1、DOC.第9章機械零件設計概論9.1機械零件設計概述機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。在不發生失效的條件下， 零件所能安全工作的限度，稱為工作能力。通常此限度對載荷而言，所以習慣上又稱為承載能力。零件的失效可能由于：斷裂或塑性變形；過大的彈性變形；工作外表的過度磨損或損傷；發生強烈的振動；聯接的松弛；摩擦傳動的打滑等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，但歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩 定性和溫度的影響等幾個方面的問題。對于各種不同的失效形式，相應地有各種工作能力判定條件。設計機械零件時，常根據一個或幾個可能發生的主要失效形式，運用相應的判定條件， 確定零件的形狀和主要尺寸

2、。機械零件的設計常按以下步驟進展：1）擬定零件的計算簡圖。2）確定作用在零件上的載荷。3）選擇適宜白材料。4）根據零件可能出現的失效形式，選用相應的判定條件， 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采用的數值，設計者還要根據制 造零件的工藝要求和標準、規格加以圓整。5）繪制工作圖并標注必要的技術條件。以上所述為設計計算。在實際工作中，也常采用相反的方式一一校核計算，這時先參照實物或圖紙和經驗數據，初步擬定零件的結構和尺寸，然后再用有關的判定條件進展驗算。還應注意，在一般機器中，只有一局部零件是通過計算確定其形狀和尺寸的，而其余的零件那么僅根據工藝要求和結構要求進展設

3、計。9.2 機械零件的強度在理想的平穩工作條件下作用在零件上的載荷稱為名義載荷。然而在機器運轉時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入載荷系數K有時只考慮工作情況的影響，那么用工作情況系數KA的方法來估計這些因素的影響。載荷系數與名義載荷的的乘積，稱為計算載荷。按照名義載荷用力學公式求得的應力，當機械零件按強度條件判定時,稱為名義應力，按照計算載荷求得的應力， 稱為計算應力。比擬危險截面處的計算應力 八°是否小于零件材料的許用應力（山、。）。即材料的極限應力一般都是在簡單應力狀態下用實驗方法測出的。對于在簡單應力狀態下工作的零件，可直接按式（91）進展計算；對于在復雜應力狀態下的零件

4、， 那么應根據材料力學 中所述的強度理論確定其強度條件。許用應力取決于應力的種類、零件材料的極限應力和安全系數等。9.2.1 應力的種類按照隨時間變化的情況，應力可分為靜應力和變應力。不隨時間變化的應力，稱為靜應力圖9-1 a，純粹的靜應力是沒有的，但如變化緩慢，就可看作是靜應力。例如，鍋爐的內壓力所引起的應力，擰緊螺母所引起的應力等。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變應力，圖9-1 b所示為般的非對稱循環變應力,T為應力循環周期。從圖 b可知平均應力max min 12卜 （9-2）應力幅max min2應力循環中的最小應力與最大應力之比，可用來表示變應力中的應力變化

5、的情況， 通常稱為變應力的循環特性，用 表示，即r 3-。max當（J- max= （T min時，循環特性= -l ,稱為對稱循環變應力圖 C，其CT a= CT max= - min, CT m=0o當（TmaxW 0、bmgO時，循環特性= 0,稱為脈動循環變應力圖 d，其（Ta=（7 max= 1/2 （T max。靜應力可看作變應力的特例，其（T max= （T min ,循環特性=+1。9.2.2 靜應力下的許用應力靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。 對于塑性材料，可按不發生塑性變形的條件進展計算。這時應取材料的屈服極限c作為極限應力，故許用應力為(9-3)對于用脆

6、性材料制成的零件，應取強度極限（TB作為極限應力，其許用應力為9-4對于組織均勻的脆性材料，如淬火后低溫回火的高強度鋼.還應考慮應力集中的影響.灰鑄鐵雖屬脆性材料，但由于本身有夾渣、 氣孔與石墨存在，其內部組織的不均勻性已遠大于外 部應力集中的影響，故計算時不考慮應力集中。表9-1列舉了一些常用鋼鐵材料的極限應力。9.2.3 變應力下的許用應力變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：1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；2不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂；3疲勞斷裂是損傷的積累，它的初期現象是在零開的截面積不

