九機械零件設計概論

第九章機械零件設計概論9.1機械設計的基本要求和一般設計程序9.2機械零件的主要失效形式和工作能力9.3機械零件的設計準則和一般設計步驟9.4機械零件的材料及選擇9.5摩擦、磨損與潤滑9.6機械零件的結(jié)構(gòu)工藝性及標準化9.1機械設計的基本要求和一般設計程序9.1.1機械設計的基本要求9.2.2

機械設計的一般設計程序

機械設計應滿足的基本要求：①功能要求②可靠性與安全性要求③經(jīng)濟性要求④社會性要求⑤其它特殊要求。

在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。產(chǎn)品規(guī)劃概念設計構(gòu)形設計編制技術文件技術審定和產(chǎn)品鑒定9.2機械零件的主要失效形式和工作能力零件的失效形式:①斷裂;②過大的彈性變形或塑性變形;③工作表面損傷失效（腐蝕、磨損和接觸疲勞）；④發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。失效并不簡單地等同于零件的破壞。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為9.2.1機械零件的主要失效形式機械零件的失效：機械零件喪失工作能力或達不到設計要求性能時，稱為失效。對于各種不同的失效形式，也各有相應的工作能力判定條件強度條件：計算應力<許用應力；防止失效的判定條件是：計算量<許用量----工作能力計算準則。失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。剛度條件：變形量<許用變形量；一、基本概念1.載荷（load）作用在零件上的外力公稱載荷（nominalload）按理論力學方法計算出來的載荷用Fn、Mn、Tn表示計算載荷（calculatedload）考慮動力參數(shù)、工作阻力的變動而計算出的載荷用Fca、Mca、Tca表示K—載荷系數(shù)（工況系數(shù)）2.應力（stress）工作應力（workingstress）按材料力學公式求出的作用在零件剖面上的應力計算應力（calculatedstress）按一定的強度理論求出的與單向拉伸同等作用的應力許用應力（allowablestress）材料某個機械性能極限值計算應力允許達到的最大值極限應力（ultimatestress）

3.安全系數(shù)（safetyfactor）安全系數(shù)極限應力與許用應力的比值安全系數(shù)計算值極限應力與計算應力的比值引入安全系數(shù)的原因：①

應力計算時的載荷不精確性；②

力學模型與實際狀況的差異；③

材料機械性能的不均勻性；④

零件使用場合的重要性?！軸一、應力的種類otσσ=常數(shù)脈動循環(huán)變應力r=0靜應力:σ=常數(shù)變應力:σ隨時間變化平均應力:應力幅:循環(huán)變應力變應力的循環(huán)特性:對稱循環(huán)變應力r=-1----脈動循環(huán)變應力----對稱循環(huán)變應力-1=0+1----靜應力σmaxσmTσmaxσminσaσaσmotσσmaxσminσaσaotσotσσaσaσminr=+1靜應力是變應力的特例9.2.2材料的疲勞特性-1≤r≤+1例1已知：

max=200N/mm2，r=－0.5，求：

min、

a、

m。解：

a0t

max

m

min20050-100

a10注意：靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生t0σa靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料，取屈服極限σS作為極限應力,許用應力為：脆性材料：取強度極限σB作為極限應力,許用應力為：變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。▲疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低;▲

疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;▲

疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。不管脆性材料或塑性材料，▲零件表層產(chǎn)生微小裂紋；疲勞斷裂過程：▲隨著循環(huán)次數(shù)增加，微裂紋逐漸擴展；▲當剩余材料不足以承受載荷時，突然脆性斷裂。疲勞斷裂是與應力循環(huán)次數(shù)(即使用壽命)有關的斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：▲

斷裂面累積損傷處表面光滑，而折斷區(qū)表面粗糙。表面光滑表面粗糙1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當N>N0以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。應力σ與應力循環(huán)次數(shù)N之間的關系曲線稱為：疲勞曲線當N>N0

