1、第9章 機械零件設計概論91 機械零件設計概論92 機械零件的強度93 機械零件的接觸強度94 機械零件的耐磨性95 機械制造常用材料及其選擇96 公差與配合、表面粗糙度和優先數系97 機械零件的工藝性及標準化91 機械零件設計概論機械設計應滿足的要求：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預定使用期限內安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。機械零件的失效： 機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。工作能力-在不發生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或

2、損傷;發生強烈的振動；聯接的松弛;摩擦傳動的打滑等。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；機械零件設計的步驟： 1)擬定零件的計算簡圖; 5) 繪制工作圖并標注必要的技術條件。 防止失效的判定條件是： 計算量許用量-工作能力計算準則。2) 確定作用在零件上的載荷; 3) 選擇合適的材料; 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 ; 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誰、規格加以圓整

3、 失效原因: 強度、剛度、耐磨性、振動穩定性、溫度等 原因。剛度條件：變形量N0以后，曲線趨于水平，可認為在無限次循環時試件將不會斷裂。應力與應力循環次數N 之間的關系曲線稱為：疲勞曲線當NN0 時,試件將不會斷裂。N0 -循環基數N0 對應的應力稱為：當N2%-含碳量 2%鐵碳合金特點：良好的液態流動性，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。可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓

4、、焊接、鑄造等。應用：應用范圍極其廣泛。表9-2 常用材料的相對價格材 料 種 類 規 格 相對價格熱軋圓剛 碳素結構鋼Q235 （ 3342） 1鑄 件優質碳素鋼 （ 2950） 1.51.8 合金結構鋼（ 2950） 1.72.5 滾動軸承鋼（ 2950） 3 合金工具鋼（ 2950） 320 4Cr9Si2耐熱鋼（ 2950） 5 灰鑄鐵鑄件 0.85 碳素鋼鑄件 1.7 銅合金、鋁合金鑄件 810 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

5、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。 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、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。 用途、工作條

6、件、物理、化學、機械工藝性能、經濟性。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管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。表9-1 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B 屈服極限S 延伸率% mmQ215 335-410 215 31 碳素結構鋼Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 優質碳素結構鋼35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金結構鋼

7、40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 鑄 鋼ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰鑄鐵HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨鑄鐵QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚3020096 公差與配合、表面粗糙度和優先系數一、 公差與配合互換性：零件在裝配時，不需要選擇和附加

8、加工的就 能滿足預期技術與使用要求的特性。基本尺寸：由設計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。實際尺寸：制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量 有誤差，所以實際尺寸并非真值。相對于 基本尺寸而言，總是有誤差。或大或小實際尺寸25.1軸實際尺寸實際尺寸基本尺寸實際尺寸24.9孔25.1孔25孔基本尺寸軸25軸24.9最小極限尺寸：零件滿足互換性要求的最小允許尺寸；最大極限尺寸：零件滿足互換性要求的最大允許尺寸；尺寸誤差 ：實際尺寸與理論設計尺寸之差；上偏差 ：最大極限尺寸與基本尺寸之差；符號：ES,es下偏差 ：最小極限尺寸與基本尺寸之差；符號：EI,eiesESeiEI尺寸公差：最大極限尺寸與最小

9、極限尺寸之差；即 允許的尺寸變動量。ES-EIes-ei公差=Lmax- Lmax=ES-EI=es-eiLmin孔L孔Lmax孔軸LLmax軸Lmin軸軸LLmax軸Lmin軸零線：代表基本尺寸所在位置的一條直線；公差帶：由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區域；零線ESEI孔公差帶esei軸公差帶國標規定：孔與軸各有28個，分別用如下符號表示：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軸：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

10、zc基本偏差：標準表列的，用于確定公差帶相對于零線位置的上偏差或下偏差，一般為靠近零線的那個偏差。+0-零線L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軸：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基本偏差系列呈正態分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-基本尺寸bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs軸+0-基本尺寸配合：基本尺寸相同，相互結合的孔與軸公差帶之

11、間 的關系；間隙或過盈：孔的尺寸減去相配合軸的尺寸所得代數差；間隙：代數差為“+”， 孔軸; 過盈：代數差為“-”， 孔軸，用于可動聯接，如活動鉸鏈； 孔軸，用于靜聯接，如火車輪與軸。 可能有間隙，也可能具有過盈。用于要求具有良好的同軸性而又便于拆裝的靜聯接，如齒輪與軸；最大間隙: Xmax = 孔max-軸min最小間隙: Xmin = 孔min-軸max 最大過盈: Ymax = 孔min-軸max 最小過盈： Ymin = 孔max-軸min 間隙配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶過盈配合過渡配合孔公差帶軸公差帶孔公差帶軸公差帶孔公差帶YmaxXmaxY

