擇適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。

零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時，則需注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，應(yīng)盡可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件易選用鑄造毛坯，或用板材壓出元件后再經(jīng)焊接而成。結(jié)構(gòu)簡單的零件可用鍛造法制取毛坯。對材料工藝性的了解，在判斷加工可能性方面起著重要作用。材料經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）材料本身的相對價格；（2）材料的加工費用；（3）材料的利用率；（4）采用組合結(jié)構(gòu)，節(jié)約貴重金屬；（5）節(jié)約稀有材料(6)材料的供應(yīng)情況(Cr,Ni國內(nèi)較貧乏，硅、錳、釩類較豐富)材料的工藝性比較鑄造性能。金屬材料中，各種鑄鐵、鑄鋼、鑄造鋁合金和銅合金鑄造性能較好，后兩種鑄造性能優(yōu)于前兩種，鑄鐵優(yōu)于鑄鋼。

鍛造性能。按熱鍛性能比較，低碳鋼最好，中碳鋼次之，高碳鋼最次。低合金鋼可鍛性近于中碳鋼，高合金鋼較差，鋁合金可鍛性差，銅合金可鍛性一般較好。

焊接性能：低碳鋼和含碳量低于0.18％的合金鋼焊接性能較好，含碳量大于0.45％的碳鋼和含碳量大于0.35％的合金鋼焊接性能較差，含碳量和合金元素越多的材料，焊接性能越差，銅和鋁的合金焊接性較差，鑄鐵最差。切削加工性能。一般銅、鋁合金切削性較好，含碳量越高的鋼，切削性越差，合金鋼的切削性也較差，一般需先進行熱處理。

熱處理工藝性。鋼的熱處理性能較好，合金鋼更好，鋁合金熱處理要求嚴格，銅合金只有少數(shù)幾種可通過熱處理強化。

§9-6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系一、基本概念標準化：是指制定和貫徹技術(shù)標準。（簡化、統(tǒng)一、優(yōu)選、協(xié)調(diào)）互換性：是指按規(guī)定的技術(shù)條件和要求（主要是幾何精度要求）來分別制造機械產(chǎn)品的各組成部分和零件，使其在裝配和更換時，不需任何挑選、輔助加工和修配，就能順利裝入整機中的預(yù)定位置，并能滿足使用性能要求。公差：實際生產(chǎn)中，將零件的有關(guān)參數(shù)的量值限制在一定的能滿足使用性能要求的范圍之內(nèi)，這個允許參數(shù)量值的變動范圍叫做公差，公差是兩個極限尺寸之差?；境叽纾涸O(shè)計給定的尺寸叫做基本尺寸。（計算或經(jīng)驗公式得出）公差帶：以基本尺寸為零線位置，由上