時,試件將不會斷裂。N0----循環(huán)基數(shù)N0對應的應力稱為：當N<N0時,有近似公式：對應于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應力下的彎曲疲勞極限。2、許用應力

在變應力，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當應力是對稱循環(huán)變化時，許用應力為：當應力是脈動循環(huán)變化時，許用應力為：σ0

為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：3、安全系數(shù)

安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1）靜應力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機械的S可通過查表求得。無表可查時，按以下原則?。骸慵叽绱?，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準時取：S=1.7～2.5初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋接觸應力

若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。如齒輪、凸輪、滾動軸承等。機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力。裂紋的擴展與斷裂油失效形式常表現(xiàn)為：疲勞點蝕金屬剝落出現(xiàn)小坑后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。由彈性力學可知，應力為：對于鋼或鑄鐵取泊松比：

μ1=μ2=μ=0.3,則有簡化公式。上述公式稱為赫茲(H·Hertz)公式

“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。σHσHρ2bρ1ρ1Fnbρ2σHσHFnσH-------最大接觸應力或赫茲應力;b-------接觸長度;Fn

-------作用在圓柱體上的載荷;-----綜合曲率半徑;-----綜合彈性模量;E1、

E2

分別為兩圓柱體的彈性模量。接觸疲勞強度的判定條件為：bFn9.3機械零件的設計準則和一般設計步驟

9.3.1零件的設計計算準則強度準則剛度準則耐磨性準則抗振穩(wěn)定性準則或耐熱性準則可靠性準則1.15f<fp(1)確定零件的計算簡圖。

(2)根據(jù)機器的工作要求和簡化的計算方案確定作用在零件上的載荷。

(3)根據(jù)零件工作情況的分析，選擇合適的材料。

(4)分析零件的可能失效形式，選定相應的設計準則進行有關計算，確定零件的形狀和主要尺寸。應當注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終的采用值，設計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整。

(5)繪制零件工作圖，制訂技術要求，編寫計算說明書及有關技術文件。2.3.2一般設計步驟9.4機械零件材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%鐵碳合金特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應用：應用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。表2-1

常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應充分我國資源豐富

3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應用：應用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。

3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術經(jīng)濟問題設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學、機械工藝性能、經(jīng)濟性。零件材料各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。為了材料供應和生產(chǎn)管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。表9-2常用鋼鐵材料的牌號及力學性能材料力學性能試件尺寸類別牌號強度極限σB

屈服極限σS

延伸率%mmQ215335-41021531碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018鑄鋼ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰鑄鐵HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨鑄鐵QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200▲載荷及應力的大小和性質(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▲零件的尺寸及重量三、機械零件材料的選用原則

適用于制作機械零件的材料種類非常之多，在設計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復雜的工作。設計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。

選材的一般原則脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；1.載荷及應力的大小和性質(zhì)2.零件的工作情況--指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度等。這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，應在充分了解材料的機械性能的前提下來進行選擇。

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。對于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。塑性材料----適用于在有沖擊情況下工作的零件?！跐駸岘h(huán)境下工作的零件，其材料應具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。

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。3.零件的尺寸及重量▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過大，一面在溫度變化時產(chǎn)生過大熱應力或使配合松動，另一方面要考慮材料機械性能隨溫度而變化的情況。▲零件在工作中可能發(fā)生磨損的表面，應提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼。▲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，則須注意鍛壓機械及設備的生產(chǎn)能力?！鴳M可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量?！?/p>

材料的加工費用;4.材料的經(jīng)濟性選材時還應考慮到當時當?shù)夭牧系墓獱顩r。為了簡化供應和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。5.材料的供應狀況材料的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