12、maxXmaxYmaxXmaxYmaxYmaxXminXmaxXmin= 0Ymin= 0軸公差帶XmaxYminH零線D孔公差kjshgefrpms間隙配合過渡配合過盈配合配合基準制基孔制配合：孔是基準孔，下偏差EI=0， 代號為:H ， 通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性。基孔制配合基軸制配合應用廣泛 ，可減少孔加工刀具 零線hD軸公差KJSHGEFRPMS間隙配合過渡配合過盈配合基軸制配合：軸是基準軸，上偏差es=0， 代號為:h ， 通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性。基孔制常用與優先配合的選用基軸制常用與優先配合的選用二、 表面粗糙度輪廓峰谷線輪廓峰頂線輪廓峰高yp輪

13、廓谷深yv中線lyx定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度特征：加工后零件表面留下的微細而凹凸不平的刀痕。評定參數：輪廓算術平均偏差-取樣長度l內，被測輪廓上各點至輪廓中線偏居絕對值的算術平均值：0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3 用不同加工方法得到的Ra 加工方法表面粗糙度 Ra m精 粗刨削鉆孔鉸孔精 粗鏜孔精 粗車精 粗磨精 粗研磨滾、銑精 粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。表面粗糙度對零件功能有重要的影響。例如：1. 對摩擦磨損的影響摩擦系數Ra零件表面愈粗糙，摩擦系數愈大。但光滑到一定

14、程度時，潤滑油被擠出，產生親和力反而使摩擦系數增大。2. 對疲勞強度的影響零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產生應力集中，使疲勞強度降低。3. 對耐腐蝕的影響4. 對結合處密封性能的影響5. 對振動和噪聲的影響等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易產生腐蝕滲透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振動和噪聲愈大。如滾動軸承。三、 優先數系 優先數系是國際上統一的數值分級制度，是一種無量綱的分級系數，適用于各種量值的分級。在確定產品的參數或參數系列時，應該最大限度采用。 產品的主要參數如：型號、直徑、轉速、承載量和功率等按優先數系形成系列，便于組織生產和降低成本，以實現產品的標準化和系列化

15、。優先數系是一個以公比為：qr= 10 的十進等比級數，rGB321-80規定了四個優先數系的基本系列：R5 : q5= 10 1.6 5R10 : q10= 10 1.25 10R20 : q20= 10 1.12 20R40 : q40= 10 1.06 40優先數系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00

16、 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 優先數-表中任意一個數值。 大于10的優先數，可將表數值分別乘以10、100、1000 。 97

17、 機械零件的工藝性及標準化一、工藝性零件設計要求使用要求-具備所要求的工作能力；制造要求-制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標志： 在具體的生產條件下，零件要便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1) 毛坯選擇合理制備方法毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。應用于大批量生產。用型材焊接鍛造鑄造沖壓 97 機械零件的工藝性及標準化一、工藝性零件設計要求使用要求-具備所要求的工作能力；制造要求-制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標志： 在具體的生產條件下，零件要便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1) 毛坯選擇合理制備方法：選用型材、

18、焊接、鑄造、鍛造、沖壓等。毛坯選擇與生產批量、材料性能和加工可能性有關。單件或小批量生產時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。2) 結構簡單合理最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；盡量減少加工面數和加工面積；3) 合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質量。盡量采用標準件；增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、 螺紋、鍵、齒輪模數等）的數量；4) 盡量減小零件的加工量毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節約材料、降低成本。盡量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進工藝滿足上述要求。欲設計出工藝性良好的零件，設計者必須虛心向工藝技術人員和一線工人學習，在實踐中積累經驗。二、標準化內容： 1)產品品種規格的系列化將同一類產品的主要參數、型式、尺寸、基本結構等依次分檔，制成系列化產品，以較少的規格品種滿足用戶的廣泛要求。定義：標準化是在經濟、技術、科學及管理等社會實踐中，對重復事務和概念，通過制定、發布和實施標準，以獲得最佳秩序和效益。2)零部件的通用化將用途、結構相近的零部件（如軸承、螺栓等），經過統一后實現互換；3)產品質量標準化要保證產品產品質量合格和穩定，就必須做