7、足以承受外載荷時，零件就突然斷裂。在零件的斷口上可以清晰地看到這種情況。1 .疲勞曲線由材料力學可知，表示應力（T與應力循環次數N之間的關系曲線稱為疲勞曲線。從大多數黑色金屬材料的疲勞試驗可知，當循環次數N超過某一數值 N）以后，曲線趨向水平，即可以認為在“無限次循環時試件將不會斷裂圖 9-3。N稱為循環基數，對應于N）的應力稱為材料的疲勞極限。通常用1表示材料在對稱循環變應力下的彎曲疲勞極限。m k I1 N0疲勞曲線的左半部 NN0，可近似地用以下方程式表示:9-5式中：1N為對應于循環次數 N的疲勞極限；C為常數；m為隨應力狀態而不同的哥指數，例如彎曲時n=9o從式9-5可求得對應于循環

8、次數N的彎曲疲勞極限m No、i n i m 9-6N2 .許用應力變應力下，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、絕對尺寸和外表狀態等影響，為此引入有效應力集中系數 k、尺寸系數和外表狀態系9-7數3等。當應力是對稱變化時，許用應力；19-8當應力是脈動循環變化時，許用應力為0式中：S為安全系數； 山為材料的脈動循環疲勞極限；k、 與B的數值可在材料力學或有關設計手冊中查得。以上所述為“無限壽命下零件的許用應力。假設零件在整個使用期限內，其循環總次數N小于循環基數N0時，可根據式9-6求得對應于 N的疲勞極限in。代入式9-7后，可得“有限壽命'&#

9、39;下零件的許用應力。由于 1N大于 1 ,故采用1N可得到較大的許用應力，從而減小零件的體積和重量。9.2.4 安全系數當沒有專門的表格時，可參考下述原那么選擇安全系數：(1) 靜應力下，塑性材料以屈服極限為極限應力。由于塑性材料可以緩和過大的局部應力，故可取安全系數 S=1.21.5 ;對于塑性較差的材料(如一 0.6)或鑄鋼彳可取 S=1.52.5。B(2) 靜應力下，脆性材料以強度極限為極限應力，這時應取較大的安全系數。例如，對于高強度鋼或鑄鐵件可取S=34。(3) 變應力下，以疲勞極限作為極限應力，可取 S= 1.31.7 ;假設材料不夠均勻、計算不夠準確時可取 S=1.72.59

10、.3 機械零件的接觸強度通常，零件受載時是在較大的體積內產生應力，這種應力狀態下的零件強度稱整體強度（如§9-2所述）。假設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，通常此面積甚小而外表產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，滾動軸承等機械零件， 都是通過很小的接觸面積傳遞載荷的， 因此 它們的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于外表的接觸強度。即蛇便用班裒典 也蓿的主彳Pv Pv9-13 圖9-7 疲勞點蝕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，首先在表層內約20 dm處產生初始疲勞裂紋

11、， 然后裂紋逐漸擴展 （如有潤滑油，那么被擠進裂紋中產生高壓，使裂紋加快擴展），終于使表層金屬呈小片狀剝落下來， 而在零件外表形成一些小坑 圖9-7。 這種現象稱為疲勞電蝕。 發生疲勞點蝕后，減小了接觸面積， 損壞了零件的光滑外表， 因而也 降低了承載能力，并引起振動和噪聲。疲勞點蝕常是齒輪、滾動軸承等零件的主要失效 2形式。由彈性力學的分析可知，當兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時圖9-8，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應力發生在接觸區中線上，其值為119-9Fn12b 11212EiE2111 1 11 c 1 與 212E1E2 E對于鋼或鑄鐵取泊松比1=2=0.3 ,那么上式可化簡

12、為9-10接觸疲勞強度的判定條件為HH limSH式中 H lim 為實驗測得的材料的接觸疲勞極限，對于鋼，其經驗公式為H lim2、76HBS70MPa假設兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。9.4 機械零件的耐磨性運動副中， 摩擦外表物質不斷損失的現象稱為磨損， 磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦外表狀態。 零件抗磨損的能力稱為耐磨性。 除非運動副摩擦外表為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否那么磨損總是難以防止的。 但是只要磨損速度穩定緩慢， 零件就能保持一定壽命。 所以， 在 預定使用期限內，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。出現劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械