▲材料本身的相對價格;▲

材料的利用率;▲

采用組合結(jié)構(gòu);▲

節(jié)約稀有材料。

各種材料的化學成分和力學性能可在相關國標、行標和機械設計手冊中查得。

為了材料供應和生產(chǎn)管理上的方便，應盡量減少一臺機器所用材料的品種。9.5摩擦、磨損與潤滑摩擦學----研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關系的理論與應用的一門邊緣學科?！?/p>

摩擦--相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；▲

磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；▲

潤滑--減輕摩擦和磨損所應采取的措施。關于摩擦、磨損與潤滑的學科構(gòu)成了摩擦學(Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。

機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。隨著科學技術的發(fā)展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領域。1.干摩擦固體表面直接接觸，因而不用許出現(xiàn)干摩擦！2.邊界摩擦→功耗↑磨損↑溫度↑→燒毀軸瓦運動副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面分開，其表面微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3v有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開，彼此不直接接觸。3.液體摩擦摩擦和磨損極輕，f≈0.001~0.01vvv9.5.1摩擦機器的壽命磨損—由于摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損曲線磨合階段磨損量時間劇烈磨損階段

穩(wěn)定磨損階段9.5.2磨損磨損過程大致如圖所示：▲磨合階段----包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個過程?！€(wěn)定磨損階段----零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損。它標志著磨擦條件相對穩(wěn)定?！鴦×夷p階段----在經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運動副間隙增大引起而外的動載荷和振動。零件即將進入報廢階段。后果—降低機器的效率和可靠性，甚至促使機器提前報廢。

設計機器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推遲劇烈磨損期的到來。它是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個壽命周期內(nèi)時間很短。磨粒磨損

磨損的分類：疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型

按磨損機理分按磨損表面外觀可分為點蝕磨損膠合磨損擦傷磨損兩種不同的稱謂

磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：磨粒磨損—也簡稱磨損，外部進入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就叫磨粒磨損。潘存云教授研制

磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：粘附磨損—也稱膠合，當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘附磨損。嚴重的粘附磨損會造成運動副咬死。潘存云教授研制

磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：疲勞磨損—也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的機械磨損。點蝕過程：產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴展→微粒脫落，形成點蝕坑。

潘存云教授研制

磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損

磨損類型：腐蝕磨損—當摩擦表面材料在環(huán)境的化學或電化學作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。9.5.3潤滑潤滑是減小摩擦、降低或避免磨損的最有效的技術方法。潤滑劑潤滑劑可分為氣體、液體、半固體和固體四種基本類型。1.潤滑油2.潤滑脂衡量潤滑油的主要指標有：粘度(動力粘度和運動粘度)、粘度指數(shù)、閃點和傾點等。衡量潤滑脂的指標是錐入度和滴度。

潤滑方法

油潤滑的方法：1.手工加油潤滑

2.滴油潤滑3.油環(huán)潤滑4.飛濺潤滑5.壓力循環(huán)潤滑

脂潤滑的方法：潤滑脂的加脂方式有人工加脂、脂杯加脂、脂槍加脂。潤滑裝置1.油杯針閥式油杯旋蓋式油杯脂用壓注式油杯彈簧蓋油杯2.油環(huán)

§機械零件的工藝性及標準化1何為工藝性？所設計的零件便于加工且加工費用低

對產(chǎn)品的品種、規(guī)格、質(zhì)量、檢驗等制訂標準并加以實施。1）產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化：2）零部件的通用化：3）產(chǎn)品質(zhì)量標準化：2、標準化標準化的意義：在制造上可實行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可降低成本；在設計方面可減小設計工作量；在管理維修方面，可減小庫存和便于更換損壞的零件。第二章機械零件的疲勞強度計算（習題）一、選擇題1、機械設計課程研究的內(nèi)容只限于

。（1）專用零件和部件；（2）在高速、高壓、環(huán)境溫度過高或過低等特殊條件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件；（3）在普通工作條件下工作的一般參數(shù)的通用零件和部件；（4）標準化的零件和部件。2、下列四種敘述中

是正確的。（