13、的精度喪失，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。這時應立即停車檢修、更換零件。據統計，約有80 的損壞零件是因磨損而報廢的。可見研究零件耐磨性具有重要意義。磨損現象是相當復雜的， 有物理、 化學和機械等方面原因。 下面對機械中磨損的主要類型作一簡略介紹。1 磨粒磨損硬質顆粒或磨檫外表上硬的凸峰，在磨檫過程中引起的材料脫落現象稱為磨粒磨損。 硬質顆粒可能是零件本身磨損造成的金屬微粒， 也可能是外來的塵土雜質等。 摩擦面間的硬粒，能使外表材料脫落而留下溝紋。2 粘著磨損（ 膠合 ） 加工后的零件外表總有一定的粗糙度。摩擦外表受載時，實際上只有局部峰頂接觸，接觸處壓強很高，能使材料產生塑性流動這種現象稱

14、為粘著磨損膠合 。所謂材料轉移是指接觸外表擦傷和撕脫， 嚴重。 假設接觸處發生粘著， 滑動時會使接觸外表材料由一個外表轉移到另一個外表，時摩擦外表能相互咬死。3 . 疲勞磨損點蝕 在滾動或兼有滑動和滾動的高副中，如凸輪，齒輪等，受載時材料表層有很大的接觸應力， 當載荷重復作用時， 常會出現表層金屬呈小片狀剝落， 而在零件外表形成小坑，這種現象稱為疲勞磨損或點蝕。4 . 腐蝕磨損在摩擦過程中， 與周圍介質發生化學反響或電化學反響的磨損， 稱為腐蝕磨損。實用耐磨計算是限制運動副的壓強P,即：P P 9-12 式中 P 是由實驗或同類機器使用經驗確定的許用壓強。相對運動速度較高時， 還應考慮運動副單

15、位時間接觸面積的發熱量fpv 。 在摩檫系數一定的情況下，可將pv 值與許用 pv 值進展比擬，即9.5 機械制造常用材料與其選擇9.5.1 金屬材料1 鑄鐵鑄鐵和鋼都是鐵碳合金， 它們的區別主要在于含碳量的不同。 含碳量小于 2的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2%的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當的易熔性，良好的液態流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。2鋼與鑄鐵相比， 鋼具有高的強度、 韌性和塑性， 并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得，因此其應用極為廣泛。按照用途， 鋼可分為結構鋼， 工具鋼和特殊鋼。 結構鋼用于制造各種機械零件和工程結構的構件；工具

16、鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼 （ 如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等 ） 用于制造在特殊環境下工作的零件。 按照化學成分， 鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。 碳素鋼的性質主要取決于含碳量， 含碳量越高那么鋼的強度越高， 但塑性越低 為了改善鋼的性能， 特意 參加了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。 1 碳素結構鋼這類鋼的含碳量一般不超過0.7% 。含碳量低于0.25%的低碳鋼，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接，常用來制作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊接構件等。含碳量在0. 1%0. 2%勺低碳鋼還用以制作滲碳的零件，如齒輪、活塞銷、鏈輪等。通過滲碳淬火可使

17、零件外表硬而耐磨，心部韌而耐沖擊。如果要求有更高強度和耐沖擊性能時，可采用低碳合金鋼。含碳量在 0. 3%0. 5%勺中碳鋼，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓，螺母、鍵，齒輪和軸等零件。含碳量在0.55%0.7%的高碳鋼，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈簧，螺旋彈簧或鋼絲繩等。 2 合金結構鋼鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。例如：鎳能提高強度而不降低鋼的韌性；鉬的作用類似于錳， 其影響更大些； 釩能提高韌性與強度； 硅可提高彈性極限和耐磨性， 但會降低韌性。 合金元素對鋼的影響是很復雜的， 特別是當為了改善鋼的性能需要同時參加幾種

18、合金元素時。 應當注意， 合金鋼的優良性能不僅取決于化學成分， 而且在更大程度上取決于適當的熱處理。 3 鑄鋼鑄鋼的液態流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時，壁厚常不小于10mm鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡局部均應比鑄鐵件大些。選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格廉價供給充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優先選用我國資源豐富的硅、錳，硼、釩類合金鋼。例如，我國新頒布的齒輪減速器規X中，已采用35SiMn和ZG35SiMn等代替原用的35Cr、40CrNi等材料。3 銅合金銅合金有青銅和黃銅之分，黃銅是銅和鋅的合金，并含有少量的錳、鋁、鎳等，它具有很好的

19、塑性與流動性， 故可進展鍛壓和鑄造， 青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅類， 它們的減摩擦性和抗腐蝕性均較好，也可碾壓和鑄造。此外，還有軸承合金或稱巴氏合金 ，主要用于 制作滑動軸承的軸承襯。9.5.2 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、 摩擦系數大等， 所以近年來在機械制造中其應用日益廣泛。 以木屑、石棉纖維等作填充物， 用熱固性樹脂壓結而成的塑稱為結合塑料， 可用來制作

20、儀表支架、 手柄等受力不大的零件。 以布、 石棉、 薄木板等層狀填充物為基體， 用熱固性樹脂壓結而成的塑料稱為層壓塑料，可用來制作無聲齒輪、軸承襯和摩擦片等。此外，在機械制造中也常用到其他非金屬材料，如皮革、木材、紙扳、棉、絲等。設計機械零件時， 選擇適宜的材料是一項復雜的技術經濟問題。 設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、 化學、 機械和工藝性能以與經濟因素等進展全面考慮。 這就要求設計者在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經驗。前面所述，僅是一些概略的說明。9.6 公差與配合、外表粗糙度和優先數系9.6.1 公差與配合機器是由零件裝配而成的。 大規模生產要求零件具有互換性， 以

21、便在裝配時不需要選擇和附加加工，就能達到預期的技術要求。為了實現零件的互換性， 必須保證零件的尺寸、 幾何形狀和相對位置以與外表粗糙度的一致性。 就零件尺寸而言， 它不可能做得絕對準確， 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。 因此互換性要求建立標準化的公差與配合制度。 我國的公差與配合(GB800180379、GEy T180492)采用國際公差制，它既能適應于我國生產開展的需要，也有利于國際間的技術交流和經濟協作。孔，主要指圓柱形的內外表，也包括其他內外表，如鍵槽寬度。軸， 主要指圓柱形的外外表， 也包括其他外外表， 如與鍵槽相配合的鍵寬。 前者統稱為包容面，

22、后者統稱為被包容面。機械制造中最常用的公差等級是411級。4級、5級用于特別精細的零件。6級、7級、8級、9級用于工作速度中等它主要是加工后在零件外表留下的微細而Ra,它是指在取樣長度l內，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術平均值（圖 9-12）,即8級用于重要的零件，它們是現代生產中采用的主要精度等級。與具有中等精度要求的零件。1011級用于低精度零件，主要用于低速機器中；這些精度等級允許直接采用棒材、管材或精細鍛件而不需要再作切削加工。配合制度有基孔制和基軸制兩種。基孔制的孔是基準孔，其下偏差為零，代號為H,而各種配合特性是靠改變軸的公差帶來實現的(圖9-11)。基軸制的軸是基準軸，

23、其上偏差為零，代號為h,而各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實現的。為了減少加工孔用的刀具(如餃刀、拉刀)品種，工程中廣泛采用基孔制。但有時仍須采用基軸制，例如，光軸與具有不同配合特 性的零件相配合時；滾動軸承外徑與軸承孔配合時等。9.6.2 外表粗糙度外表粗糙度是指零件外表的微觀幾何形狀誤差。 凸凹不平的刀痕。外表粗糙度的評定參數之一是輪廓算術平均偏差RaRaydx近似為yi19.7 機械零件的工藝與標準化9.7.1 工藝性設計機械零件時，不僅應使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時還應當滿足 生產要求，否那么就可能制造不出來，或雖能制造但費工費料很不經濟。在具體生產條件下，如所設計的

24、機械零件便于加工而加工費用又很低，那么這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關工藝性的根本要求是：(1) 毛坯選擇合理機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產技術條件有關.一般取決于生產批量、材料性能和加工可能性等。(2) 結構簡單合理設計零件的結構形狀時，最好采用最簡單的外表(如平面、圓柱面、螺旋面)與其組合，同時還應當盡量使加工外表數目最少和加工面積最小。(3) 規定適當的制造精度與外表粗糙度零件的加工費用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據時，不應當追求高的精度。同 DOC.理，零件的外表粗糙度也應當根據配合外表的實際需要，作出適當的規定。欲設計出工藝性良好的零件， 設計者就必須與工藝技術員工相結合并善于向他們學習。 此外，在金